高中物理选修35导学案第十七章 2课时1.docx

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高中物理选修35导学案第十七章2课时1

2　光的粒子性（课时1）

[学科素养与目标要求]　

物理观念：

1.了解光电效应及其实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾.2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用．

科学态度与责任：

了解爱因斯坦光子说的提出过程，感受实验探究在物理学发展中的作用．

一、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．光电效应的实验规律

（1）存在着饱和电流：

在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．

（2）存在着遏止电压和截止频率：

入射光的频率低于截止频率时不（填“能”或“不”）发生光电效应．

（3）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.

4．逸出功：

使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同．

二、光子说及爱因斯坦的光电效应方程

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，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν，其中h＝6.63×10－34J·s.

2．爱因斯坦光电效应方程

（1）表达式：

hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.

（2）物理意义：

金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek.

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）光电子的最大初动能与入射光的频率成正比．（　×　）

2．某金属的逸出功为W0，则这种金属的截止频率νc＝________，用波长为λ的光照射金属的表面，光电子的最大初动能Ek＝________.（已知普朗克常量为h，光速为c）

答案　

　h

－W0

一、光电效应

如图，将锌板和验电器连在一起，然后用紫外线灯照射锌板，会发生一个奇妙的现象，验电器的金属箔片张开一个角度，这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了．为什么会这样呢？

验电器上带何种电荷？

答案　锌板在紫外线的照射下，向外逸出电子，所以锌板带电；锌板剩余正电荷，验电器也带有正电荷．

1．光电效应的基本概念

（1）光电效应：

金属在光（包括可见光和不可见光）的照射下，向外逸出电子的现象．

（2）光电子：

光电效应中发射出来的电子．

2．理解光电效应规律的四个角度

（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）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．

（4）光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9s.

3．光电效应实验相关概念的理解

（1）饱和电流

金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只与入射光的强度有关．入射光越强，饱和电流越大．

说明：

入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．

（2）遏止电压　截止频率　逸出功

①遏止电压：

使光电流减小到零的反向电压．用符号Uc表示．

计算方法：

－eUc＝0－Ekm

遏止电压与入射光的频率有关．入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏止电压改变．

说明：

光电子的能量只与入射光的频率有关．

②截止频率：

能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫做该种金属的截止频率（又叫极限频率）．不同的金属对应着不同的截止频率．

③逸出功：

电子从金属中挣脱出来，要克服金属表面层的一些力做功，电子脱离金属所需做功的最小值叫逸出功．不同金属的逸出功不同．

4．光电效应与经典电磁理论的矛盾

（1）矛盾之一：

遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关．

按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压与光的强弱有关，而实验表明：

遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关．

（2）矛盾之二：

存在截止频率．

按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率．而实验表明：

不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于等于截止频率时才会发生光电效应．

（3）矛盾之三：

具有瞬时性．

按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量．而实验表明：

无论入射光怎样微弱，光电效应几乎都是瞬时发生的．

例1　（2018·季延中学高二期末）利用光电管研究光电效应实验如图1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1

A．用紫外光照射，电流表不一定有电流通过

B．用红外光照射，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

答案　D

解析　因紫外光的频率比可见光的频率高，所以用紫外光照射时，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，所以用红外光照射时，也可能发生光电效应，选项B错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，选项C错误；当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流；若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，选项D正确．

[学科素养]　判断能否发生光电效应，应看入射光的频率与截止频率的关系，本题考查了对光电效应实验规律、实验装置和实验原理的理解，体现了“物理观念”和“科学探究”的学科素养．

针对训练1　（多选）如图2所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过．其原因可能是（　　）

图2

A．入射光太弱

B．入射光波长太长

C．光照时间太短

D．电源正、负极接反

答案　BD

解析　金属存在截止频率，入射光的频率超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出．入射光的频率低于截止频率，不能产生光电效应，光电效应的产生与光照强弱无关，选项B正确，A错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，D正确；光电效应的产生与光照时间无关，C错误．

二、光子说　爱因斯坦光电效应方程

1．光子说：

光子说的提出说明了光是由光子组成的．光子的能量ε＝hν，决定于光的频率．光的强度与光子的数目有关，在频率一定的情况下，光越强，单位时间内单位面积上的光子数越多．

2．光电效应方程：

Ek＝hν－W0

（1）式中的Ek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大小可以是0～Ek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，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．

②如要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．光子说对光电效应的解释

（1）饱和电流与光强关系：

一定频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大．

（2）存在截止频率和遏止电压：

①由爱因斯坦光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关．

②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，亦即hν>W0，ν>

＝νc，而νc＝

恰好是光电效应的截止频率．

例2　（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Ua和Ub，光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量．下列说法正确的是（　　）

A．若νa＞νb，则一定有Ua＜Ub

B．若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb

C．若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb

D．若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb

答案　BC

解析　由爱因斯坦光电效应方程得，Ek＝hν－W0，由动能定理得，Ek＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同．当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故选项D错误．

针对训练2　（2018·会宁四中高二下学期期中）入射光照射到某金属表面上发生了光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（　　）

