高中物理 第四章 波粒二象性 第2节 光电效应与光的量子说 教科版选修3-5
教科版选修3-5 第4章 章末总结 波粒二象性
二、光电效应的规律和光电效应方程
1.理解光电效应的规律的四个角度 (1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截 止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应. (2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射 光频率的增大而增大. (3)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9 s. (4)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光 电子数的多少)与入射光强度成正比.
一、量子论、光子说、光子能量的计算
1.量子论 德国物理学家普朗克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，是一份一 份的，每一份电磁波的能量ε＝hν. 2.光子说 爱因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，也是一份一份的，每一份 称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比，即ε＝hν，其中h为 普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s. 3.光的频率与波长的关系：ν＝c .
1.Ek－ν图像 根据爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W，光电子的最大初动能Ek是入 射光频率ν的一次函数，图像如图2所示.其横轴截距为金属的截止频率ν0， 纵轴截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量h.
图2
2.I－U图像 光电流I随光电管两极间电压U的变化图像如图3所示，图中Im为饱和光 电流，U0为反向遏止电压.利用 12mvm2＝eU0可得光电子的最大初动能.
λ
例1 激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器 发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲，现 有一红宝石激光器，发射功率为1.0×1010 W，所发射的每个光脉冲持续 的时间Δt为1.0×10－11 s，波长为793.4 nm.每个光脉冲的长度l是多少？ 其中含有的光子数n是多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝ 3×108 m/s) 答案 3×10－3 m 4×1017个
2.光电效应与光的量子说-教科版选修3-5教案
2. 光电效应与光的量子说-教科版选修3-5教案教学目标1.理解光的波粒二象性，知道波粒二象性假说的提出背景、内容和实验支持。
2.掌握光电效应的基本概念、实验现象、经典解释和量子解释。
3.能够应用光电效应探究光的性质和物质结构。
4.培养学生科学实验精神和探究精神，提高实验操作能力。
课时安排本课时为一次实验课，建议两个课时完成。
教学过程导入掌声欢迎老师走进教室！进入教室后，老师对学生进行简单的自我介绍，并向学生介绍本次实验的主题：光电效应与光的量子说。
实验步骤1.实验前准备a.两组不同的扩散器b.同种桩前后加砖两砖制成“矮墙”c.电源、万用表、导线等实验仪器材料d.一些光源：白炽灯光源、酒精灯、激光笔、高压氙气灯等e.工具：剪刀、尺子、胶带等2.实验过程a.分组进行实验。
b.实验一：把光源（白炽灯光源、酒精灯、激光笔、高压氙气灯等）分别放在扩散器的一端，或者在扩散器的中间向左右两边轻轻扫动，观察隔板另一端的矮墙上是否出现明暗条纹。
c.实验二：把白炽灯光源的光强调大到最大，用万用表分别进行正常电极接入和反过来电极接入光电池的伏安特性测量，记录下电压和电流的值。
d.将以上实验的结果进行数据分析和讨论。
实验结果分析及讨论光的波粒二象性光既有波动性又有粒子性，这个结论听起来有些奇怪。
在实验一中我们用不同的光源在扩散器的一端站了几个位置进行观察，可以发现，有些位置隔板另一侧的矮墙上出现了明暗条纹，说明光并不是沿直线传播的，而是像波浪一样散射出去。
而同时当些位置不出现明暗条纹，说明光的传播是呈现直线的，像粒子一样沿着直线运动。
光电效应实验二记录了光电池的伏安特性数据，坐标系上横坐标是光电池的电压，纵坐标是光电池的电流。
通过数据观察和分析可以得到结论，光子是粒子，具有能量和动量，是实质的物质。
同时还得出结论，电子离开金属表面的能量取决于光的频率，与光的强度无关。
这就是光电效应的经典解释。
光的量子说光电效应经过许多研究人员的探究和实验，最后发现了一个比较令人满意的解释：光是由一些离散能量的粒子（即光子）构成的。
高中物理 第四章 波粒二象性 1、2 量子概念的诞生 光电效应与光的量子说教案 教科版选修3-5-教
1 量子概念的诞生2 光电效应与光的量子说一、热辐射、黑体与黑体辐射1．热辐射我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关．2．黑体指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生全反射的物体．3．一般材料物体的辐射规律辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．4．黑体辐射的实验规律黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，如图所示．(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加．(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．在火炉旁边有什么感觉？投入炉中的炭块颜色怎样变化？说明了什么问题？提示：我们靠近火炉时，马上会感到热，这是由于炉中燃烧的炭块在向外辐射能量．我们观察投入炉中炭块的颜色，当温度较低时，炭块呈暗红色，随着温度的不断升高，它变得赤红，橙红，到最后由黄色变成白色，这表明炭块是以电磁波的形式向外辐射能量，而且在不同温度下辐射强度按电磁波波长有不同的分布．二、能量子1．定义普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子．2．能量子大小ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)．3．能量的量子化在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的．三、光电效应的实验规律1．光电效应照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象．2．光电子光电效应中发射出来的电子．3．爱因斯坦对光电效应的解释(1)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应．(3)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过10－9s.4．逸出功使电子脱离某种金属所做功的最小值． 不同金属的逸出功不同．将锌板与验电器连在一起，然后用紫外线灯照射锌板，会发现一个奇妙的现象，验电器的指针发生了偏转，这一现象说明锌板在紫外线照射下带电了．为什么会这样呢？提示：这一现象就是著名的光电效应现象，进一步的研究表明，在光照的情况下，从锌板上有电子逸出，锌板带上了正电荷．四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程 1．光子说光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子被称为光子．2．爱因斯坦的光电效应方程 (1)表达式：hν＝12mv 2＋A .(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功A ，剩下的表现为逸出后电子的初动能E k .考点一黑体辐射的规律(1)对黑体的理解：绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替．如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体．(2)对黑体辐射的理解：任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领．辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布．