高中物理第二章光电效应光子学案(含解析)粤教版选修3_5

学案2 光子[学习目标定位] 1.知道光电效应现象，能说出光电效应的实验规律.2.知道遏止电压的概念，会用遏止电压计算光电子的最大初动能.3.知道普朗克的能量量子化假说和爱因斯坦的光子说，会用光子说解释光电效应现象.4.知道光电效应方程、意义并能够简单应用．1．各种色光的频率：从红到紫的频率依次变大．2．光的波长λ与频率ν的关系：c ＝λν，式中c 为光速．3．光电效应与光电流(1)金属在光的照射下发射电子的现象称为光电效应，发射出来的电子称为光电子． (2)阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流． 4．极限频率对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流．我们将ν0称为极限频率． 5．遏止电压在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零．我们把这时的电压称为遏止电压，用符号U 0表示． 6．能量量子假说1900年，德国物理学家普朗克在研究电磁波的辐射问题时，首次提出能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是h ν的整数倍，h ν称为一个能量量子，其中ν是辐射频率，h ＝6.63×10－34J·s，称为普朗克常量．7．光子假说1905年，爱因斯坦指出，光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，一个光子的能量为ε＝h ν. 8．光电效应方程h ν＝12mv 2max ＋W 0式中W 0表示金属的逸出功，h ν是入射光子的能量，12mv 2max 是出射光电子的最大初始动能． 9．光电效应的解释(1)金属内部的一个电子一般只能吸收 一个光子的能量，如果光子的能量小于电子的逸出功，那么无论光的强度(由光子数目决定)有多大，照射的时间多长，金属内部的电子都不能被激发而逃逸出来．因此光电效应的条件是光子的能量ε＝h ν必须大于或至少等于逸出功W 0，即ν≥W 0h.(2)遏止电压与光电子的最大初始动能的关系：eU 0＝12mv 2max .而在逸出功W 0一定的情况下，出射光电子的最大初始动能只与入射光频率有关，与光的强弱无关.一、光电效应产生的条件 [问题设计]如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上．图1(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象为_________________________________________， 说明_____________________________________________________________________． (2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为________________________________________________________________________， 说明_____________________________________________________________________． (3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象为________________________________________________________________________， 说明_____________________________________________________________________．答案 (1)验电器偏角张开 锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电(2)指针偏角明显减小 锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光 (3)观察不到指针的偏转 可见光不能使锌板发生光电效应 [要点提炼]1．光电效应的实质：光现象转化为,电现象． 2．光电效应中的光包括不可见光和可见光． 二、光电效应的实验规律 光电效应解释中的疑难 1．光电效应的四点规律(1)任何一种金属都有一个极限频率ν0，入射光的频率必须大于ν0，才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．(2)光电子的最大初始动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关． (3)当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关． (4)光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过10－9s. 2．掌握三个概念的含义(1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初始动能． (2)入射光的强度决定着单位时间内发射的光子数； (3)饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数．3．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W 0表示，不同金属的逸出功不同． 4．光电效应与光的电磁理论的矛盾 按光的电磁理论，应有：(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关． (2)不存在极限频率，任何频率的光都能产生光电效应． (3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9s. 三、爱因斯坦的光电效应方程1．光电效应方程实质上是能量守恒方程．能量为ε＝h ν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W 0，电子离开金属表面时最大初始动能为E k ，则根据能量守恒定律可知：E k ＝h ν－W 0. 2．光电效应方程说明了产生光电效应的条件．若有光电子逸出，则光电子的最大初始动能必须大于零，即E k ＝h ν－W 0>0，亦即h ν>W 0，ν>W 0h ＝ν0，而ν0＝W 0h恰好是光电效应的极限频率．图23．E k－ν曲线．如图2所示是光电子最大初始动能E k随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．一、光电效应的现象分析例1 (双选)如图3所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )图3A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红光照射锌板，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正电荷解析将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面逸出，锌板中缺少电子，于是带正电，选项A、D正确．红光不能使锌板发生光电效应．答案AD二、光电效应方程及应用例2 (单选)如图4所示，当电键K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V 时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( )图4A ．1.9 eVB ．0.6 eVC ．2.5 eVD ．3.1 eV 解析 由题意知光电子的最大初始动能为E k ＝eU 0＝0.60 eV所以根据光电效应方程E k ＝h ν－W 0可得W 0＝h ν－E k ＝(2.5－0.6) eV ＝1.9 eV答案A光的粒子性⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧光电效应⎩⎪⎨⎪⎧光现象转化电现象实质：电子吸收光子光电子实验规律光子说：ε＝h ν爱因斯坦的光电效应方程⎩⎪⎨⎪⎧h ν＝12mv 2max＋W解释光电效应1．(双选)在光电效应现象中，下列说法中正确的是( ) A ．入射光的强度越大，光电子的最大初动能越大 B ．