第14.1节光电效应光子说（原卷版）

第十四章微观粒子的波粒二象性14.1光电效应光子说🧭目标导航知识要点难易度1.光电效应现象：紫外线照射锌板，光电子从锌版逸出2.光子的能量：E=hν3.光电效应方程：★★★

★★★📚知识精讲一、光电效应现象1.实验现象：图（1）锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小。图（2）锌板不带电，用紫外线灯照射后，验电器指针张开。结论：紫外线会让电子从锌板表面逸出。装置（1）装置（2）2.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。3.光电子：光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。二、光电效应的实验规律1.光电效应的实验装置如图（1）所示，把光信号转化为电信号的装置叫光电管。⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。阴极K与阳极A之间电压U的大小用电压表测量，可以通过滑动变阻器的调节，改变电压大小。电源的正负极也可以对调，图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。⑵K在受到光照时能够发射光电子。光电子从阴极K逸出后，在AK之间被电场加速。⑶阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，用电流计测出光电流的大小。光电流越大，说明光电效应越强。图（1）图（2）2.实验过程(1)施加正向电压，如图（1）：A接正极，K接负极①保持光照条件不变，调节滑动变阻器，增大电压，测量光电流。②得到如图（2）所示图像，光电流随电压增大而增大，并趋于一个饱和值Im③分析：在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的。电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。(2)施加反向电压，如图（3）：K接正极，A接负极图（3）图（4）图（5）①保持光照条件不变，调节滑动变阻器，增大反向电压，测量光电流。②得到如图（2）所示图像，光电流随反向电压增大而减小，直至为0，测量此时的电压UC。③分析：如图（4），具有最大初动能的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，电场力做功=最大初动能，即：，使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。(3)更换不同频率的色光，测量不同色光的IU图像。如图（5）中的黄光和蓝光，不同频率的色光都存在饱和电流，但截止频率不一样。(4)对同一频率的色光，改变强度，测量IU图像。如图（5）中的黄光（强）和黄光（弱），截止频率相同，光强越大饱和电流越大。3.结论(1)对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样。(2)光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。这表明光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。(3)截止频率（极限频率）：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。对于每种金属，都有相应确定的截止频率νc，即：①当入射光频率ν>νc时，电子才能逸出金属表面；②当入射光频率ν<νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。(4)光电效应具有瞬时性，当光照射时立刻产生光电效应。例1.研究光电效应实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则()A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过B．用红外线照射，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最右端时，电流表一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向左端移动时，电流表示数可能不变三、经典理论的矛盾1.光电效应经典解释按照经典电磁理论，光是电磁波，对光电效应有如下结论：(1)当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，形成光电子。不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不存在截止频率。(2)光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关。(3)如果光很弱，电子需要长时间（几分钟到十几分钟）才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。这些结论与实验结果相矛盾，经典电磁理论无法解释。2光电效应经典解释中的疑难点(1)初动能与光强无关，取决于入射光的频率。