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第四章 原子结构和波粒二象性
第2节 光电效应
第一课时 光电效应
【核心素养目标】
物理观念
知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律.
科学思维
知道光电效应与电磁理论的矛盾.
科学探究
理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题．
科学态度与责任
通过光电效应知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。
知识点一 光电效应的实验规律 经典解释中的疑难
【情境导入】
如图是研究光电效应的电路图．
(1)闭合开关后，当电压表的示数为0时，电流表的示数不是0，说明了什么？
(2)闭合开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，会观察到什么现象？说明了什么？
(3)若将电源的正负极对调，闭合开关，滑动变阻器的滑片向右移动时，又会观察到什么现象？说明了什么？
(4)对于现象(3)，同一频率的入射光强弱不同时，观察到什么现象？用不同频率的光做实验，观察到什么现象？
【知识梳理】
1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的 从表面逸出的现象．
2．光电子：光电效应中发射出来的 ．
3．光电效应的实验规律
(1)存在 频率：当入射光的频率低于截止频率时 (填“能”或“不”)发生光电效应．
(2)存在 电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越 ．
(3)存在 电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，且满足mevc2＝eUc.
(4)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的．
4．逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的 值，用W0表示．不同种类的金属，其逸出功的大小 (填“相同”或“不相同”)．
5．光电效应经典解释
(1)不应存在 频率．
(2)遏止电压Uc应该与光的强弱 关．
(3)电子获得逸出表面所需的能量需要的时间 实验中产生光电流的时间．
【重难诠释】
1．光电效应的实验规律
(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或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10－9 s.
2．光电效应实验相关概念的理解
(1)光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子．
(2)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．即：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．
(3)遏止电压、截止频率与逸出功
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－Ek
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．这表明对于同一种金属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作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种力做功，电子脱离某种金属所需做功的最小值叫作这种金属的逸出功．不同金属的逸出功不同．
3．光电效应与经典电磁理论的矛盾
按光的电磁理论，应有：
(1)不存在截止频率，任何频率的光都能使金属产生光电效应．
(2)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关．
(3)在光很弱时，放出光电子的时间应远大于10－9 s.
显然这三条与光电效应的实验规律相矛盾．
【典例精析】
例1．如图所示，在演示光电效应的实验中，某同学分别用a、b两种单色光照射锌板．发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度；用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动．下列说法正确的是( )
A．增大b光的照射强度，验电器的指针有可能张开一定角度
B．增大a光的照射强度，光电子的最大初动能增加
C．a光的频率大于b光的频率
D．若用b光照射另一种金属能发生光电效应，则用a光照射该金属时可能不会发生光电效应
知识点二 爱因斯坦的光电效应理论
【知识梳理】
1．光子：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，其中h为普朗克常量．这些能量子后来称为 ．
2．爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式：hν＝ 或Ek＝
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的 ．
(3)Uc与ν、W0的关系
①表达式：Uc＝ν－.
