2017-2018學(xué)年高中物理 第5章 波與粒子 1 光電效應(yīng)學(xué)案 魯科版選修3-5

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1、 第1節(jié)　光電效應(yīng) [目標(biāo)定位]　1.了解光電效應(yīng)和光電效應(yīng)的實驗規(guī)律及應(yīng)用.2.知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義，并會用來解決簡單的問題． 一、光電效應(yīng)的產(chǎn)生 1．光電效應(yīng)現(xiàn)象 在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫做光電子． 2．光電效應(yīng)實驗規(guī)律 (1)每一種金屬對應(yīng)一種光的最小頻率，又稱極限頻率，只有當(dāng)光的頻率大于或等于這個最小頻率時，才會產(chǎn)生光電效應(yīng)． (2)產(chǎn)生光電效應(yīng)時，單位時間內(nèi)逸出金屬表面的電子數(shù)與光的強度有關(guān)；光的強度越大，單位時間內(nèi)逸出的電子數(shù)越多． (3)從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)的時間間隔很短，通?？稍?0－

2、9 s內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)． 想一想　紫外線燈照射鋅板，為什么與鋅板相連的驗電器指針張開一個角度？ 答案　紫外線燈照射鋅板，發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，鋅板上的電子飛出鋅板，使鋅板帶正電，與鋅板相連的驗電器也會因而帶正電，使得驗電器指針張開一個角度． 二、光電效應(yīng)的理論解釋 1．光子說：光由個數(shù)有限、分立于空間各點的光子組成，頻率為ν的光子能量為hν. 2．愛因斯坦光電效應(yīng)方程 (1)表達式：hν＝W＋mv2. (2)各量的意義：hν表示一個光子的能量，W表示金屬的逸出功，mv2表示光電子的最大初動能． 三、光電效應(yīng)的應(yīng)用 1．光電開關(guān)：控制電路的接通或斷開． 2．光電成像：原理是利用光電

3、效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，然后再將電信號轉(zhuǎn)化成光信號．例如：紅外線成像． 3．光電池：硅半導(dǎo)體太陽電池． 想一想　電子的最大初動能與入射光的頻率成正比嗎？ 答案　根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν＝W＋mv2，mv2與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系，并不是正比函數(shù)關(guān)系． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、光電效應(yīng)現(xiàn)象 1．光電效應(yīng)的實質(zhì)：光現(xiàn)象電現(xiàn)象． 2．光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光． 3．光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子． 【例1】　一驗電器與鋅板相連(如圖1所示)，用一紫外線燈照射鋅板，關(guān)燈后，驗電器指針保持一定偏角． 圖1 (1)現(xiàn)用一

4、帶負電的金屬小球與鋅板接觸，則驗電器指針偏角將________(選填“增大”、“減小”或“不變”)． (2)使驗電器指針回到零，再用相同強度的鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)．那么，若改用強度更大的紅外線燈照射鋅板，可觀察到驗電器指針________(選填“有”或“無”)偏轉(zhuǎn)． 答案　(1)減小　(2)無 解析　當(dāng)用紫外線燈照射鋅板時，鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，鋅板放出光電子而帶上正電，此時與鋅板連在一起的驗電器也帶上了正電，故指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)．當(dāng)帶負電的小球與鋅板接觸后，中和了一部分正電荷，從而使驗電器的指針偏角減?。跪炿娖髦羔樆氐搅?，用鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)，說明鈉

5、燈發(fā)出的黃光的頻率小于鋅的極限頻率，而紅外光比黃光的頻率還要低，更不可能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)．能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強弱無關(guān)． 二、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 1．光電效應(yīng)的三個規(guī)律 (1)任何一種金屬都有一個極限頻率νc，入射光的頻率必須大于或等于νc，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，與入射光的強度及照射時間無關(guān)． (2)當(dāng)產(chǎn)生光電效應(yīng)時，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的電子數(shù)與入射光的強度有關(guān)． (3)光電效應(yīng)幾乎是瞬時的，發(fā)生的時間一般不超過10－9 s. 2．掌握三個概念的含義 (1)入射光頻率決定著能否發(fā)生光電效應(yīng)和光電子的最大初動能． (2)入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)． (