(2)存在极限频率(红限)。(3)响应快慢与光强无关，没有能量积累过程。四、光子说1.能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份一份的，每一份叫做一个能量子。2.爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。3.光子的能量：E=hν，ν是光子的频率。例2.光子的能量与其()A．频率成正比 B．波长成正比C．速度成正比 D．速度平方成正比五、光电效应方程1.Ek是光子最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是0~Ek范围内的任何数值。W0是金属的逸出功，是金属的属性，跟金属种类有关，如图（1）所示。式中h叫普朗克常量(h=6.63×1034J·s)图（1）图（2）⑴截止频率的解释光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。hv>W0→产生光电效应hv<W0→无光电效应hv=W0→极限频率v=光电效应图像如图（2）所示，Ek=hν

–W0①斜率k=h（普朗克常数）②横截距νc（极限频率）③纵截距为－W0（逸出功的负值）⑵遏止电压的解释对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。⑶瞬时性的解释电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。⑷饱和电流的解释对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。截止电压Uc与光的频率v和逸出功Wo的关系：U光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。例3.如图所示，在演示光电效应的实验中，谷灵同学分别用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个角度；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个角度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例4.（多选）用图甲所示装置研究光电效应现象，三次用同一光电管在不同光照条件下实验，记录微安表的示数I随光电管电压U的变化情况，得到甲、乙、丙三条光电流与电压之间的关系曲线，如图乙所示。下列说法正确的是（）A．大于B．光电管中电流方向由A指向KC．甲图线表示光的强度比丙大D．甲图线和乙图线表示光产生的光电子最大初动能相同🚀考点题型考点01光电效应方程的定性分析例5.利用如图所示的实验装置研究光电效应现象，用一束紫外线照射光电阴极材料，电流表无示数。则（）A．增大入射光的强度，电流表一定有示数 B．增大入射光的频率，电流表一定有示数C．减小入射光的频率，电流表可能有示数 D．减小入射光的波长，电流表可能有示数考点02光电效应方程的定量计算例6.单色光B的频率为单色光A的两倍，用单色光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E1；用单色光B照射该金属表面时，逸出的光电子最大初动能为E2。则该金属的逸出功为()A．E2－E1B．E2－2E1C．2E1－E2D．eq\f(E1＋E2,2)例7.如图所示电路可研究光电效应规律。图中标有A和K的为光电管，其中A为阳极，K为阴极，理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为12.0eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为5.0V。现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是（）A．光电管阴极材料的逸出功为5.0eVB．若增大入射光的强度，电流计的读数不为零C．若用光子能量为15.0eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能一定变大D．若用光子能量为10.0eV的光照射阴极K，同时把滑片P向左移动少许，电流计的读数一定不为零考点03光电效应方程的图像分析例8.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，可得到光电子的最大初动能随入射光频率变化的图像。已知钨的逸出功是，锌的逸出功是，若将二者的图线画在同一个坐标系中，用实线表示钨、虚线表示锌，则下列正确反映这一过程的图是（）A．B．C．D．例9.1916年密立根测量金属的遏止电压（即图甲所示电路中电流表G的读数减小到零时加在电极K、A之间的反向电压）与入射光频率v的对应关系，实验中推导计算出普朗克常量h。图乙为某光电管发生光电效应时遏止电压与入射光频率v的关系图像，已知光电子的电荷量为e，下列说法正确的是（）A．电极K的金属材料的截止频率为B．普朗克常量C．电极K的金属材料逸出功随入射光频率的增大而减小D．光电子最大初动能与入射光频率成正比考点04光谱和光电效应的综合应用例10.钾的逸出功是2.25eV。如图为氢原子的能级示意图，则下列对氢原子在能级跃迁过程中的特征认识，正确的是（）A．