②图像：Uc－ν图像是一条斜率为的直线．
【重难诠释】
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初动能．
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．光子说对光电效应的解释
(1)饱和电流与光照强度的关系：同种频率的光，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，与光照强度无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光照强度无关．
②若发生光电效应，则光电子的最大初动能必大于零，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．
【典例精析】
例2．用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.6 eV的光照射到光电管上时，电流表G有读数．移动滑动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.9 V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是( )
A．光电子的初动能可能为0.8 eV
B．光电管阴极的逸出功为0.9 eV
C．开关S断开后，电流表G示数为0
D．改用能量为2 eV的光子照射，电流表G有电流，但电流较小
针对训练
1．入射光照在金属表面上发生光电效应，若减弱入射光的强度，而保持频率不变，则（ ）
A．有可能不发生光电效应
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．从光照到金属表面上到发射出光电子的时间间隔明显增加
2．下列关于光的本性的说法中正确的是（ ）
A．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性
B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D．频率低、波长长的光，粒子性特征显著；频率高、波长短的光，波动性特征显著
3．某学校科技活动小组设计了一个光电烟雾探测器（如图甲），当有烟雾进入探测器时（如图乙），来自光源S的光会被烟雾散射进入光电管C，当光射到光电管中的钠表面时会产生光电流，当光电流大于时，便会触发报警系统报警。已知钠的极限频率为，普朗克常量，光速，电子电荷量，则下列说法正确的是（ ）
A．要使该探测器正常工作，光源S发出的光波波长不能小于
B．光电管发生光电效应，同时光源的光变强时，不能改变光电烟雾探测器的灵敏度
C．光电管C中能发生光电效应是因为光发生了全反射现象
D．报警器报警时，钠表面每秒释放出的光电子数最少为个
4．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有（ ）
A．光电效应现象揭示了光的波动性
B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明运动的中子具有波动性
C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等
5．在光电效应中，若有N个频率为的光子打在金属板上，这些光子的总能量为（h为普朗克常量）（ ）
A． B． C． D．
6．金属、的逸出功大小关系为，用不同频率的光照射两金属、，可得光电子最大初动能与入射光的频率的关系图线分别为直线、，则下列四图中可能正确的是（ ）
A． B．
C． D．
7．在研究光电效应现象时，先后用单色光a、b、c照射同一光电管，所得到的光电流，与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．b、c两种单色光的颜色相同
B．a、b两种单色光的光照强度相同
C．增大c光的光照强度，电路中的饱和光电流将增大
D．增大b光的光照强度，射出的光电子的最大初动能增大
8．如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，普朗克常量，电子电荷量，由图可知（ ）
A．该金属的截止频率为
B．该金属的截止频率为
C．该图线的斜率表示普朗克常量的倒数
D．该金属的逸出功约为0.5eV
9．单色光B的频率为单色光A的1.5倍，单色光A照射到某金属表面时，从金属表面逸出的光电子最大初动能为；单色光B照射到该金属表面时，从金属表面逸出的光电子最大初动能为，则该金属的逸出功为（ ）
A． B． C． D．
10．在研究甲、乙两种金属发生光电效应现象的实验中，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，则下列说法正确的是（ ）
A．两条图线与横轴的夹角α和β一定不相等
B．若增大入射光频率ν，则所需的遏止电压Uc将增大
C．某一频率的光可以使乙金属发生光电效应，则不一定能使甲金属发生光电效应
D．若不改变入射光频率ν，而增加入射光的强度，则光电子的最大初动能Ek将增大
二、多选题
11．如图所示的实验中，分别用波长为λ1、λ2的单色光照射光电管的阴极K，测得相应的遏止电压分别为U1、U2.设电子的质量为m、所带的电荷量为e，真空中的光速为c，极限波长为λ0，下列说法正确的是（ ）
A．用波长为λ2的光照射时，光电子的最大初动能为eU2
B．用波长为λ2的光照射时，光电子的最大初动能为-
C．普朗克常量等于
D．阴极K金属的极限频率为
12．用如图甲所示的装置研究光电效应现象，闭合开关S，用频率为的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能与入射光频率的关系图像，图线与横轴的交点坐标为，与纵轴的交点坐标为，下列说法中正确的是（ ）
A．普朗克常量为
B．断开开关S后，电流表G的示数为零
C．仅增加入射光的强度，光电子的最大初动能将不变
D．保持入射光强度不变，仅提高入射光频率，电流表G的示数将减小
13．如图所示，甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图象，以下说法正确的是（ ）
A．由图甲可求得普朗克常量
B．由图乙可知虚线对应金属的逸出功比实线对应金属的逸出功的小
C．由图丙可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大
D．由图丁可知电压越高，则光电流越大
14．在光电效应实验中，某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，如图所示，则可判断出（ ）
A．甲光的频率大于乙光的频率
B．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
C．丙光的频率大于乙光的频率
D．甲光在单位时间内通过单位面积的光子数大于乙光
15．用波长为λ和3λ的光照射同一种金属，分别产生的速度最快的光电子速度之比为3∶1， 普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示，那么下列说法正确的有（ ）
A．该种金属的逸出功为
B．该种金属的逸出功为
C．波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应
D．波长超过3λ的光都不能使该金属发生光电效应
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