A．延迟时间将明显增加

B．光电子的最大初动能将减少

C．有可能不发生光电效应

D．单位时间内从金属表面逸出的光电子数将减少

答案　D

解析　若能发生光电效应，发生光电效应的时间与光的强度无关，故A错误．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，频率保持不变，可知仍然可以发生光电效应，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，光电子的最大初动能不变，故B、C错误．入射光的强度减弱，则入射光单位时间射出的光电子的数目减少，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少，故D正确．

针对训练3　（多选）已知能使某金属产生光电效应的截止频率为νc，则（　　）

A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子

B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc

C．当入射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大

D．当入射光的频率ν大于νc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产生光电效应，所以A正确；因为金属的截止频率为νc，所以逸出功W0＝hνc，再由Ek＝hν－W0得，Ek＝2hνc－hνc＝hνc，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Ek＝hν－W0＝hν－hνc＝h（ν－νc）可得，当ν增大一倍时：

＝

≠2，故D错误.

1.（光电效应现象的理解）（多选）如图3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3

A．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

2．（光电效应规律的理解）（多选）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光照射时，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　在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大饱和光电流越大，因此A正确，B错误；根据Ek＝hν－W0可知，对于同一光电管，逸出功W0不变，当频率变高时，最大初动能Ek变大，因此C正确；由光电效应规律可知，当频率低于截止频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此D错误．

3．（光电效应方程的简单应用）某种单色光的频率为ν，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek，则这种金属的逸出功和截止频率分别是（　　）

A．hν－Ek，ν－

B．Ek－hν，ν＋

C．hν＋Ek，ν－

D．Ek＋hν，ν＋

答案　A

解析　根据光电效应方程得，W0＝hν－Ek，根据W0＝hνc知截止频率νc＝

＝ν－

.

考点一　光电效应的理解

1．关于光电效应现象，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10－7s

D．保持入射光频率不变，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＝hν＝h

知，当入射光波长大于极限波长时，不能发生光电效应，A错；由Ek＝hν－W0知，最大初动能与入射光频率有关，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．

2．（多选）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．改用频率低于ν的光照射，一定不发生光电效应

D．改用频率高于ν的光照射，光电子的最大初动能变大

答案　AD

解析　增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数增加，则光电流增大，选项A正确；光电效应能否发生与照射光频率有关，与照射光强度无关，选项B错误；改用频率较低的光照射时，如果光的频率仍大于等于截止频率，则仍会发生光电效应，否则，不能发生光电效应，选项C错误；光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，故改用频率高于ν的光照射，光电子的最大初动能变大，选项D正确．

3．（2018·牡丹江一中高二期末）用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是（　　）

A．改用频率更小的紫外线照射

B．延长原紫外线的照射时间

C．改用X射线照射

D．改用强度更大的原紫外线照射

答案　C

解析　用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可知该紫外线的频率小于该金属的截止频率，要能发生光电效应，需改用频率更大的光照射（如X射线）．能否发生光电效应与入射光的强度和照射时间无关，故C正确．

4.（多选）（2018·承德市高二检测）如图1所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的截止频率为4.5×1014Hz，则以下判断正确的是（　　）

图1

A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率

B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度

C．用λ＝0.5μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生

D．光照射时间越长，电路中的光电流越大

答案　BC

解析　在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，即只与入射光的强度有关，据此可判断A、D错误，B正确；波长λ＝0.5μm的光子的频率ν＝

＝

Hz＝6×1014Hz>4.5×1014Hz，可发生光电效应，电路中有光电流产生，所以C正确．

考点二　光子说、光电效应方程

5.如图2，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2

A．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a流向b

D．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.

6．（2019·宝鸡市质检）分别用a、b、c三种颜色的光照射某金属板，当用b光照射时，发现从金属表面有光电子逸出，已知三种光的波长关系是λa<λb<λc，则下列判断正确的是（　　）

A．用c光照射这个金属板时，一定不会有光电子逸出

B．用a光照射这个金属板时，可能没有光电子逸出

C．b光的照射强度越强，相同时间内从金属表面逸出的光电子数目就会越多

D．b光的照射强度越强，从金属表面逸出的光电子的动能就会越大

答案　C

解析　已知三种光的波长关系为λa<λb<λc，则由λ＝

可知，频率关系为νa>νb>νc，已知用b光照射某金属板

时，能发生光电效应，则用c光照射这个金属板时，可能发生光电效应，用a光照射这个金属板时，一定能发生光电效应，故A、B错误；相同时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度有关，b光的照射强度越强，相同时间内从金属表面逸出的光电子数目就会越多，故C正确；根据光电效应方程：

Ek＝hν－W0可知，逸出的光电子的最大初动能与光的强度无关，故D错误．

7.如图3所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6V时，电流表读数仍不为零，当电压表读数大于或等于0.6V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为（　　）

图3

A．1.9eV

B．0.6eV

C．2.5eV

D．3.1eV

答案　A

解析　由题意知光电子的最大初动能为

Ek＝eUc＝0.6eV

所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得

W0＝hν－Ek＝（2.5－0.6）eV＝1.9eV.