一个处于能级的氢原子向基态跃迁时，能放出6种不同频率的光B．用能量为10.5eV的光子轰击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态C．用能量为12.09eV的电子轰击氢原子，一定可使处于基态的氢原子跃迁到激发态D．一群处于能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射钾板，钾板表面所发出的光电子的最大初动能为9.84eV例11.氢原子的能级图如图甲所示，一群处于第4能级的氢原子，向低能级跃迁过程中能发出6种不同频率的光，其中只有频率为νa、νb两种光可让图乙所示的光电管阴极K发生光电效应。分别用频率为νa、νb的两个光源照射光电管阴极K，测得电流随电压变化的图像如图丙所示。下列说法中正确的是（）A．处于第4能级的氢原子可以吸收一个能量为0.75eV的光子并电离B．图丙中的图线b所表示的入射光是氢原子由第4能级向基态跃迁发出的C．图丙中的图线b所表示的入射光的光子能量为12.09eVD．用图丙中的a光照射阴极K时，光电子的最大初动能比用b光照射时更大✏️巩固练习~A组~1.（多选）如图所示，用导线把不带电的验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是()A．有光子从锌板逸出 B．有电子从锌板逸出C．验电器指针张开一个角度 D．锌板带负电2.如图所示为一光电管电路，滑动变阻器触头位于ab上某点，用黄光照射光电管阴极，电表指针无偏转，要使电表指针偏转，可采取的可行措施有()A．增大黄光的强度 B．换用蓝光照射C．将P向a滑动 D．将电源正、负极对调3.在光电效应实验中，某实验小组用同种频率的单色光，先后照射锌和银的表面，都能产生光电效应。对这两个过程，下列四个物理量中，可能相同的是()A．饱和光电流 B．遏止电压C．光电子的最大初动能 D．逸出功4．某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图所示，表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料（）材料钠铜铂极限波长/nm541268196A．仅钠能产生光电子 B．仅钠、铜能产生光电子C．仅钠、铂能产生光电子 D．都能产生光电子5.研究光电效应的实验装置如图所示，以频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生。由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动。光电流i由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出，且遏止电压为Uc.在下列表示光电效应实验规律的图象中，错误的是()6.（多选）在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出()A．该金属的截止频率 B．普朗克常量C．该金属的逸出功 D．单位时间内逸出的光电子数7．从1907年起，美国物理学家密立根就开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压与入射光频率，作出图乙所示的图象，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。已知电子的电荷量为e，则下列普朗克常量h的表达式正确的是（）A． B．C． D．8.如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率ν1<ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系的图像是()9．如图所示，分别用频率为v、2v的光照射某光电管，对应的遏止电压之比为1：3，普郎克常量用h表示，则（

）A．用频率为的光照射该光电管时有光电子逸出B．该光电管的逸出功为C．用2v的光照射时逸出所有光电子的初动能比用v的光照射时逸出所有光电子的初动能大D．加正向电压时，用2v的光照射时饱和光电流一定大10.（多选）某实验小组用图甲所示电路研究a、b两种单色光的光电效应现象，通过实验得到光电流I与电压U的关系如图乙所示，由图可知（）A．光电子的最大初动能 B．两种光的频率C．两种光照射金属K时的逸出功一样 D．两种光的遏止电压相同11.如图甲所示，为研究某金属材料的遏止电压Uc与入射光频率v的关系的电路图，用不同频率的光分别照射甲图中同一光电管的阴极K，调节滑片P测出遏止电压，并描绘Ucv关系图如图乙所示。已知三种光的频率分别设为以v1、v2、v3，光子的能量分别为1.8eV、2.4eV、3.0eV，测得遏止电压分别为U1=0.8V、U2=1.4V、U3（图乙中未知）。则下列说法正确的是（）A．普朗克常量可表达为B．图乙中频率为v3的光对应的遏止电压U3=1.8VC．该阴极K金属材料的逸出功为2.6eVD．将电源的正负极对换，仍用频率为v2的光照射阴极K时，将滑片P向右滑动一些，电流表示数一定不为零12．如图所示为氢原子能级图，以及从、4、5、6能级跃迁到能级时辐射的四条光谱线。则下列叙述正确的有（）A．、、、的频率依次增大B．可求出这四条谱线的波长之比，、、、的波长依次增大C．