4.2.1 光电效应的规律 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

2. 光电效应 人教版（2019）物理（选择性必修第三册） 第四章 原子结构和波粒二象性 锌板在照射下失去电子 当光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。 问题：把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。 用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。 这个现象说明了什么问题？ 1. 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出．这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子．观察光电效应的演示实验(如图所示)，回答下列问题： 活动一：了解光电效应的实验现象 (1)锌板在紫外线灯的照射下，连接锌板的验电器张开了一定的角度，怎样解释这种现象？ 【答案】 验电器带了电荷，说明在紫外线灯的照射下锌板失去电子，带了正电，使得验电器张开了一定的角度． (2)光电子和普通的电子有区别吗？ 【答案】 光电效应中从金属表面飞出的电子叫作光电子，本质上也是电子，与普通的电子一样． (3)实验中，若不用紫外线灯照射，而用红光照射，却看不到类似的现象，这个说明能否产生光电效应与什么有关？ 【答案】 与照射光的频率有关，频率越高，越有可能发生光电效应． (4)实验中，若把锌板换成银板，即使还用紫外线灯照射，也看不到类似的现象，这个说明能否产生光电效应与什么有关？ 【答案】 与金属本身也有关系． 2. 光电效应实验的装置如图所示，则下列说法中正确的是(　　) A. 用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 B. 用红外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 C. 锌板带的是负电荷 D. 使验电器指针发生偏转的是负电荷 【解析】 用紫外线照射连接灵敏验电器的锌板，验电器的指针就张开一定的角度，进一步验证知道锌板带的是正电．这是由于在紫外线照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出去，锌板缺少电子，于是带正电．验电器与锌板相连，验电器也带正电．故A正确，C、D错误．因红外线频率小于锌的极限频率，所以用红外线照射锌板不发生光电效应，故B错误． 【答案】 A 光电效应的实验规律 下面我们用如图所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色（频率）等物理量之间的关系 如图，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。这导致电压U为0时电流I并不为0（滑片移到最左端时，电压U为0）。 观看模拟实验，回答下列问题： 活动二：理解光电效应的实验规律 1. 研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量之间的关系的电路如图所示，光电管的阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子．阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调．电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流(光电子形成的电流)． 科学家通过实验，发现以下光电效应的实验规律： (2)存在饱和电流 ①根据以上材料和电路图判断：光电管中光电流的方向是_______(选填“A→K”或“K→A”)．若电压U为0，电流I为0吗？答：__________. 低于 A→K 不为0 ②在光照强度不变的条件下，把滑动变阻器的滑片向右滑动，电压U________(选填“增大”或“减小”)，光电流最终趋于一个饱和值，即使再增大电压，光电流也不再增加，此电流即为饱和电流．请在I－U图像中定性地画出以上变化过程的图线(用“甲”标识)． 【答案】 增大 ③在光的频率(颜色)不变的情况下，入射光越强，单位时间内发射的光电子数目________，饱和电流________.请在I－U图像中定性地画出相同频率、光强较大情况下的图线(用“乙”标识)． 【答案】 越多 越大 (3)存在遏止电压 如果施加反向电压(即阴极接电源正极、阳极接电源负极)，光电子在光电管两极间的电场中做________运动，随着反向电压增大，到达阳极的光电子数目将________，当动能最大的光电子也不能到达阳极时，光电流即减为0.使光电流减小到0时的反向电压称为遏止电压，用符号Uc表示．这一现象表明，光电子飞出时的最大初动能(即动能最大值)与遏止电 压应该满足关系____________________. 实验还表明，对于一定颜色的光，遏止电压都是________的，与光照强度________，这说明光电子的能量只与光的________有关． 