6、3)飽和光電流決定于單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)． 3．逸出功 使電子脫離某種金屬表面所做功的最小值，用W表示，不同金屬的逸出功不同． 4．光電效應(yīng)與光的電磁理論的矛盾 按光的電磁理論，應(yīng)有： (1)光越強，光電子的初動能越大，遏止電壓與光的強弱有關(guān)． (2)不存在極限頻率，任何頻率的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng)． (3)在光很弱時，放出電子的時間應(yīng)遠大于10－9 s. 【例2】　利用光電管研究光電效應(yīng)實驗，如圖2所示，用頻率為ν的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則(　　) 圖2 A．用紫外線照射，電流表不一定有電流通過 B．用紅光照射，電流表一定無電流通過 C．用頻率為ν

7、的可見光照射K，當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭移到M端時，電流表中一定無電流通過 D．用頻率為ν的可見光照射K，當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭向N端滑動時，電流表示數(shù)可能不變 答案　D 解析　因紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照射時，電流表中一定有電流通過，選項A錯誤；因不知陰極K的極限頻率，所以用紅光照射時，不一定發(fā)生光電效應(yīng)，所以選項B錯誤；即使UAK＝0，電流表中也有電流，所以選項C錯誤；當(dāng)滑動觸頭向N端滑動時，UAK增大，陽極A吸收光電子的能力增強，光電流會增大，當(dāng)所有光電子都到達陽極A時，電流達到最大，即飽和電流．若在滑動前，電流已經(jīng)達到飽和電流，那么即使增大UAK，光電流也不會增大

8、，所以選項D正確． 針對訓(xùn)練1　入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，那么(　　) A．從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加 B．逸出的光電子的最大初動能將減小 C．單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少 D．有可能不發(fā)生光電效應(yīng) 答案　C 解析　發(fā)生光電效應(yīng)幾乎是瞬時的，選項A錯誤；入射光的強度減弱，說明單位時間內(nèi)的入射光子數(shù)目減少，頻率不變，說明光子能量不變，逸出的光電子的最大初動能也就不變，選項B錯誤；入射光子的數(shù)目減少，逸出的光電子數(shù)目也就減少，故選項C正確；入射光照射到某金屬上發(fā)生光電效應(yīng)，說明入射光頻率不低于

9、這種金屬的極限頻率，入射光的強度減弱而頻率不變，同樣能發(fā)生光電效應(yīng)，故選項D錯誤． 三、光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用 1．光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程 能量為E＝hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引做功，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能．如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0. 2．光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件 若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動能必須大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光電效應(yīng)的極限頻率． 圖3 3．Ek－

10、ν曲線 如圖3所示是光電子最大初動能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線．這里，橫軸上的截距是極限頻率；縱軸上的截距是逸出功的負值；斜率為普朗克常量． 【例3】　如圖4所示，當(dāng)開關(guān)K斷開時，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零．合上電鍵，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60 V時，電流表讀數(shù)仍不為零．當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時，電流表讀數(shù)為零．由此可知陰極材料的逸出功為(　　) 圖4 A．1.9 eV B．0.6 eV C．2.5 eV D．3.1 eV 答案　A 解析　由題意知光電子的最大初動能為Ek＝eUc＝0.60 eV，所

11、以根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可得 W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV. 針對訓(xùn)練2　 (多選)如圖5所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象，由圖象可知(　　) 圖5 A．該金屬的逸出功等于E B．該金屬的逸出功等于hν0 C．入射光的頻率為ν0時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E D．入射光的頻率為2ν0時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2E 答案　AB 解析　題中圖象反映了光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，知當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的極限頻率ν0時，光電子的最大初動能