这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称为热辐射．(3)一般物体与黑体的比较：(4)对热辐射的理解①在任何温度下，任何物体都会发射电磁波，并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性．在室温下，大多数物体辐射的是不能引起视觉的波长较长的电磁波——红外光；但当物体被加热到500 ℃左右时，开始发出暗红色的可见光．随着温度的不断上升，辉光逐渐亮起来，而且热辐射中较短波长的成分越来越多，即能引起视觉的电磁波越来越多，大约在1 500 ℃时变成明亮的白炽光．这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的，而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高．②在一定温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同．例如，将钢加热到约800 ℃时，就可观察到明亮的红色光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光．【例1】(多选)下列叙述正确的是( )A．一切物体都在辐射电磁波B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波根据热辐射的定义及黑体辐射的实验规律直接判断即可．【解析】根据热辐射的定义，A正确；因为一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射只与黑体的温度有关，故B错误，C正确；根据黑体的定义知D正确．【答案】ACD总结提能黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是( A )解析：根据黑体辐射的规律，温度越高，辐射强度越大，辐射出的波频率高的比例增大，即波长小的波比例增大，故选A.考点二能量子的理解和计算1．能量子：超越牛顿的发现(1)普朗克的量子化假设：①能量子：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍．例如，可能是ε或2ε、3ε……当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的．这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子；②能量子公式：ε＝hν，ν是电磁波的频率，h是一个常量，称为普朗克常量，其值h＝6.63×10－34J·s；③能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫做能量的量子化．(2)能量子假说的实验证实：普朗克公式与实验结果比较，发现它与实验结果“令人满意地相符”．如图所示，曲线是根据普朗克的公式作出的，小圆代表实验值．(3)普朗克的能量子假说的意义：普朗克的能量子假说，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发现产生了革命性的影响．2．能量的量子化微观粒子的能量与宏观世界的能量的认识不同．例如，一个宏观的弹簧振子，把小球推离平衡位置后开始振动，能量为E.第二次我们可以把它推得稍远一些，使它振动的能量稍多一些，例如1.2E或1.3E.推得更远，能量更大．弹簧振子的能量不是某一个最小值的整数倍．只要在弹性限度内，我们可以把小球推到任何位置，其能量可以是任何值．即对弹簧振子的能量，我们说能量值是连续的；而普朗克的假说则认为，微观粒子的能量是量子化的，或说微观粒子的能量是分立的．【例2】一盏电灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长λ＝6.0×10－7m，在距电灯10 m远处，以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为( )A．2×1017B．2×1016C．2×1015D．2×10231．每个光子的能量是多少？2．电灯每秒钟产生的光能是多少，这些光能包含多少个光子？【解析】光是电磁波，辐射能量也是一份一份进行的，100 W灯泡每秒产生光能E＝100 J，设电灯每秒发出的光子数为n，E＝nhν＝nh cλ，在以电灯为球心的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子(能量子)数n′＝n4πr2，n′＝Eλ4πr2hc＝100×6.0×10－74×3.14×102×6.63×10－34×3×108≈2×1017(个)．【答案】 A总结提能 此类题一定要注意空间想象能力，并把画面想象出来．同时要注意关键字眼，如“每秒”“1 m 2”的理解．太阳光垂直射到地面上时，地面上1 m 2接收的太阳光的功率是1.4 kW ，其中可见光部分约占45%.(1)假设认为可见光的波长约为0.55 μm，日地间距离R ＝1.5×1011m ．普朗克常量h ＝6.6×10－34J·s，估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少？(2)若已知地球的半径为6.4×106m ，估算地球接收的太阳光的总功率． 答案：(1)4.9×1044个 (2)1.8×1014kW解析：(1)设地面上垂直阳光的每平方米面积上每秒接收的可见光光子数为n ，则有P ×45%＝nh cλ.解得：n ＝0.45λP hc ＝0.45×0.55×10－6×1.4×1036.6×10－34×3×108个·m －2＝1.75×1021 个·m －2. 则所求可见光光子数N ＝n ·4πR 2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2＝4.9×1044(个)．(2)地球接收阳光的总功率P 地＝P πr 2＝1.4×3.14×(6.4×106)2kW≈1.8×1014kW.考点三 光电效应现象及其实验规律1．光电效应如图所示，用紫外线灯照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，即锌板也带正电，这说明锌板在光的照射下发射了电子．(1)定义：在光的照射下物体的电子逸出的现象，叫做光电效应，逸出的电子叫做光电子．(2)光电效应的实验电路实验电路如图所示，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，电源加在K与A之间，其电压通过分压电路可调，正负极可以对调．电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发射的光电子，在电路中形成光电流，电流表可测量光电流．2．光电效应的实验规律(1)实验结果①饱和电流在入射光的强度与频率不变的情况下，I－U的实验曲线如图所示．曲线表明，当加速电压U增加到一定值时，光电流达到饱和值I m.这是因为单位时间内从阴极K逸出的光电子全部到达阳极A.若单位时间内从阴极K 上逸出的光电子数目为n ，则饱和电流I m ＝ne .式中e 为一个电子的电荷量，另一方面，当电压U 减小到零，并开始反向时，光电流并没有降为零，这就表明从阴极K 逸出的光电子具有初动能．所以尽管有电场阻碍它们运动，仍有部分光电子到达阳极A.②遏止电压当反向电压等于U c 时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A ，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压U c 来确定电子的最大初速度和最大初动能，即E km ＝12mv 2m ＝eU c .③光的频率相同时，光电子的最大初动能相同在用相同频率不同强度的光去照射阴极K 时，得到的I －U 曲线如图1所示．它显示出对于不同强度的光，U c 是相同的．这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的．④截止频率(极限频率)用不同频率的光去照射阴极K 时，实验结果是：频率越高，U c 越大，如图2所示；并且ν与U c 呈线性关系，如图3所示．频率低于νc 的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此，νc 称为截止频率，对于不同的材料，截止频率不同．(2)实验规律①饱和电流I m的大小与入射光的强度成正比，也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比．②光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光线的强度无关(如图1所示，图中I O1、I O2、I O3表示入射光强度)，而只与入射光的频率有关．