新教材适用2024-2025学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性2.光电效应学案新人教版选择性必修第三册

2.光电效应课程标准1．知道光电效应现象，了解光电效应的试验规律。2．知道爱因斯坦的光子说及对光电效应的说明，会用光电效应方程解决一些简洁问题。3．了解光的波粒二象性。素养目标1．知道光电效应与电磁理论的冲突。2．理解爱因斯坦光子说及对光电效应的说明，会用光电效应方程解决一些简洁问题。3．了解康普顿效应及其意义。学问点1光电效应现象和试验规律1．光电效应定义照耀到金属表面的光，能使金属中的_电子__从表面逸出的现象。2．光电子光电效应中放射出来的_电子__。3．光电效应的试验规律(1)截止频率：当入射光的频率_减小__到某一数值νc时，光电流消逝，金属表面已经没有光电子了，νc称为截止频率。(2)存在着_饱和__电流。入射光强度肯定，单位时间内阴极K放射的光电子数_肯定__。入射光越强，饱和电流_越大__，表明入射光越强，单位时间内放射的光电子数_越多__。(3)遏止电压：施加反向电压，使光电流减小到0的_反向电压__Uc称为遏止电压。(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是_瞬时__发生的。4．逸出功使电子_脱离__某种金属所做功的_最小值__，叫作这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功_不同__。『判一判』(1)任何频率的光照耀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)入射光照耀到金属表面上时，光电子几乎是瞬时放射的。(√)『选一选』(多选)光电效应的规律中，经典波动理论不能说明的有(ABC)A．入射光的频率必需大于被照耀金属的极限频率时才产生光电效应B．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大C．入射光照耀到金属上时，光电子的放射几乎是瞬时的，一般不超过10－9sD．当入射光频率大于极限频率时，光电子数目与入射光强度成正比解析：按经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必需汲取足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的光子数越多，被电子汲取的光子数自然也越多，产生的光电子数也越多。故不能说明的有A、B、C三项。『想一想』如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照耀锌板，视察到验电器的指针发生了改变，这说明锌板带了电。你知道锌板是怎样带上电的吗？答案：锌板在紫外线灯的照耀下发生了光电效应，放射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开肯定角度。学问点2爱因斯坦的光电效应理论1．光子说(1)内容光不仅在放射和汲取能量时是一份一份的，而且_光本身__就是由一个个不行分割的_能量子__组成的，频率为ν的光的能量子为_hν__，这些能量子称为光子。(2)光子能量公式为ε＝hν，其中ν指光的_频率__。2．光电效应方程(1)对光电效应的说明在光电效应中，金属中的电子汲取_一个光子__获得的能量是_hν__，其中一部分用来克服金属的_逸出功W0__，另一部分为光电子的_初动能Ek__。(2)光电效应方程Ek＝_hν－W0__。3．对光电效应规律的说明(1)光电子的最大初动能与入射光_频率__有关，与光的_强弱__无关。只有当hν_>W0__时，才有光电子逸出。(2)电子_一次性__汲取光子的全部能量，_不须要__积累能量的时间。(3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的_光子数__较多，照耀金属时产生的_光电子__较多，因而饱和电流较大。说明：①光越强，包含的光子数越多，照耀金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大；②入射光的强度，指单位时间照耀在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的状况下，光强与光子数成正比；③单位时间内放射出来的电子数由光强确定。『选一选』(2024·广东潮州期末)1905年爱因斯坦提出“光子说”，胜利说明白光电效应现象，因此获得1921年诺贝尔物理学奖。关于光电效应的规律，下列说法正确的是(B)A．对于同种金属，光电子的最大初动能与入射光的强度有关B．对于同种金属，在发生光电效应时遏止电压与入射光的频率有关C．只要金属中的电子汲取了光子的能量，就肯定能发生光电效应现象D．单位时间内从金属表面逸出的光电子数与单位时间内照耀到金属表面的光子数无关解析：光电子的最大初动能Ek与入射光的强度无关，故A错误；依据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及eUc＝Ek，有eUc＝hν－W0，所以，对于同种金属，发生光电效应时遏止电压与入射光的频率有关，故B正确；入射光的频率大于截止频率时，才能发生光电效应现象，故C错误；发生光电效应时，单位时间内入射的光子数越多，从金属表面逸出的光电子数就越多，故D错误。学问点3康普顿效应和光子的动量1．康普顿效应在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成格外，还有波长_大于__λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。2．光子的动量光子不仅具有能量，而且具有_动量__，公式：p＝eq\f(h,λ)。『判一判』(4)光子发生散射时，其动量大小发生改变，但光子的频率不发生改变。(×)(5)光子发生散射后，其波长变大。(√)探究光电效应现象及其试验规律要点提炼1．光电效应现象存在遏止电压和截止频率，当所加电压U为0时，电流I并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流才有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有肯定的初速度。