12、Ek＝0，此時有hν0＝W0，即該金屬的逸出功等于hν0，選項B正確；根據(jù)圖線的物理意義，有W0＝E，故選項A正確，而選項C、D錯誤． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 光電效應(yīng)現(xiàn)象 1．當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，這時(　　) A．鋅板帶負電 B．有正離子從鋅板逸出 C．有電子從鋅板逸出 D．鋅板會吸附空氣中的正離子 答案　C 解析　當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，有電子從鋅板逸出，鋅板帶正電，選項C正確，A、B、D錯誤． 光電效應(yīng)規(guī)律 2．用某種單色光照射某種金屬表面，發(fā)生光電效應(yīng)．現(xiàn)將該單色光的光強減弱，則下列說法中正確的是

13、(　　) ①光電子的最大初動能不變?、诠怆娮拥淖畲蟪鮿幽軠p小　③單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少?、芸赡懿话l(fā)生光電效應(yīng) A．①③ B．②③ C．①② D．③④ 答案　A 解析　由光電效應(yīng)規(guī)律知，光電子的最大初動能由入射光的頻率和金屬的逸出功共同決定，與入射光的強度無關(guān)，故①對；單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光的強度成正比，光強減弱，則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少，即③也正確． 3．某單色光照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是(　　) A．延長光照時間 B．增大光的強度 C．換用波長較短的光照射 D．換用頻率較低的光照射 答案　C

14、 解析　光照射金屬時能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于入射光的頻率是否大于金屬的極限頻率，與入射光的強度和照射時間無關(guān)，故選項A、B、D均錯誤；又因ν＝，所以選項C正確． 光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用 4．(多選)現(xiàn)用某一光電管進行光電效應(yīng)實驗，當(dāng)用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生．下列說法正確的是(　　) A．保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大 B．入射光的頻率變高，飽和光電流變大 C．入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大 D．保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生 答案　AC 解析　在發(fā)生光電效應(yīng)時，飽和光電流大小由光照強度來決定，與頻率無關(guān)

15、，光照強度越大飽和光電流越大，因此A正確，B錯誤；根據(jù)Ekm＝hν－W可知，對于同一光電管，逸出功W不變，當(dāng)頻率變高，最大初動能Ekm變大，因此C正確；由光電效應(yīng)規(guī)律可知，當(dāng)頻率低于截止頻率時無論光照強度多大，都不會有光電流產(chǎn)生，因此D錯誤． (時間：60分鐘) 題組一　光電效應(yīng)的現(xiàn)象及規(guī)律 1．(多選)當(dāng)用一束紫外線照射裝置在原不帶電的驗電器金屬球上的鋅板時，發(fā)生了光電效應(yīng)，這時發(fā)生的現(xiàn)象是(　　) A．驗電器內(nèi)的金屬箔帶正電 B．有電子從鋅板上飛出來 C．有正離子從鋅板上飛出來 D．鋅板吸收空氣中的正離子 答案　AB 2．(多選)在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不

16、帶電的一塊鋅板與靈敏靜電計相連，用弧光燈(紫外線)照射鋅板時，靜電計的指針就張開一個角度，如圖1所示，這時(　　) 圖1 A．鋅板帶正電，指針帶負電 B．鋅板帶正電，指針帶正電 C．若用黃光照射鋅板，則可能不產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象 D．若用紅光照射鋅板，則鋅板能發(fā)射光電子 答案　BC 解析　鋅板在紫外線照射下，發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，有光電子飛出，故鋅板帶正電，指針上的部分電子被吸引到鋅板上發(fā)生中和，使指針帶正電，B對，A錯；紅光和黃光的頻率都小于紫外線的頻率，都可能不產(chǎn)生光電效應(yīng)，C對，D錯． 3．(多選)用紫光照射某金屬恰可發(fā)生光電效應(yīng)，現(xiàn)改用較弱的太陽光照射該金屬，則(　　)