频率越高，光电子的初动能就越大(见图3)．③频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出．④光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内(<10－9s)观察不出这两者间存在滞后现象．【例3】利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν1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，电流表中不一定有电流通过B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过C．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑动触头移到a端，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν1的可见光照射阴极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光电效应实验中发现，入射光的频率越高，越易发生光电效应，且光电流达到最大值时，不会再增大．【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使U AK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑动触头向b端滑动时U AK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的所有光电子都能到达阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大U AK，光电流也不会增大，D正确．故正确答案为D.【答案】 D总结提能理解好实验现象，理解好光电效应发生的条件是解题的关键．在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针张开了一个角度，如图所示，这时( B )A．锌板带正电，指针带负电B．锌板带正电，指针带正电C．锌板带负电，指针带负电D．锌板带负电，指针带正电解析：发生光电效应时有电子从锌板上跑出来，使锌板及验电器的指针都带正电，B正确．考点四 光电效应方程的理解和应用1．光子说(1)内容：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子称为光子．(2)公式：光子的能量ε＝hν，h 为普朗克常量，ν为光的频率，h ＝6.626×10－34 J·s. 2．光电效应方程(1)表达式：E k ＝hν－W 0.(2)理解：①在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子的能量hν，这些能量中的一部分用来克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后电子的初动能E k .②光电效应方程包含了产生光电效应的条件：E k ＝hν－W 0>0，亦即hν>W 0，ν>W 0h ＝νc ，而νc ＝W 0h就是金属的截止频率．(3)最大初动能E k发生光电效应时，电子克服金属原子核的引力逸出时，具有的动能大小不同，金属表面上的电子吸收光子后直接逸出时具有的动能最大，称为最大初动能，用E k 表示．即逸出的电子动能在0～E k 之间．3．光电效应曲线(1)E k －ν曲线①爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的最大初动能E k 与入射光的频率ν成线性关系，与光强无关，如图所示，由光电效应方程知，当hν>W 0时，E k >0，即有电子逸出，截止频率νc ＝W 0h.②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的．③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流大，所以饱和电流与光强成正比．根据光电效应方程知：E k ＝hν－W 0，光电子的最大初动能E k 与入射光的频率ν呈线性关系，即E k －ν图象是一条直线．上图是光电子最大初动能E k 随入射光频率ν的变化曲线．横轴上的截距是阴极金属的截止频率或极限频率；纵轴上的截距，是阴极金属的逸出功负值；斜率为普朗克常量．(2)I －U 曲线右图所示的光电流强度I 随光电管两极板间电压U 的变化曲线中，I m 为饱和光电流，U c 为遏止电压．(1)利用eU c ＝12m e v 2m 可得光电子的最大初动能E km . (2)利用E k －ν图线可得极限频率νc 和普朗克常量h .4．光子说对光电效应规律的解释(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量．而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．(2)当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能E k ＝12m e v 2c ＝hν－W 0，其中W 0为金属的逸出功，因此光的频率越高，电子的初动能越大．(3)电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间立即挣脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的．(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多．【例4】(多选)下列对光电效应的解释，正确的是( )A．金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属表面B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同1．根据光子说的内容可知，光子的能量由谁决定，与光的强度是否有关？2．金属表面的电子成为光电子，要克服哪些力而做功，需要的能量从哪儿获得？【解析】根据爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率决定的，与光强无关．入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大．但要使电子离开金属表面，必须使电子具有足够的动能，而电子的动能只能来源于入射光的光子能量，但每个电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子．因此当入射光的频率低于截止频率时，即使照射时间足够长，也不会发生光电效应．使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，不同金属的逸出功不同．故正确答案为B、D.【答案】BD总结提能光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索：(2)两个关系：光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．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．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动能最小解析：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光恰能使金属发生光电效应时，a光必然不能使该金属发生光电效应，c光必然能使该金属发生光电效应，A正确，B错误；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错误；而光电子的最大初动能与入射光频率有关，频率越高，最大初动能越大，所以c光照射时释放出的光电子的最大初动能最大，D错误，故答案为A.重难疑点辨析光电效应问题的分析方法有关光电效应的问题主要有两个方面：一个是关于光电效应现象的判断，另一个就是运用光电效应方程进行简单的计算．解题的关键在于掌握光电效应规律，明确概念之间的决定关系．即有：2．应用爱因斯坦光电效应方程解题的步骤：(1)分析光电效应现象，根据需要建立光电效应方程，或画出光电效应方程所对应的图象．(2)根据eU c ＝12mv 2c 求出最大初动能． (3)根据饱和光电流与照射光频率的关系图象得到材料恰能产生光电效应时照射光的频率ν0，由hν0＝W 0可得逸出功．(4)联立以上各式求解未知物理量．【典例】 用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能E k 随入射光频率ν变化的E k －ν图象．