当光照耀在金属表面时有电子从金属表面逸出，但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应。对于某种金属材料，只有当入射光的频率大于某一频率νc时，电子才能从金属表面逸出，形成光电流。当入射光的频率小于νc时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明没有光电子逸出，这一频率νc称为截止频率或极限频率。截止频率与阴极材料有关，不同的金属材料的νc一般不同。假如入射光的频率ν小于截止频率νc，那么，无论入射光的光强多大，都不能产生光电效应。2．光电效应与经典电磁理论的冲突。(1)冲突之一：遏止电压由入射光频率确定，与光的强弱无关依据光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应当越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而试验表明：遏止电压由入射光的频率确定，与光强无关。(2)冲突之二：存在截止频率依据光的经典电磁理论，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。而试验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。(3)冲突之三：具有瞬时性依据光的经典电磁理论，假如光很弱，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。而试验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的。典例剖析典例1如图所示为演示光电效应的试验装置，关于光电效应，下列说法正确的是(A)A．发生光电效应时，光电子是从K极逸出的B．灵敏电流计不显示读数肯定是因为入射光强度太弱C．灵敏电流计不显示读数可能是因为电压过低D．假如把电源反接，肯定不会发生光电效应解析：当发生光电效应时，光电子从K极逸出，故A正确；由题图可知，光电管A、K两极之间加的是正向电压，若有光电子逸出，则光电子在电场力作用下加速运动，肯定能到达A极，回路中肯定有光电流，若灵敏电流计不显示读数，可能是因为入射光频率过低，没有发生光电效应，故B、C错误；若把电源反接，不会影响光电效应现象的发生，故D错误。对点训练❶(多选)现用某一光电管进行光电效应试验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是(AC)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，始终有光电流产生解析：入射光频率不变，光强变大，单位时间内产生的光电子数目变多，故饱和光电流变大，A正确；饱和光电流与光强有关，B错误；由爱因斯坦光电效应方程得hν＝W0＋Ek，C正确；不断减小入射光的频率，当频率小于材料的截止频率时，就没有光电流产生，D错误。探究光电效应方程的理解要点提炼1．对光电效应方程的理解(1)光电子的动能方程Ek＝hν－W0中，Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值。(2)方程实质方程Ek＝hν－W0实质上是能量守恒方程。(3)产生光电效应的条件方程Ek＝hν－W0包含了产生光电效应的条件，即要产生光电效应，需Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>eq\f(W0,h)，而νc＝eq\f(W0,h)就是金属的极限频率。(4)截止频率νc方程Ek＝hν－W0表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν存在线性关系(如图所示)，与光强无关。图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。(5)逸出功方程Ek＝hν－W0中的逸出功W0为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的。2．光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系光强→光子数目多→放射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。3．光电效应几种图像的对比图像名称图线形态由图线干脆(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线，方程Ek＝hν－W0①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的负值W0＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h颜色不同即入射光的频率ν不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc：图线与横轴的交点②饱和光电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ekm＝eUc遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：图线与横轴的交点②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke。(注：此时两极之间接反向电压)(1)逸出功和截止频率均由金属本身确定，与其他因素无关。(2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。典例剖析典例2如图所示K装置，阴极K用极限波长为λc＝0.66μm的金属制成。若闭合开关S，用波长为λ＝0.50μm的绿光照耀阴极，调整两极间的电压，使电流表的示数最大，最大示数为0.64μA。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。(1)求阴极每秒放射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能；(2)假如将照耀阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒放射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。