减速 减少 相同 无关 频率 若实验中换用频率更大、单位时间内发射的光电子数目更少的光做实验，请在I－U图像中定性地画出该种情况下的图线(用“丙”标识)，同时补全甲、乙两图线在反向电压情况下的图线．(设甲、乙两图线对应的遏止电压为Uc1、丙图线对应的遏止电压为Uc2) 【答案】 (4)光电效应具有瞬时性 当入射光频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流．精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时的． 2. 如图所示，这是研究光电效应的电路图，下列叙述中正确的是(　　) A. 只调换电源的极性，移动滑片P，当电流 表示数为零时，电压表示数为遏止电压Uc的数值 B. 保持光照条件不变，滑片P向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大 C. 不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数不变 D. 阴极K需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流 【答案】 A 3. 利用光电管研究光电效应的实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则(　　) A. 用紫外线照射，电流表不一定有电流通过 B. 用红外线照射，电流表一定无电流通过 C. 用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过 D. 用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变 【解析】 可见光照射阴极，可以发生光电效应，用紫外线照射，因为紫外线的频率大于可见光的频率，所以一定能发生光电效应，所加的电压是正向电压，则一定有电流通过．故A错误．红外线的频率小于可见光，不一定能发生光电效应，不一定有电流通过．故B错误．频率为ν的可见光照射K，变阻器的滑片移到A端，两端的电压为零，但光电子有初动能，故电流表中仍有电流通过．故C错误．用频率为ν的可见光照射K，一定能发生光电效应，变阻器的滑片向B端滑动时，可能电流已达到饱和值，所以电流表示数可能增大，可能不变．故D正确． 【答案】 D 1. 逸出功 活动三：知道光电效应解释中的疑难 如图所示，电子吸收光的能量后，它要逃出金属，必须克服金属对它的束缚做功，而金属内不同位置的电子逃出金属时，需要做的功也不同，金属最外面的电子逸出时需要克服的功最少． (1)使电子从金属中逸出所需做功的__________叫作这种金属的逸出功，逸出功W0的常用单位是电子伏特(eV)．不同金属的逸出功________. (2)如何理解同样的照射条件，有的金属能发生光电效应，而有的不能？想一想：逸出功大的还是逸出功小的金属更容易发生光电效应现象？ 【答案】 若入射光的能量大于逸出功，则能发生光电效应，否则不能，逸出功小的金属更容易发生光电效应现象． 最小值　 不同 (3)克服金属逸出功而逸出金属的光电子具有最大初动能，所有逸出金属的光电子具有的动能都等于最大初动能吗？ 【答案】 不是，只有逸出金属时所克服的功等于金属的逸出功的光电子动能才是最大的，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是0到最大初动能之间的任何数值． 2. 利用光的电磁理论解释光电效应有哪些困难？ 【答案】 经典理论和光电效应的实验结果的矛盾主要有两个：一是，经典电磁理论认为，光的能量大小是由光强决定的．只要光强足够大，理论上应该能够激发光电子．但实际实验中，必须频率足够大才可以激发光电子．二是，经典电磁理论认为，电子吸收光子能量是需要时间积累的．但实验中发现，光子激发电子是瞬时的． 检 测 反 馈 1. 关于光电效应，下列表述正确的是(　　) A. 金属的极限频率与入射光的频率成正比 B. 光电流的强度与入射光的强度无关 C. 用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能要大 D. 对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应 【答案】 D 2. 如图所示，将一块锌板通过金属导线连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开．现用紫外线灯照射锌板，观察到验电器指针张开的角度先变小后变大，下列说法正确的是(　　) A. 紫外线灯给锌板补充正电荷 B. 紫外线带走了锌板和验电器上的负电荷 C. 锌板在紫外线灯照射下失去电子 D. 锌板电子吸收的紫外线能量小于逸出功 【解析】 紫外线灯照射锌板表面，锌板中的自由电子吸收紫外线光子的能量而发生光电效应，故A、B错误，C正确；锌板电子吸收的紫外线能量大于逸出功，故D错误． 【答案】 C 3. 如图所示为一光电管电路，滑动变阻器滑动触头P位于AB上某点，用光照射光电管阴极，电表无偏转，要使电表指针偏转，可采取的措施是(　　) A. 加大照射光强度　 B. 换用波长短的光照射 C. 将P向B滑动　 D. 