已知钨的逸出功是3.28 eV ，锌的逸出功是3.24 eV ，若将二者的图线画在同一个E k －ν坐标图中，用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的图是如图所示中的( )【解析】 依据光电效应方程E k ＝hν－W 可知，E k －ν图线的斜率代表了普朗克常量h ，因此钨和锌的E k －ν图线应该平行．图线的横轴截距代表了极限频率νc ，而νc ＝W h，因此钨的νc 大些．综上所述，B 图正确．【答案】 B本题最大的特点是利用数学图象解决物理问题．不能把物理问题转化为数学问题，再利用数学函数关系解决物理问题是最易出现的错误．只有在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图象结合起来，经分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力．1．能正确解释黑体辐射实验规律的是( B )A．能量的连续经典理论B．普朗克提出的能量量子化理论C．以上两种理论体系任何一种都能解释D．牛顿提出的能量微粒说解析：根据黑体辐射的实验规律，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释，故选项B正确．2．(多选)关于普朗克“能量量子化”的假设，下列说法正确的是( AD )A．认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的B．认为能量值是连续的C．认为微观粒子的能量是量子化的、连续的D．认为微观粒子的能量是分立的解析：普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时，是一份一份的，微观粒子的能量是量子化的，是分立的，故选项A、D正确．3．(多选)光电效应实验的装置如图所示，则下列说法中正确的是( AD )A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红色光照射锌板，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：紫外线频率大于锌板的极限频率，故锌板会发生光电效应，向外放出光电子，从而使锌板和验电器带上正电荷，所以A、D正确．4．(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为U a和U b、光电子的最大初动能分别为E k a和E k b.h为普朗克常量．下列说法正确的是( BC )A．若νa>νb，则一定有U a<U bB．若νa>νb，则一定有E k a>E k bC．若U a<U b，则一定有E k a<E k bD．若νa>νb，则一定有hνa－E k a>hνb－E k b解析：设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有E k＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又E k＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A 项错误；又有hν－E k＝W，W相同，则D项错误．5．如图所示，擦得很亮的绝缘锌板A水平固定放置，其下方水平放有接地的铜板B，两板间距离为d，两板面积均为S，正对面积为S′，且S>S′.当用弧光灯照射锌板上表面后，A、B板间一带电液滴恰好处于静止状态．试分析：(1)液滴带何种电荷？(2)用弧光灯再照射A板上表面，液滴做何种运动？(3)要使液滴向下运动，应采取哪些措施？(一种即可)答案：(1)负电(2)向上运动(3)将B板向右平移解析：(1)锌板受弧光灯照射发生光电效应，有光电子从锌板A的上表面逸出，而使A 板带正电荷，接地的铜板B由于静电感应而带负电，A、B板间形成方向向下的匀强电场，由液滴处于静止状态知qE＝mg，所以液滴带负电．(2)当再用弧光灯照射A板上表面时，光电效应继续发生，使A板所带正电荷增加，A、B板间场强增强，所以qE>mg，使液滴向上运动．(3)要使液滴向下运动，即mg>qE，mg和q不变，则必须使E变小．因A板电荷量Q不变，则当B板向右移动，增大两板正对面积时，电容增大，两板间电势差减小，而d不变，故场强E变小，qE<mg，则液滴向下运动．。
高中物理第四章2光电效应与光的量子说课件教科选修35教科高中选修35物理课件
能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具
有最大初动能.光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能.
第七页，共二十五页。
(3)光子的能量与入射光的强度:光子的能量即每个光子的能量,其值为
ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定.入射光的强度指单位时间
第十六页，共二十五页。
类型
类型
(lèixí
ng)二
(lèixí
ng)一
类型
(lèixí
ng)三
点拨根据饱和电流的值可以算出每秒内由K极发射的光电子的数目.根据光电子
从K极飞出时的最大初动能,再加上A、K间的电压相应的电场力的功,可以
得到电子到达A极时的最大动能.最大初动能与光的强度无关,而是与光的频率有关.
(1)光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电,光电子
是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子,光子是光电效
应的因,光电子是果.
(2)光电子的初动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时,光子的能
量全部(quánbù)被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能向各个方向运动,需克服
②如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根
据能量守恒定律可知,Ek=hν-W0.
(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件.
若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,
0
0
ℎ
ℎ
亦即 hν>W0,ν> =νc,而 νc= 恰好是光电效应的截止频率.
的能量后,消耗于电子由金属内逸出表面所需做的功W,叫作逸出功.
教科版高中物理选修3-5第四章光的波粒二象性课件
沿方向
运动,并且波长
(填“不变”“变短”或“变
长”).
类型一 类型二 类型三
点拨由于光子不仅具有能量,它还具有动量,因此我们可以根据能 量和动量的相关规律进行分析和解答. 解析:因光子与电子的碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电 子的总动量的方向与光子碰撞前动量的方向一致,可见碰撞后光子 运动的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部 分能量转移给电子,光子的能量减少,由ε=hν知,频率变小,再根据 c=λν知,波长变长. 答案:1 变长 题后反思:根据光子理论,用能量守恒和动量守恒解释康普顿效应, 理论与实验符合得很好,不仅有力地验证了光子理论,而且也证实 了微观领域的现象,也严格遵循能量守恒和动量守恒定律.
1.大量光子易显示波动性,而少 量光子易显示出粒子性.
性,E=hν=hc中,ν 和 λ 就是
λ
2.波长长(频率低)的光波动性 波的概念.
强,而波长短(频率高)的光粒子 2.波和粒子在宏观世界
性强
里是不能统一的,而在微
观世界里却是统一的
光既表现出波动性又表现出粒子性,很难用宏观世界的观念来认 识,必须从微观的角度建立起光的行为图景,认识光的波粒二象性, 需要明确的是:爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒 子”是两个完全不相同的概念;同样,麦克斯韦电磁理论中的“波”与 惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念,其本 质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别.
2.关于光的波粒二象性 (1)光的波粒二象性:光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波 粒二象性. (2)光的粒子性的证明:光子和实物粒子一样,具有确定的能量和 动量. (3)光的波动性的证明:光能发生干涉、衍射、偏振等波动特有的 现象. (4)普朗克常量:普朗克常量h是连接粒子性与波动性之间的桥梁, 它的桥梁作用可以用下图表示.