17、A．可能不發(fā)生光電效應(yīng) B．逸出光電子的時間明顯變長 C．逸出光電子的最大初動能不變 D．單位時間逸出光電子的數(shù)目變小 答案　CD 解析　由于太陽光含有紫光，所以照射金屬時發(fā)生光電效應(yīng)且逸出光電子的最大初動能不變，又因為光強變?nèi)?，所以單位時間逸出光電子的數(shù)目變小，C、D正確，A錯誤；產(chǎn)生光電效應(yīng)的時間幾乎是瞬時的，B錯誤． 4．關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律，下列說法中正確的是(　　) A．只有入射光的波長大于該金屬的極限波長，光電效應(yīng)才能發(fā)生 B．光電子的最大初動能跟入射光的強度成正比 C．發(fā)生光電效應(yīng)的時間一般都大于10－7 s D．發(fā)生光電效應(yīng)時，單位時間內(nèi)從金屬內(nèi)逸出的光電子數(shù)

18、與入射光的強度成正比 答案　D 解析　由E＝hν＝h知，當(dāng)入射光波長大于極限波長時，不能發(fā)生光電效應(yīng)，故A錯；由Ek＝hν－W知，最大初動能由入射光頻率決定，與入射光的強度無關(guān)，故B錯；發(fā)生光電效應(yīng)的時間一般不超過10－9 s，故C錯． 5．(多選)如圖2所示，電路中所有元件完好，光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過．其原因可能是(　　) 圖2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．入射光太弱 B．入射光波長太長 C．光照時間太短 D．電源正負極接反 答案　BD 解析　金屬存在極限頻率，超過極限頻率的光照射金屬才會有光電子射出．發(fā)射的光電子的動能隨頻率的增

19、大而增大，動能小時不能克服反向電壓，也不能有光電流．入射光的頻率低于極限頻率，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，與光照強弱無關(guān)，選項B正確，A錯誤；電路中電源正負極接反，對光電管加了反向電壓，若該電壓超過了遏止電壓，也沒有光電流產(chǎn)生，D正確；光電效應(yīng)的產(chǎn)生與光照時間無關(guān)，C錯誤． 6．(多選)一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，則下列說法正確的是(　　) A．若增加綠光的照射強度，則逸出的光電子數(shù)增加 B．若增加綠光的照射強度，則逸出的光電子的最大初動能增加 C．若改用紫光照射，則可能不會發(fā)生光電效應(yīng) D．若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動能增加 答案　AD 解析　光電效應(yīng)的規(guī)律表明：入射光

20、的頻率決定是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時逸出的光電子的最大初動能的大?。?dāng)入射光的頻率增加后，逸出的光電子的最大初動能也增加．而增加光的照射強度，會使單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加．故正確選項有A、D. 題組二　光電效應(yīng)方程及應(yīng)用 7．(多選)產(chǎn)生光電效應(yīng)時，關(guān)于逸出光電子的最大初動能Ek，下列說法正確的是(　　) A．對于同種金屬，Ek與入射光的強度無關(guān) B．對于同種金屬，Ek與入射光的波長成反比 C．對于同種金屬，Ek與入射光的時間成正比 D．對于同種金屬，Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系 答案　AD 解析　Ek＝hν－W＝h－W，同種逸出功相同，最大初動能與入射光強度無關(guān)，

21、與入射光的波長有關(guān)但不是反比例函數(shù)關(guān)系，最大初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，不同種金屬，保持入射光頻率不變，最大初動能Ek與逸出功成線性關(guān)系． 8．用不同頻率的光分別照射鎢和鋅，產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)實驗可畫出光電子的最大初動能Ek隨入射光頻率ν變化的Ek—ν圖線．已知鎢的逸出功是3.28 eV，鋅的逸出功為3.34 eV，若將二者的圖線畫在同一個Ek—ν坐標(biāo)系中，則正確的圖是(　　) 答案　A 解析　根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν—W可知，Ek—ν圖象的斜率為普朗克常量h，因此圖中兩線應(yīng)平行，故C、D錯誤；圖線與橫軸的交點表示恰能發(fā)生光電效應(yīng)(光電子動能為零)時的入射光頻率即極限頻率．由光

