第1节　光电效应及其解释

第6章|波粒二象性第1节光电效应及其解释核心素养点击物理观念1.了解光电效应现象。2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。3.了解康普顿效应及其意义。4.知道光具有波粒二象性。科学思维1.利用光子说解释光电效应的实验规律。2.能根据实验结论分析光的波粒二象性。科学探究通过实验，了解光电效应现象及实验规律。科学态度与责任体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响，了解人类认识自然的局限性与不断探索自然的必要性。1．填一填(1)光电效应：在光的照射下

从物体表面逸出的现象。(2)光电效应的实验规律①入射光的频率低于某一频率时，不会产生光电效应，这一频率称为

。该频率与

有关。②从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间

，通常在

内。③在光照强度不变的情况下，光电流随电压增大到一定值后，达到

。在光频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流

。电子极限频率金属的种类很短10－9s饱和电流越大2．判一判(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)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。

(

)3．想一想某单色光照射到金属表面上结果没有光电子逸出，请思考：我们应如何操作才能使该金属发生光电效应呢？是增大入射光频率还是增大入射光强度？提示：增大入射光频率，使其高于该金属的极限频率。××√2．判一判(1)看似连续的光实际上是由分立的光子组成的。

(

)(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。

(

)(3)光电子的最大初动能与入射光的强度有关。

(

)3．想一想不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的最大初动能是否相同？提示：由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的最大初动能是不同的。√××1．填一填(1)光的波动性：英国科学家

用光的波动理论解释了光的

现象；法国科学家

用光的波动理论定量计算了光的

光强分布；

提出光是一种电磁波。(2)光的粒子性：

和

说明光具有粒子性，但同时也体现了波动性。(3)光的波粒二象性：光子既有

的特征，又有

的特征。

用概率波很好地解释了光的波粒二象性。光的波长较长时

性较明显，光的波长较短时_____性较明显。托马斯·杨干涉菲涅耳衍射麦克斯韦光电效应康普顿效应粒子波玻恩波动粒子2．判一判(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。

(

)(2)光子数量越大，其粒子性越明显。

(

)(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。

(

)3．想一想光的波动性与粒子性跟光波频率高低、波长的长短有怎样的关系？提示：光波频率越低，波长越长，光的波动性越明显；光波频率越高，波长越短，光的粒子性越明显。√×√如图是研究光电流与电压之间关系的实验原理图。若要使电流表的示数增大，电源的正负极如何接入？滑动变阻器向哪个方向移动？按照上述方向移动时，能否使电流表示数一直增加？提示：若要使电流表的示数增大，电源右侧为正极，滑动变阻器向右滑动，当电流达到饱和时，继续向右移动滑片，电流表示数也不会增加。

[重难释解]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(1)光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能。(2)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。3．光子的能量与入射光的强度光子的能量即一个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，可见光子的能量由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到单位面积上的总能量，等于光子能量hν与入射光子数n的乘积，即光强等于nhν。4．光电流和饱和光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，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。5．光的强度与饱和光电流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没有简单的正比关系。[解析]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。[答案]

C光电效应规律的应用(1)入射光的频率相同，发生光电效应时光电子的最大初动能相同，故遏止电压相同。(2)光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。[素养训练]1．当光照射在某种金属表面时，金属表面有电子逸出。如果该入射光的强度减弱，频率不变，则

(

)A．可能不再有电子逸出金属表面B．单位时间内逸出金属表面的电子数减少C．逸出金属表面的电子的最大初动能减小D．从光入射到光电子逸出的时间间隔延长解析：入射光的频率不变，则仍然能发生光电效应，A错误；入射光的强度减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少，光电流减弱，B正确；入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变，C错误；光的强弱影响的是单位时间内发出光电子的数目，并不影响单个光电子的逸出时间，D错误。答案：B

2.如图所示为一真空光电管的应用电路，关于电路中光电流的饱和值，下列说法正确的是

(

)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．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于光电管所加的正向电压的大小D．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的光照时间解析：若在光电管中发生了光电效应，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，故B正确，A、C、D错误。答案：B

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。光电效应在现代科技中有哪些应用呢？提示：应用光电效应的产品有很多，主要是两个方面：太阳能电池和光电传感器，使用光电传感器的设备，常见的有：光控路灯，数码照相机，光敏电阻、二极管、三极管等。

[重难释解]1．光电效应方程hν＝W＋Ek的四点理解(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如果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Ek，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W。(3)三点提醒①能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。②光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。③逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能；(2)如果把照射阴极绿光的光强增大为原来的2倍，每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极的最大初动能。(1)极限频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W＝hν0。(2)某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大。[素养训练]1.(多选)如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，由图像可知

(

)A．该金属的逸出功等于EB．该金属的逸出功等于hν0C．入射光的频率为ν0时，产生的光电子的最大初动能为ED．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E解析：题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W知，当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hν0＝W，即该金属的逸出功等于hν0，选项B正确；根据图线的物理意义，有W＝E，故选项A正确，选项C、D错误。答案：AB

2．如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图像，则下列说法正确的是

(

)A．图像的斜率为普朗克常量B．该金属的截止频率约为5.5×1014HzC．由图像可得该金属的逸出功为0.5eVD．由图像可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系3．已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大动能为1.0eV，求入射光的波长。(h＝6.7×10－34J·s)如图所示是对光的本质进行研究的两个实验。两幅图分别是光什么性质的代表？说明了什么问题？提示：甲图是光电效应演示实验示意图，它是光的粒子性的代表；乙图是光的干涉实验示意图，它是光的波动性的代表。两个实验说明光具有波粒二象性。

[重难释解]1．光的粒子性的含义爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量与光的频率有关，光子说并不否定波动说。(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质。(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性。(3)频率高、波长短的光，粒子性特征显著。2．光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波。(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质。(2)频率低、波长长的光，波动性特征显著。3．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同。(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现，光的波动性和粒子性是统一的。[解析]

光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误。光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故A、B错误。大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C正确。[答案]

C[素养训练]1．(多选)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是

(

)A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波D．光具有波粒二象性解析：牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，选项A错误；干涉、衍射是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，选项B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等从而认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，选项C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，选项D正确。答案：BCD

2．(多选)在验证光的波粒二象性实验中，下列说法正确的是

(

)A．使光子一个一个地通过狭缝，如果时间足够长，底片上将出现衍射图样B．单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样C．光子通过狭缝的路线是直线D．光的波动性是大量光子的运动规律解析：单个光子表现为粒子性，大量光子表现为波动性，可知A、D正确，B错误；光子表现为波动性，通过狭缝的路线是不确定的，C错误。答案：AD

一、培养创新意识和创新思维(选自人教版新教材课后练习)在光电效应实验中，小明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、乙、丙)，如图所示。回答下面问题，并说明理由。(1)甲、乙两种光的频率，哪个大？(2)乙、丙两种光的波长，哪个大？(3)乙、丙两种光所对应的截止频率，哪个大？(4)甲、丙两种光所产生光电子的最大初动能，哪个大？二、注重学以致用和思维建模1．(多选)利用光的力量来操纵细胞的光镊技术很好的应用在医学研究领域，其原理是光