高中物理 第四章 波粒二象性 第2节 光电效应与光的量子说课件 教科版选修3-5.ppt
V
Uc称遏止电压。
1 2
m
v2
ec
eUc
K阴
极
G
10
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极
V
K阴
极
遏
止Leabharlann 电G压I
光强较弱
Uc
O
U
11
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极
V
I
K阴
极
饱
和
遏 止
电I s
流
电
光强较强 光强较弱
G
压
U
O
U
12
a
光电效应的规律：
35
6、某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出， 若光的频率不变而强度减弱，那么下述结论中正确的是
A．光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出 B
B．逸出的电子数一定减少 C．逸出的电子数有可能增加 D．逸出的电子数有可能不变
7、下列关于光电效应的说法正确的是（ D）
A．光电子的动能随照射光频率的增大而增大 B．光电子的初速度与照射光的频率成正比 C．光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 D．光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大
第二节 光电效应与光的量子说
1
自主学习
一、光电效应、光的波动说的困难 1．定义：光照射在金属表面上时，金属中的电 子因吸收光的能量而逸出金属表面的现象． 2．光电效应的特征 (1)任何金属均存在截止频率(极限频率)，只有 __超__过____截止频率，才能引起光电效应． (2)发生光电效应时，光电流的大小由_光__强___决 定，_光__强___越大，光电流越大． (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成_线__性__ 关系． (4)光电效应具有瞬时性，发生时间不超过10－9 s. 3．光的波动说无法解释光电效应现象．
高中物理 4-2 光电效应与光量子假说课件 教科版选修3-5
实验结论
1 、当入射光的频率较低时，无论光多么强， 照射时间多长，光电管都不会发射光电子，不 能产生光电流。 2 、当入射光的频率较高时，才会产生光电流， 这个频率称为极限频率，其对应的波长称为极 限波长。 3 、当入射光的频率大于极限频率时，光电流 强度与入射光的强度有关。
探究光电子的动能大小
不是，遏止电压对应的光电子最大初动能。
光电效应的4条基本规律
• 1.产生光电效应的条件：
任何一种金属，都存在极限频率ν0，只有当入 射光频率ν>ν0时，才能发生光电效应.
• 2.光电子的最大初动能：
光电子的最大初动能Ekm与入射光强度无关， 只随入射光频率的增大而增大 .
• 3.光电效应的发生时间：几乎是瞬时发生的． • 4.光电流强度的决定因素：当入射光频率ν>ν0
时，光电流随入射光强度的增大而增大.
• 看表格思考下列问题：
• （1）某光恰能使锌发生光电效应，那
么能使表格内哪些金属发生光电效应? • （2）表中哪种金属最易发生光电效应? • （3）为什么各种金属的极限频率不同?
电磁理论遇到困难 • 为什么说光的波动理论无法解释光电
•
• •
效应的规律？ 从光电效应的发生过程来看，电子吸 收入射光能量后才能挣脱原子核的束 缚，所以我们应从能量的角度来分析 光效应．光的波动理论是这样描述光 的能量的： （1）能量是连续的； （2）振幅（光强）越大，光能越大， 光的能量与频率无关．
• 1、在光（包括不可见光）的照射下，
使物体发射出电子的现象叫做光电 效应。
光电效应
• 2、发射出来的电子叫做光电子。
光电效应
光电管
1. 光电管就是利用光电效应把光信号转变 成电信号的一种传感器。
教科版选修3-5 第4章 2 光电效应与光的量子说
2 光电效应与光的量子说[学习目标] 1.知道光电效应现象，能说出光电效应的实验规律.2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题．一、光电效应1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象． 2．光电子：光电效应中发射出来的电子． 3．光电效应的实验规律(1)对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应． (2)光电流的大小由光强决定，光强越大，光电流越大． (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系．(4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9s. 二、爱因斯坦的光电效应方程1．光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子ε＝hν.2．爱因斯坦光电效应方程的表达式：hν＝12mv 2＋W.其中W 为电子从金属内逸出表面时所需做的功．3．截止频率：当最大初动能等于零时，金属表面不再有光电子逸出，这时入射光的频率就是截止频率ν0＝W h . [即学即用]1．判断下列说法的正误．(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．( × ) (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．( × )(3)“光子”就是“光电子”的简称．( ×)(4)逸出功的大小与入射光无关．( √)(5)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子数越多．( √) (6)最大初动能的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关．( √)2．某金属的逸出功为W，则这种金属的截止频率ν0＝________，用波长为λ的光照射金属的表面，光电子的最大初动能E k＝________.(已知普朗克常量为h，光速为c)答案Whhcλ－W一、光电效应现象及其实验规律[导学探究]如图1甲是研究光电效应现象的装置图，图乙是研究光电效应的电路图，请结合装置图及产生的现象回答下列问题：图1(1)在甲图中发现，利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？(2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？(3)在乙图中若加反向电压，当光强增大时，遏止电压不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？(4)光电效应实验表明，发射电子的能量与入射光的强度无关，而与光的频率有关，试用光子说分析其原因．答案(1)金属能否发生光电效应，决定于入射光的频率，与入射光的强度无关．(2)发生光电效应时，当入射光频率不变时，飞出的光电子个数只与光的强度有关．(3)光电子的能量与入射光频率有关，与光的强度无关．(4)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且传递能量的过程只能是一个光子对应一个电子的行为．如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚，就不能发生光电效应．而当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在．[知识深化]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．3．光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子． 4．能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关．5．发生光电效应时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，单位时间内发出的光电子数越多． 6．光的强度与饱和光电流：饱和光电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关．饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的．