将电源正负极对调 【解析】 由光电管电路图可知阴极K电势低，阳极A电势高，如果K极有电子飞出，则它受到的电场力必向左，即将向左加速，然而现在G中电表指针无偏转，说明没有发生光电效应，这仅能说明照射光频率太低．这与光强、外加电压的大小及方向均无关．可见要使指针发生偏转需增大照射光的频率，即缩短照射光的波长．故B正确． 【答案】 B 4. 现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生，则下列说法正确的是(　　) A. 保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流不变 B. 入射光的频率变高，饱和光电流变大 C. 入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 D. 保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生 【解析】 根据光电效应规律，保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，则饱和光电流变大，A错误；由爱因斯坦光电效应方程知，入射光的频率变高，产生的光电子最大初动能变大，而饱和光电流与入射光的频率和光强都有关，B错误，C正确；保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，当入射光的频率小于极限频率时，就不能发生光电效应，没有光电流产生，D错误． 【答案】 C 5. 研究光电效应的电路如图所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管中的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中，正确的是(　　) 【解析】 频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大．故C正确． 【答案】 C 6. 用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则(　　) A. 逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变 B. 逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小 C. 逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小 D. 光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了 【解析】 光的强度不影响光电子的最大初动能，光电子的最大初动能与入射光的频率有关；光电效应的条件是入射光的频率大于极限频率，与光的强度无关；入射光的强度影响单位时间内发出光电子的数目，光的强度减弱，单位时间内发出光电子数目减少．故B、C、D错误，A正确． 【答案】 A 7. 如图所示是研究光电效应的电路，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子．阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流．如果用单色光a照射阴极K，电流表的指针发生偏转；用单色光b照射光电管阴极K时，电流表的指针不发生偏转．下列说法正确的是(　　) A. a光的波长一定大于b光的波长 B. 只增加a光的强度可能使通过电流表的电流增大 C. 只增加a光的强度可使逸出的电子最大初动能变大 D. 阴极材料的逸出功与入射光的频率有关 【解析】 用单色光b照射光电管中阴极K时，电流表的指针不发生偏转，说明用b光不能发生光电效应，即a光的波长一定小于b光的波长，A错误；只增加a光的强度可使阴极K单位时间内逸出的光电子数量增加，故通过电流表的电流增大，B正确；只增加a光的强度不能使逸出的电子的最大初动能变大，C错误；阴极材料的逸出功只与阴极材料有关，与入射光的频率无关，D错误． 【答案】 B 8. 光电效应实验装置如图所示，关于光电效应实验，下列说法中正确的是(　　) A. 为了测量饱和电流，a端应接电源的正极， 且滑片P应尽量向右滑 B. a端接电源正极，某种色光照射时发现G 表无示数，说明未发生光电效应 C. b端接电源正极，某种色光照射时发现G表无示数，将滑片向右滑，G表可能会有示数 D. 通过G表的电流方向与a、b的电势高低无关 【答案】 D 谢谢观看 Thank you for watching Lavf58.30.100 (1)存在截止频率 当入射光的频率________(选填“高于”或“低于”)金属的截止频率(或极限频率)时不发生光电效应． mv2＝eUc 【解析】 当只调换电源的极性时，电子从K到A做减速运动，到A恰好速度为零时对应电压为遏止电压，所以A正确；当其他条件不变，P向右滑动，加在光电管两端的电压增加，光电子运动更快，由I＝ 得电流表读数变大，但当达到饱和光电流时，电流表示数不变，B错误；只增大入射光束强度时，单位时间内发射的光电子数变多，电流表示数变大，C错误；因为光电效应的发生是瞬间的，阴极K不需要预热，所以D错误． $$