22、電效應(yīng)方程可知，逸出功越大的金屬對應(yīng)的極限頻率越高，所以能使金屬鋅發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率越高，所以A正確，B錯誤．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 9．(多選)如圖3所示是某金屬在光的照射下，光電子的最大初動能Ek與入射光的波長的倒數(shù)(1/λ)的關(guān)系圖象，由圖象可知(　　) 圖3 A．圖象中的λ0是產(chǎn)生光電效應(yīng)的最小波長 B．普朗克常量和光速的乘積hc＝Eλ0 C．該金屬的逸出功等于－E D．若入射光的波長為λ0/3，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2E 答案　BD 解析　圖象中的λ0是產(chǎn)生光電效應(yīng)的最大波長，選項A錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的最大初動能Ek與入

23、射光的波長的倒數(shù)的關(guān)系圖象對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式為Ek＝hc－W，由圖可知Ek＝0時，hc＝Eλ0，選項B正確；由Ek＝hc－W，并結(jié)合關(guān)系圖象可得該金屬的逸出功W＝E，選項C錯誤；若入射光的波長為，由Ek＝hc－W，解得Ek＝hc－W＝3E－E＝2E，即產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2E，選項D正確． 10．在光電效應(yīng)實驗中，某金屬的極限頻率對應(yīng)的波長為λ0，該金屬的逸出功為________．若用波長為λ(λ<λ0)的單色光做該實驗，則其遏止電壓為________．已知電子的電荷量、真空中的光速和普朗克常量分別為e、c和h. 答案　　· 解析　由題意：W＝hν0＝h. 又Ek＝h－W Ek＝

24、eUc 解得Uc＝·. 題組三　綜合應(yīng)用 11．(多選)在光電效應(yīng)實驗中，波長為λ1的光恰好能使金屬P發(fā)生光電效應(yīng)，波長為λ2的光恰好能使金屬Q(mào)發(fā)生光電效應(yīng)，已知波長λ1>λ2，下列選項A、B是兩種金屬的光電子最大初動能Ek與入射光頻率ν的圖象；選項C、D是用甲光照射金屬P、乙光照射金屬Q(mào)的光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系圖象，已知甲、乙兩束光的頻率ν甲>ν乙，則下列選項中正確的是(　　) 答案　AD 解析　根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0＝hν－h(huán)ν0知，圖線的斜率表示普朗克常量，根據(jù)圖線斜率可得出普朗克常量．橫軸截距表示最大初動能為零時的入射光頻率，已知波長λ1>λ2，所

25、以ν1<ν2，因此Q的橫軸截距大，A正確，B錯誤；光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系圖象與電壓軸交點表示遏止電壓，因eUc＝hνc，由于兩束光的頻率ν甲>ν乙，所以P的遏止電壓大，故D正確，C錯誤． 12．分別用λ和λ的單色光照射同一金屬，發(fā)出的光電子的最大初動能之比為1∶3.以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，則此金屬的逸出功是多大？ 答案　 解析　設(shè)此金屬的逸出功為W，根據(jù)光電效應(yīng)方程得如下兩式： 當(dāng)用波長為λ的光照射時：Ek1＝－W① 當(dāng)用波長為λ的光照射時：Ek2＝－W② 又＝③ 解①②③式組成的方程組得：W＝. 13．鋁的逸出功為4.2 eV，現(xiàn)用波長200 nm的光照射鋁的表面．已知h＝6.63×10－34 J·s，求： (1)光電子的最大初動能； (2)遏止電壓； (3)鋁的極限頻率． 答案　(1)3.225×10－19 J (2)2.016 V (3)1.014×1015 Hz 解析　(1)根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W有 Ek＝－W＝ J－4.2×1.6×10－19 J＝3.225×10－19 J. (2)由Ek＝eUc可得 Uc＝＝ V≈2.016 V. (3)hνc＝W知 νc＝＝ Hz≈1.014×1015 Hz. 11