解析：(1)当阴极放射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和。由电流可知每秒到达阳极的光电子数，即阴极每秒放射的光电子个数n＝eq\f(Imt,e)＝eq\f(0.64×10－6×1,1.6×10－19)＝4.0×1012依据爱因斯坦光电效应方程可知，光电子的最大初动能为Ek＝hν－W0＝heq\f(c,λ)－heq\f(c,λc)代入数据可得Ek＝9.6×10－20J。(2)假如照耀光的频率不变，光强加倍，则每秒放射的光电子数加倍，饱和电流增大为原来的2倍，则绿光的光强增大为原来的2倍后，阴极每秒放射的光电子个数n′＝2n＝8.0×1012光电子的最大初动能仍旧为Ek＝hν－W0＝9.6×10－20J。答案：(1)4.0×10129.6×10－20J(2)8.0×10129.6×10－20J对点训练❷(2024·云南省云天化中学高二春季开学试题)某金属发生光电效应，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν之间的关系如图所示。已知h为普朗克常量，e为电子电荷量的肯定值，结合图像所给信息，下列说法正确的是(C)A．入射光的频率小于ν0也可能发生光电效应现象B．该金属的逸出功随入射光频率的增大而增大C．若用频率是2ν0的光照耀该金属，则遏止电压为eq\f(hν0,e)D．遏止电压与入射光频率无关解析：由图像可知金属的极限频率为ν0，入射光的频率必须要大于ν0才能发生光电效应现象，选项A错误；金属的逸出功与入射光的频率无关，选项B错误；若用频率是2ν0的光照耀该金属，则光电子的最大初动能为Ekm＝2hν0－hν0＝hν0＝Ue，则遏止电压为U＝eq\f(hν0,e)，选项C正确；遏止电压与入射光的频率有关，入射光的频率越大，则最大初动能越大，遏止电压越大，选项D错误。探究光的波粒二象性要点提炼1．光的波粒二象性的理解试验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述(2)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质(3)波长长的光简洁表现出波动性(1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的(2)光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子简洁显示出光的粒子性(3)波长短的光，粒子性显著(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的(2)光子不同于宏观观念的粒子2．光的波粒二象性(1)大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，假如用强光照耀，在光屏上立即出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性，假如用微弱的光照耀，在屏上就只能视察到一些分布毫无规律的光点，粒子性得到充分体现；但是假如微弱的光在照耀时间加长的状况下，在感光底片上的光点分布又会出现肯定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律。这些试验，为人们相识光的波粒二象性供应了良好的依据。(2)光子和电子、质子等实物粒子一样具有能量和动量，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，如光子与电子的作用是一份一份进行的，这些都体现了光的粒子性。(3)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。(4)光子的能量ε＝hν，动量p＝eq\f(h,λ)，能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量，波长λ或频率ν是描述物质的波动性的典型物理量，它们通过普朗克常量h联系在一起，揭示了光的粒子性和波动性之间的亲密联系，说明白光的波动性和粒子性组成一个有机的整体，相互间并不是独立存在的。典例剖析典例3(多选)对光的相识，下列说法正确的是(ABD)A．少量光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不具有波动性了D．光的波粒二象性可以理解为在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下，光的粒子性表现明显解析：少量光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光传播时表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，故选项A、B、D正确。对点训练❸(2024·江苏苏州期末)关于光的本性，下列说法正确的是(C)A．关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明白光的本性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．光的波粒二象性将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来解析：光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波。光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒。某现象说明光具有波动性，是指波动理论能说明这一现象；某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子理论说明这一现象。综上，选项C正确。光电效应中几个易混淆的概念1．光子与光电子光子指光在空间传播时的一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照耀时放射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。2．