对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间不是简单的正比关系．例1 (多选)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．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，饱和光电流变大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 答案 AC解析 保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子变多，饱和光电流变大，A 对；据爱因斯坦光电效应方程hν＝12mv 2＋W 可知，入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和光电流不变，B 错，C 对；当hν<W 时没有光电流产生，D 错． 二、光电效应方程的理解和应用[导学探究] 用如图2所示的装置研究光电效应现象．用光子能量为2.75eV 的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑片，发现当电压表的示数大于或等于1.7V 时，电流表示数为0.图2(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？ (2)光电管阴极的逸出功又是多少？(3)当滑片向a 端滑动时，光电流变大还是变小？(4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？ 答案 (1)1.7eV 1.7V(2)W ＝hν－12mv 2＝2.75eV －1.7eV ＝1.05eV(3)变大 (4)变大 变大 [知识深化]1．光电效应方程hν＝12mv 2＋W 的四点理解(1)式中的12mv 2是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能的大小可以是0～12mv2范围内的任何数值．(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程．①能量为ε＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分转化为电子离开金属表面时的动能．②若要克服吸引力做功最少为W ，则电子离开金属表面时动能最大为12mv 2，根据能量守恒定律可知：12mv2＝hν－W.(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件．若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即12mv 2＝hν－W>0，亦即hν>W，ν>Wh＝ν0，而ν0＝Wh恰好是光电效应的截止频率．2．光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．例2 在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图3所示，则可判断出( )图3A．甲光的频率大于乙光的频率B．乙光的波长大于丙光的波长C．乙光的频率大于丙光的频率D ．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能 答案 B解析 当光电管两端加上反向遏止电压光电流为零时，有12mv m 2＝eU 0，对同一光电管(逸出功W 相同)使用不同频率的光照射，有hν＝W ＋12mv m 2，两式联立可得hν－W ＝eU 0，丙光的反向遏止电压最大，则丙光的频率最大，甲光的频率等于乙光的频率，A 、C 错误；由λ＝c ν可知λ丙<λ乙，B 正确；又由hν＝W ＋12mv m2或由12mv m 2－0＝eU 0可知丙光对应的最大初动能最大，D 错误．光电效应图线的理解和应用1．E k －ν图线：如图4甲所示是光电子最大初动能E k 随入射光频率ν的变化图线．这里，横轴上的截距是阴极金属的截止频率；纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值；斜率为普朗克常量(E k ＝12mv 2＝hν－W ，E k 是ν的一次函数，不是正比例函数)．图42．I－U曲线：如图乙所示是光电流I随光电管两极板间电压U的变化曲线，图中I m为饱和光电流，U0为反向遏止电压．说明：(1)由E k＝eU0和E k＝hν－W知，同一色光，遏止电压相同，与入射光强度无关；频率越大，遏止电压越大．(2)在入射光频率一定时，饱和光电流随入射光强度的增大而增大．1．(对光电效应现象的理解)(多选)如图5所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )图5A．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，验电器指针一定会发生偏转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答案AD解析将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯可以发出紫外线)，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飞出，锌板带正电，选项A、D正确，C错误．红光的频率低于紫外线的频率不一定能使锌板发生光电效应，B错误．2．(光电效应的实验及规律)利用光电管研究光电效应实验如图6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( )图6A ．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过B ．用红光照射，电流表一定无电流通过C ．用频率为ν的可见光照射阴极K ，当滑动变阻器的滑片移到A 端时，电流表中一定无电流通过D ．用频率为ν的可见光照射阴极K ，当滑动变阻器的滑动片向B 端滑动时，电流表示数可能不变 答案 D解析 因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射阴极K 时，电流表中一定有电流通过，选项A 错误．因不知阴极K 的截止频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，选项B 错误．即使U AK ＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项C 错误．当滑片向B 端滑动时，U AK 增大，阳极A 吸收光电子的能力增强，光电流会增大，直至达到饱和光电流．若在滑动前，电流已经达到饱和光电流，那么即使增大U AK ，光电流也不会增大，所以选项D 正确．3．(光电效应的图像)如图7所示是光电效应中光电子的最大初动能E k 与入射光频率ν的关系图像．从图中可知( )图7A ．E k 与ν成正比B ．入射光频率必须小于极限频率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 C解析 由E k ＝12mv 2＝hν－W 知C 正确，A 、B 、D 错误．4．(光电效应方程的应用)在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为______．已知电子电荷量的绝对值、真空中的光速和普朗克常量分别为e 、c 和h. 答案hc λ0 hc (λ0－λ)eλ0λ解析 由光电效应方程知，光电子的最大初动能12mv 2＝hν－W ，其中金属的逸出功W ＝hν0，又由c ＝λν知W ＝hc λ0.用波长为λ的单色光照射时，E k ＝hc λ－hc λ0＝hc λ0－λλ0λ.又因为eU 0＝E k ，所以遏止电压U 0＝E ke ＝hc (λ0－λ)eλ0λ.一、选择题考点一 光电效应现象及规律1．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么( ) A ．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B ．逸出的光电子的最大初动能将减小C ．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D ．有可能不发生光电效应 答案 C解析 发生光电效应几乎是瞬时的，与入射光的强度无关，选项A 错误．