处于基态的氢原子要吸收的能量才能被电离D．如果可以使某种金属发生光电效应，一定可以使该金属发生光电效应13.如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于的激发态，在自发跃迁中放出一些光子，用这些光子照射逸出功为的钾，下列说法正确的是（）A．这些氢原子最多可能发出4种不同频率的光B．这些氢原子发出的所有光子均能使金属钾发生光电效应C．用这些氢原子跃迁放出的光照射金属钾，逸出的光电子最大初动能一定不大于D．氢原子在由高能级向低能级跃迁过程中，核外电子的动能也随之减小14.钾的逸出功是2.25eV。如图为氢原子的能级示意图，则下列对氢原子在能级跃迁过程中的特征认识，正确的是（）A．一个处于能级的氢原子向基态跃迁时，能放出6种不同频率的光B．用能量为10.5eV的光子轰击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态C．用能量为12.09eV的电子轰击氢原子，一定可使处于基态的氢原子跃迁到激发态D．一群处于能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射钾板，钾板表面所发出的光电子的最大初动能为9.84eV15.金属板M在某种光照射下可以发射出最大速度为v的电子，电子从金属板M运动到金属网N形成电流。已知图中两电池的供电电压都为U，电子的电荷量为e，质量为m，当单刀双掷开关S与1接通时，电流表的示数刚好为零（即电子恰好不能运动到金属网N）。现单刀双掷开关S与2接通时，电子运动到金属网N时的最大速度为（）A． B． C． D．~B组~16.（多选）图甲为某种光电烟雾探测器装置示意图，光源S发出频率为的光束，当有烟雾进入该探测器时，光束会被烟雾散射进入光电管C，当光照射到光电管中的金属钠表面时会产生光电子，进而在光电管中形成光电流，当光电流大于某临界值时，便会触发报警系统报警。用如图乙所示的电路（光电管K极是金属钠）研究光电效应规律，得到钠的遏止电压与入射光频率之间的关系，如图丙所示，元电荷为e。下列说法正确的是（）A．由图丙知，普朗克常量B．由图丙知，金属钠的逸出功为C．图甲中，光源S发出的光越强，探测器的灵敏度就越高，光电子的最大初动能就越大D．图乙中，光电管K极使用的金属材料逸出功越大，截止频率越大，探测器的灵敏度就越高17.（多选）我国中微子探测实验利用光电管把光信号转换为电信号。如图所示，A和K分别是光电管的阳极和阴极，加在A、K之间的电压为U。现用发光功率为P的激光器发出频率为v的光全部照射在K上，回路中形成电流。已知阴极K材料的逸出功为，普朗克常量为h，电子电荷量为e。以下说法正确的是（）A．光电子到达A时的最大动能为B．光电子到达A时的最大动能为C．若每入射N个光子会产生1个光电子且所有的光电子都能到达A，则回路的电流强度为D．若每入射N个光子会产生1个光电子且所有的光电子都能到达A，则回路的电流强度为18.如图1所示，一验电器与锌板相连，在A处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保特一定偏角。（1）现用一带少量负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将_______（选填“增大”“减小”或“不变”）。（2）使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针__________（选填“有”或“无”）偏转。（3）为了进一步研究光电效应的规律，设计了如图2所示的电路，图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极．现接通电源，用光子能量为的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为，则光电管阴极材料的逸出功为______。19.一群氢原子处于量子数n＝4的能级状态，氢原子的能级图如图所示，氢原子可能发射____种频率的光子；氢原子由量子数n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时辐射光子的能量是____eV；用n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时辐射的光子照射下表中几种金属，____金属能发生光电效应。金属铯钙镁钛逸出功W/eV1.92.73.74.1几种金属的逸出功20.如图所示为氢原子最低的四个能级，当一群氢原子处于n=4的能级上向低能级跃迁时：（1）有可能放出几种能量的光子？（2）在哪两个能级间跃迁时，所放出光子波长最长？（3）已知金属钠的截止频率为5.33×1014Hz，普朗克常量h=6.63×1034Js请通过计算判断，氢原子从第二激发态跃迁到第一微发态过程中发出的光射金属钠板，能否发生光电效应。21.小明同学用如图所示的实验装置测量普朗克常量和某金属的逸出功，通过改变入射光的频率并测出对应的遏止电压U绘制图像如图甲所示，已知电子所带电荷量大小是。（1）普朗克常量h=______，此金属的逸出功W=______。（用e、、、、表示）（2）另一同学用小明同学的数据绘制（其中I为Ｇ的读数）图线如图乙中d所示。他用相同实验装置，但只增大入射光强，则此时图线应是图乙中的______