光电子的动能与光电子的最大初动能光照耀到金属表面时，光子的能量全部被电子汲取，电子汲取光子的能量，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；只有金属表面的电子干脆向外飞出时，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每个光子的能量，其值为E＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率确定。入射光的强度指单位时间内照耀到金属表面单位面积上的总能量；入射光的强度等于单位时间内入射光子数与光子能量的乘积。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，在肯定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。案例用同一束单色光，在同一条件下，先后照耀锌片和银片，都能产生光电效应，这两个过程中，对下列四个量，肯定相同的是_A__，可能相同的是_C__，肯定不相同的是_BD__。A．光子的能量 B．金属的逸出功C．光电子动能 D．光电子最大初动能解析：光子的能量由光的频率确定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同，逸出功等于电子脱离原子核束缚须要做的最小的功，因此只由材料确定，锌片和银片的逸出功肯定不相同。由Ek＝hν－W，照耀光子能量hν相同，逸出功W不同，则光电子最大初动能也不同，由于电子汲取光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的动能可能分布在零到最大初动能之间，所以，两个不同光电效应的光电子中，动能是可能相等的。一、光电效应现象和试验规律1．下列关于光电效应现象的表述中，错误的是(C)A．光电效应是指照耀到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象B．光电效应试验中存在截止频率C．入射光太弱时不行能发生光电效应D．光电效应几乎是瞬时发生的解析：光电效应是指照耀到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出的现象，A正确；依据光电效应的试验规律可知，B、D正确；光电效应现象是否发生与入射光的强度无关，当入射光的频率大于截止频率时，就可以发生光电效应，C错误。2．光电效应的规律中，经典波动理论能说明的有(B)A．入射光的频率必需大于被照耀金属的极限频率时才产生光电效应B．当入射光频率大于被照耀金属的极限频率时，光电子数目与入射光的强度成正比C．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大D．入射光照耀到金属上时，光电子的放射几乎是瞬时的解析：按经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，金属中的电子必需汲取足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积累的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的能量越多，被电子汲取的能量自然也越多，产生的光电子数也越多，故经典波动理论只能说明B项。3．(2024·北京101中学高二月考)如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上，当用某频率的紫外线照耀锌板时，发觉验电器指针偏转肯定角度，下列说法正确的是(D)A．验电器带正电，锌板带负电B．验电器带负电，锌板也带负电C．若改用红光照耀锌板，验电器的指针肯定也会偏转D．若改用同等强度频率更高的紫外线照耀锌板，验电器的指针也会偏转解析：用紫外线照耀锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板连接，则验电器带正电，故A、B错误；依据光电效应的条件可知若改用红光照耀锌板，不肯定能发生光电效应，所以验电器的指针不肯定会发生偏转，C错误；依据光电效应的条件可知发生光电效应与光的强度无关，若改用同等强度频率更高的紫外线照耀锌板，验电器的指针也会偏转，D正确。二、爱因斯坦的光电效应理论4．分别用波长为λ和eq\f(2,3)λ的单色光照耀同一金属板，金属板发出的光电子的最大初动能之比为1∶2，已知普朗克常量为h，真空中的光速为c，则该金属板的逸出功为(A)A．eq\f(hc,2λ) B．eq\f(3hc,2λ)C．eq\f(3hc,4λ) D．eq\f(2hλ,c)解析：依据光电效应方程得hν＝heq\f(c,λ)＝W0＋Ek，所以有eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(h\f(c,λ)－W0))∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(h\f(c,\f(2,3)λ)－W0))＝1∶2，解得W0＝eq\f(hc,2λ)，故选项A正确。5．(2024·山东济宁期末)用一般光源照耀金属时，一个电子在极短时间内只能汲取一个光子从金属表面逸出，称为单光子光电效应。假如用强激光照耀金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内能汲取多个光子，称多光子光电效应。某光电效应试验装置如图所示，用频率为ν的一般光源照耀阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率的强激光照耀阴极K，发生了光电效应，闭合开关S，并渐渐增大电源电压U，当光电流恰好减小到零时，电压为Uc。已知W为金属材料的逸出功，h为普朗克常量，e为电子带电荷量，下列说法可能正确的是(D)A．a端为电源的负极 B．ν＝eq\f(W,h)C．Uc＝eq\f(3hν,2e)－eq\f(W,e) D．Uc＝eq\f(3hν,e)－eq\f(W,e)解析：增大电源电压能使光电流减小到零，说明光电管两端所加电压为反向电压，所以阴极K与电源正极相连，阳极A与电源负极相连，即a端为电源的正极，b端为电源的负极，故A错误；依题意知，用频率为ν的一般光源照耀阴极K，没有发生光电效应，可知hν<W，而换用同频率的强激光照耀阴极K，则发生了光电效应，说明只有一个电子汲取的光子的能量为nhν(