入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少；频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B 错误．入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C 正确．入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的截止频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D 错误．2．(多选)关于光电效应现象，下列说法中正确的是( ) A ．当入射光的频率高于金属的截止频率时，光强越大，光电流越大B ．光电子的最大初动能跟入射光的强度有关C ．发生光电效应的时间一般都大于10－7sD ．发生光电效应时，当入射光频率一定时，单位时间内从金属内逸出的光电子数与入射光的强度有关 答案 AD解析 由hν＝12mv 2＋W 知，最大初动能由入射光频率与金属材料决定，与入射光的强度无关，B 错；发生光电效应的时间一般不超过10－9s ，C 错．3.如图1，用一定频率的单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，则( )图1A ．电源右端应为正极B ．流过电流表G 的电流大小取决于入射光的频率C ．流过电流表G 的电流方向是由a 流向bD ．普朗克解释了光电效应并提出光子能量ε＝hν 答案 C解析 发生光电效应时，电子从光电管右端运动到左端，电流的方向与电子定向移动的方向相反，所以流过电流表G 的电流方向是由a 流向b ；光电管两端可能是正向电压也可能是反向电压，所以电源右端可能为正极，也可能为负极；流过电流表G 的电流大小取决于入射光的强度，与入射光的频率无关；爱因斯坦解释了光电效应并提出光子能量ε＝hν. 考点二 光电效应方程的应用4．(多选)已知能使某金属发生光电效应的截止频率为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动能为hν0C ．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，则光电子的最大初动能也增大一倍 答案 AB解析 因入射光的频率大于或等于截止频率时会发生光电效应，所以A 正确；因为金属的截止频率为ν0，所以逸出功W ＝hν0，再由12mv 2＝hν－W 得，12mv 2＝2hν0－hν0＝hν0，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 ＝12mv 2＝hν－W ＝hν－hν0＝h(ν－ν0)可得，当ν增大一倍时：E k ′E k ＝2ν－ν0ν－ν0≠2，故D 错误．5．分别用波长为λ和23λ的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2，以h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为( ) A.hc 2λB.3hc 2λC.3hc 4λD.2hλc答案 A解析 根据光电效应方程得 E k1＝h cλ－W ①E k2＝h c23λ－W ②又E k2＝2E k1③联立①②③得W ＝hc2λ，A 正确．6．(多选)如图2所示，两平行金属板A 、B 间电压恒为U ，一束波长为λ的入射光射到金属板B 上，使B 板发生了光电效应，已知该金属板的逸出功为W ，电子的质量为m ，电荷量的绝对值为e ，普朗克常量为h ，真空中光速为c ，下列说法中正确的是( )图2A．入射光子的能量为h cλB．到达A板的光电子的最大动能为h cλ－W＋eU C．若增大两板间电压，B板没有光电子逸出D．若减小入射光的波长一定会有光电子逸出答案ABD解析根据ε＝hν，而ν＝cλ，则入射光子的能量为hcλ，故A正确；逸出光电子的最大初动能E km＝hcλ－W，根据动能定理，eU＝E km′－E km，则到达A板的光电子的最大动能为E km′＝h cλ－W＋eU，故B正确；若增大两板间电压，不会影响光电效应现象，仍有光电子逸出，故C错误；若减小入射光的波长，则其频率增大，一定会有光电子逸出，故D正确．考点三光电效应图像问题7．(多选)在某次光电效应实验中，得到的遏止电压U0与入射光的频率ν的关系如图3所示，若该直线的斜率和纵截距分别为k和－b，电子电荷量的绝对值为e，则( )图3A ．普朗克常量可表示为keB ．若更换材料再次实验，得到的图线的k 不改变，b 改变C ．所用材料的逸出功可表示为ebD ．b 由入射光决定，与所用材料无关 答案 BC解析 根据光电效应方程得E k ＝h ν－W ，又E k ＝eU 0，则U 0＝hνe －W e ，图线的斜率k ＝he ，解得普朗克常量h＝ke ，故A 错误；纵轴截距的绝对值b ＝We ，解得逸出功W ＝eb ，故C 正确；b 等于逸出功与电子电荷量绝对值的比值，而逸出功与材料有关，则b 与材料有关，故D 错误；更换材料再次实验，由于逸出功变化，可知图线的斜率不变，纵轴截距改变，故B 正确．8．研究光电效应的电路如图4所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(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U AK 的关系图像中，正确的是( )图4答案 C解析 用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；饱和光电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和光电流越大，故选项C 正确．9．(多选)美国物理学家密立根利用如图5甲所示的电路研究金属的遏止电压U 0与入射光频率ν的关系，描绘出图乙中的图像，由此算出普朗克常量h ，电子电荷量的绝对值用e 表示，下列说法正确的是( )图5A ．入射光的频率增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片P 向M 端移动B ．增大入射光的强度，光电子的最大初动能也增大C ．由U 0－ν图像可知，这种金属的截止频率为ν0D ．由U 0－ν图像可得普朗克常量的表达式为h ＝U 1eν1－ν0答案 CD解析 入射光的频率增大，光电子的最大初动能增大，则遏止电压增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片P 向N 端移动，故A 错误；根据光电效应方程得E k ＝hν－W ，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，故B 错误；根据E k ＝hν－W ＝eU 0，解得U 0＝hνe －hν0e ，图线的斜率k ＝h e ＝U 1ν1－ν0，则h ＝U 1eν1－ν0，当遏止电压为零时，ν＝ν0，故C 、D 正确． 二、非选择题10．(光电效应实验规律及图像应用)小明用阴极为金属铷的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图6甲所示．已知普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s.图6(1)图甲中电极A为光电管的____________(选填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压U0与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率ν0＝________Hz，逸出功W＝________J；(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能E k＝________J.答案(1)阳极(2)5.15×1014 3.41×10－19(3)1.23×10－19解析(1)在光电效应中，电子向A极运动，故电极A为光电管的阳极．(2)由题图乙可知，铷的截止频率ν0为5.15×1014Hz，逸出功W＝hν0＝6.63×10－34×5.15×1014J≈3.41×10－19J．(3)当入射光的频率为ν＝7.00×1014Hz时，由光电效应方程得E k＝hν－hν0，光电子的最大初动能为E k＝6.63×10－34×(7.00－5.15)×1014J≈1.23×10－19J.11．