光电子的最大初动能随入射光的频率增大而增大C ．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此波长，才能产生光电效应D ．对于某种金属，只要入射光的强度足够大，就会发生光电效应 答案 BC解析 光电子的最大初始动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故选项A 错，B 对；对于任何一种金属都存在一个发生光电效应的入射光的最小频率(极限频率)，对应着一个“最大波长”，故选项C 对，D 错．2．(2014·广东·18)在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是( ) A ．增大入射光的强度，光电流增大 B ．减小入射光的强度，光电效应现象消失C ．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应D ．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大 答案 AD解析 增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光电子数增加，则光电流将增大，故选项A 正确；光电效应是否发生取决于照射光的频率，而与照射强度无关，故选项B 错误．用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C 错误；根据h ν－W 逸＝12mv 2可知，增加照射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D 正确．[概念规律题组]1．(单选)红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是( ) A ．红光 B ．橙光 C ．黄光 D ．绿光 答案 A解析 按照爱因斯坦的光子说，光子的能量ε＝h ν，h 为普朗克常量，说明光子的能量与光的频率成正比，而上述四种单色光中，绿光的频率最大，红光的频率最小，故光子能量最小的是红光，所以选项A 正确．2．(单选)关于光电效应的规律，下列说法中正确的是( ) A ．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能发生 B ．光电子的最大初始动能跟入射光的强度成正比 C ．发生光电效应的时间一般都大于10－7sD ．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数与入射光的强度成正比 答案 D解析 由ε＝h ν＝h cλ知，当入射光波长大于极限波长时，不能发生光电效应，故A 错．由E k ＝h ν－W 0知，最大初始动能由入射光频率决定，与入射光的强度无关，故B 错．发生光电效应的时间一般不超过10－9s ，故C 错．3．(单选)对于任何一种金属，能发生光电效应的条件是( )A．入射光的强度大于某一极限强度B．入射光的波长大于某一极限波长C．入射光照射时间大于某一极限时间D．入射光的频率不低于某一极限频率答案 D4．(单选)关于光电效应现象，下列说法正确的是( )A．只有入射光的波长大于使该金属发生光电效应的极限波长，才能发生光电效应现象B．在光电效应现象中，产生的光电子的最大初始动能跟入射光的频率成正比C．产生的光电子最大初始动能与入射光的强度成正比D．在入射光频率一定时，单位时间内从金属中逸出的光电子个数与入射光的强度成正比答案 D解析当入射光频率不低于极限频率时才能发生光电效应，设此时波长为λ0，极限频率为ν0，则光速c＝λ0ν0，可知当入射光的波长大于极限波长λ0时，其频率将小于极限频率ν0，所以大于极限波长的光不能使金属发生光电效应，因此选项A错误．由光电效应方程E k＝hν－W0可知，光电子的最大初始动能随入射光频率的增大而增大，但并不与入射光频率成正比，因此选项B错误．由于光电子的最大初始动能与入射光的强度无关，显然选项C错误．若入射光强度增大到原来的n倍，则单位时间内入射光的能量就增大到原来的n倍．在入射光频率一定时，单个光子的能量不变，则单位时间内入射的光子数将增大到原来的n倍，因此选项D正确．[方法技巧题组]5．(单选)现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa＞λb＞λc.用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应．若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定( ) A．a光束照射时，不能发生光电效应B．c光束照射时，不能发生光电效应C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初始动能最小答案 A解析由a、b、c三束单色光的波长关系λa＞λb＞λc及波长、频率的关系知：三束单色光的频率关系为：νa＜νb＜νc.故当b光束恰能使金属发生光电效应时，a光束必然不能使该金属发生光电效应，c光束必然能使该金属发生光电效应，A对，B错；又因为发生光电效应时释放的光电子数目与光照强度有关，光照越强，光电子数目越多，由于光照强度未知，所以光电子数目无法判断，C错；光电子的最大初始动能与入射光频率有关，频率越高，最大初始动能越大，所以c光束照射时释放出的电子的最大初始动能最大，D 错，故正确选项为A.6．(双选)如图1所示是光电效应中光电子的最大初始动能E k 与入射光频率ν的关系图象．从图中可知( )图1A ．E k 与ν成正比B ．入射光频率必须大于或等于极限频率ν0时，才能产生光电效应C ．对同一种金属而言，E k 仅与ν有关D ．E k 与入射光强度成正比 答案 BC解析 由E k ＝h ν－W 0知B 、C 正确，A 、D 错误．7．(双选)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0，则( ) A ．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B ．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初始动能为h ν0C ．当入射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大D ．当入射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初始动能也增大一倍答案 AB解析 因入射光的频率大于极限频率时会产生光电效应，所以A 正确；因为金属的极限频率为ν0，所以逸出功W 0＝h ν0，再由E k ＝h ν－W 0得，E k ＝2h ν0－h ν0＝h ν0，B 正确；因为逸出功是光电子恰好逸出时需要做的功，对于同种金属是恒定的，故C 错误；由E k ＝h ν－W 0＝h ν－h ν0＝h (ν－ν0)可得，当ν增大一倍时：E k ′E k ＝2ν－ν0ν－ν0≠2，故D 错误．8．频率为ν的光照射到一种金属表面上，有电子从金属表面逸出，当所加反向电压U 的大小增大到3 V 时，光电流刚好减小到零．已知这种金属的极限频率为ν0＝6.00×1014Hz ，因此入射光的频率ν＝________ Hz.(电子电荷量e ＝1.60×10－19C ，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s)答案 1.32×1015解析 光电子的最大初动能E k ＝eU 0① 由爱因斯坦光电效应方程有E k ＝h ν－h ν0②联立①②得： ν＝eU 0h＋ν0＝1.32×1015Hz [创新应用题组]9．铝的逸出功为4.2 eV ，现用波长为200 nm 的光照射铝的表面．已知h ＝6.63×10－34J·s，求：(1)光电子的最大初始动能； (2)遏止电压； (3)铝的极限频率． 答案 (1)3.225×10－19J (2)2.016 V(3)1.014×1015Hz解析 (1)根据光电效应方程可知E k ＝h ν－W 0，有E k ＝hcλ－W 0＝6.63×10－34×3.0×108200×10－9J －4.2×1.6×10－19 J ＝3.225×10－19J (2)由E k ＝eU 0可得U 0＝E k e ＝3.225×10－191.6×10－19 V ＝2.016 V.(3)h ν0＝W 0知ν0＝W 0h ＝4.2×1.6×10－196.63×10－34Hz ＝1.014×1015Hz.。