(光电效应方程的应用)如图7所示，一光电管的阴极用极限波长λ0＝500nm的钠制成．用波长λ＝300nm 的紫外线照射阴极，光电管阳极A 和阴极K 之间的电势差U ＝2.1V ，饱和光电流的值(当阴极K 发射的电子全部到达阳极A 时，电路中的电流达到最大值，称为饱和光电流)I ＝0.56μA.(普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s，真空中光速c ＝3.0×108m/s ，电子电荷量的绝对值e ＝1.6×10－19C ，结果均保留两位有效数字)图7(1)求每秒由K 极发射的光电子数目． (2)求电子到达A 极时的最大动能．(3)如果电势差U 不变，而照射光的强度增大到原值的三倍，此时电子到达A 极的最大动能是多大？ 答案 (1)3.5×1012个 (2)6.0×10－19J(3)6.0×10－19J解析 (1)设每秒内发射的光电子数为n ，则： n ＝It e ＝0.56×10－6×11.6×10－19＝3.5×1012个． (2)由光电效应方程可知：E k ＝hν－W ＝h c λ－h c λ0＝hc(1λ－1λ0)在A 、K 间加电压U 时，电子到达阳极时的动能为 E km ＝E k ＋eU ＝hc(1λ－1λ0)＋eU.代入数值得：E km ≈6.0×10－19J.(3)根据光电效应规律，光电子的最大初动能与入射光的强度无关．如果电势差U 不变，则电子到达A 极的最大动能不变，仍为6.0×10－19J.。
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量子假说 光子：
普朗克的量子假说：
在微观世界里，物理量的取值很多时候 是不连续的，只能取一些分立的值，这称为 量子化现象。
爱因斯坦的光子假说：
在空间传播的光不是连续的，而是一份 一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子， 光子的能量E 跟光的频率ν成正比。
V
Uc称遏止电压。
1m v2 2 ec
eUc
K阴
极
G
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
I
阳A
K阴
极
极
遏
止
电
G
压
V
光强较弱
Uc
O
U
光电效应的实验规律
光电效应实验装置 光电效应伏安特性曲线
阳A
极VIK阴极饱光强较强
和
遏 止
电I s
流
电
光强较弱
G
压
U
O
U
a
光电效应的规律：
光电效应的实验规律：
会变大。。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
小结：光电效应与光电流：
物体在光的照射下发射电子 的现象叫光电效应，发射出来的 电子叫光电子。
光电管就是利用光电效应制成 的一种光学元件，它的作用是把光 信号转变为电信号
由于光电效应 在电路中形成的电 流叫光电流。
学习活动二 光电效应的实验规律
问题2：光电效应的实验得出了 哪些规律？
光子的能量 E＝hν 其中h是一个常量，叫普朗克常量：
h=6.63×10－34J.s
光电方程 光子说对光电效应的解释：
使金属表面的电子能挣脱原子核的引力而逸出 成为光电子所需做的功叫逸出功
Wh0
在光电效应中，入射光的能量等于出射的光电 子的最大初动能与逸出功之和：
即： hEkmW或 EkmhW
这叫爱因斯坦光电效应方程，简称光电方程
二、光量子概念的提出、光电效应方程
1．光子说：爱因斯坦提出，在空间传播的光 不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一 个光量子，简称__光__子__．_
2．光子的能量ε＝hν，其中ν指光的_频__率__．_光 电效应显示了光的_粒__子__性__．
3．光电效应方程：__h_ν_＝__m_v_2_＋__W___ 4．光的量子说能很好地解释光电效应现象．
（Hz） ×1014 × 1014 × 1014 × 1014 × 1014
波动理论对光电效应的解释的困难：
波动理论
困难1 光能由振幅决定，与光频率 无关，只要光强足够大（不 论入射光的频率多），总可 以使电子获得足够的能量从 而发生光电效应
困难2 光强越大，电子可获得更多 能量，光电子的最大初动能 也应该越大，遏止电压也应 越大。即出射电子的最大初 动能应该由光强来决定
困难3 光强大时，电子能量积累的 时间就短，光强小时，能量 积累的时间就长
光电效应实验结果 如果ν﹤ ν0，无论光 强有多大，都不能发生 光电效应，光能应由光 频率来决定
光电子的最大初动能、 遏止电压都与光强无关， 而与频率有关
当入射光照射到光电管 阴极时，无论光强怎样， 几乎瞬间就产生了光电 子
学习活动四：爱因斯坦的光量子假设
光电效应实验
阳
极
光线经石英窗照在阴极上，便 有电子逸出----光电子。
A
W 石英窗
K
阴
极
G
光电子在电场作用下形成光电流。
V
遏止电压
则光将电换子向离开开关阴反极接后，将电受场反反向向电，阳极 A 场阻碍作用。
当 K、A 间加反向电压，光
电子克服电场力作功，当电压达
到某一值 Uc 时，光电流恰为0。
①只有当入射光的频率高于某一 频率v0时才能发生光电效应，把 这一频率v0叫极限频率
②单位时间内发射的光电子数目跟入射光的强度成 正比
③光电子的最大初动能只跟入射光的强度无关，它 随入射光的频率增大而增大
④光电效应发生时间非常短暂，几乎不需要时间
学习活动三．光电效应解释中 的疑难
问题3：光电效应的实验规律与 经典电磁理论产生了什么矛盾？
爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也
多，所以光电流也大。 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属
表面逸出，所以不需时间的累积。
3. 从方程可以看出光电子初动能和照射 光的频率成线性关系
4.从光电效应方程中，当初动能为零时， 可得极极限频率：
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并 未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波 动理论。
光电效应理论的验证
美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效 应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的 值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论 的正确。
由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电
效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦由于对光电效
应的理论解释和对理论
第二节 光电效应与光的量子说
自主学习
一、光电效应、光的波动说的困难 1．定义：光照射在金属表面上时，金属中的电 子因吸收光的能量而逸出金属表面的现象．
2．光电效应的特征 (1)任何金属均存在截止频率(极限频率)，只有 __超__过____截止频率，才能引起光电效应． (2)发生光电效应时，光电流的大小由_光__强___决定， _____光_越强大，光电流越大． (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成_线__性__ 关系． (4)光电效应具有瞬时性，发生时间不超过10－9 s. 3．光的波动说无法解释光电效应现象．
问题1：人类对光的本性的认识 的发展经历了哪些主要过程？
小结：人类对光的本性认识的历史进程：
微粒说：认为光是一种粒子 代表人物：牛顿
波动说：认为光是一种波 代表人物：惠更斯
光的电磁说：光是电磁波 提出者：麦克斯韦
学习活动一．认识光电效应
实验：光电效应现象
用弧光灯照射擦得很 亮的锌板，(注意用导 线与不带电的验电器 相连），使验电 器张 角增大到约为 30度时， 再用与丝绸磨擦过的 玻璃棒去靠近锌板， 则验电器的指针张角
物理学的贡献获得1921
年诺贝尔物理学奖
。
密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝 尔物理学奖
部分金属的极限频率和波长
金属
铯钠锌银铂
波长 （μm） 0.660 0 0.500 0 0.372 0 0.260 0 0.196 2
频率
4.545 6.000 8.065 1.153 1.529