人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：4 2 光电效应

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第2节光电效应〖学习目标要求〗1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。2.知道光电效应与电磁理论的矛盾。3.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。一、光电效应的实验规律1.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。这个现象称为光电效应。2.光电子：光电效应中发射出来的电子。3.光电效应的实验规律(1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。νc称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。(2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。(3)存在遏止电压：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一定的初速度。同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快，即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。不同金属的逸出功不同。〖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。(√)二、爱因斯坦的光子说与光电效应方程1.光的波动说的困难：按照光的波动说，当光照射到金属表面时，金属中的电子会从入射光中吸收能量，只有当能量积累到一定量时，电子才能从金属表面逃逸出来，这无法解释光电效应的实验现象。2.光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且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，这些能量子被称为光子。3.爱因斯坦的光电效应方程(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek。〖判一判〗(1)“光子”就是“光电子”的简称。(×)(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(×)(3)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多。(√)三、康普顿效应和光的波粒二象性1.康普顿效应(1)光的散射光子在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射。(2)康普顿效应美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。(3)康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面。(4)光子的动量①表达式：p＝eq\f(h,λ)。②说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小。因此，有些光子散射后波长变大。2.光的波粒二象粒(1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。(2)光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝eq\f(h,λ)。(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性。探究1光电效应现象及实验规律1.光电效应的实质：光现象eq\o(→,\s\up7(转化为))电现象。2.光电效应中的光包括不可见光和可见光。3.光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。4.能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。5.发生光电效应时，在光的频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内发出的光电子数越多。6.光的强度与饱和电流：饱和电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关。饱和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，饱和电流与入射光强度之间不是简单的正比关系。〖例1〗(2021·云南曲靖市高二月考)关于光电效应，下列说法正确的是()A.光电效应是原子核吸收光子向外释放电子的现象B.饱和光电流的强度与入射光的强度有关，且随入射光强度的增强而增强C.金属的逸出功与入射光的频率成正比D.用不可见光照射某金属，比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大〖答案〗B〖解析〗光电效应是原子吸收光子向外释放电子的现象，A错误；饱和光电流的强度随入射光强度的增强而增强，B正确；逸出功与金属本身的特点有关，与外界因素无关，C错误；由于不可见光的频率有的比可见光大，有的比可见光小，由光电效应方程Ek＝hν－W0知产生光电子的最大初动能无法比较，D错误。探究2光电效应方程和图像■情境导入用如图所示的装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑片，发现当电压表的示数大于或等于1.7V时，电流表示数为0。(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？(2)光电管阴极的逸出功又是多少？(3)当滑片向a端滑动时，光电流变大还是变小？(4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？〖答案〗(1)1.7eV1.7V(2)W0＝hν－Ek＝2.75eV－1.7eV＝1.05eV(3)变大(4)变大变大■归纳拓展1.三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止电压，即光电流刚好为0时的反向电压。(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。

2.四类图像图像名称图线形状读取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①截止频率(极限频率)：横轴截距②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：横轴截距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荷量的乘积，即h＝ke颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压Uc：横轴截距②饱和电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ekm＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2〖例2〗(多选)(2021·黑龙江铁人中学高二期末)如图是某金属在光的照射下逸出的光电子的最大初动能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E－hν0B.该金属的逸出功等于hν0C.入射光的频率为2ν0时，逸出的光电子的最大初动能为hν0D.当入射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍〖答案〗BC〖解析〗根据Ek＝hν－W0得金属的截止频率等于ν0，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，逸出功等于E，则E＝W0＝hν0，故B正确，A错误；根据Ek′＝2hν0－W0而E＝W0＝hν0，故Ek′＝hν0＝E，故C正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与入射光的频率是线性关系，不是成正比，所以若ν增大一倍，则光电子的最大初动能不是增大一倍，故D错误。〖例3〗(2021·广东深圳市高二月考)如图所示，甲图为演示光电效应的实验装置；乙图为a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线。下列说法正确的是()A.a、b、c三种光的频率各不相同B.b、c两种光的光强可能相同C.若b光为绿光，a光可能是紫光D.图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的读数可能增大〖答案〗D〖解析〗由光电效应方程及遏止电压与光的频率间的关系可得eUc＝Ek＝hν－W0，b、c两种光的遏止电压相同，故频率相同，a光的遏止电压较小，频率较低，A错误；光的频率不变时，最大光电流与光强成正比，对比乙图可知，b光较强，B错误；由以上分析可知，a光频率较低，若b光为绿光，a光不可能是紫光，C错误；图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，增大光电管两端电压，且为正向电压，电流表的读数可能增大，但不会超过饱和光电流，D正确。〖针对训练1〗(多选)(2021·江苏星海实验中学高二期中)图甲是研究光电效应的电路图，图乙是用a、b、c光照射光电管得到的I－U图线，Uc1、Uc2表示遏止电压，下列说法正确的是()A.在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流一直会增大B.a光的频率小于b光的频率C.光电子的能量只与入射光的强弱有关，而与入射光的频率无关D.c光照射光电管发出光电子最大的初动能一定小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能〖答案〗BD〖解析〗随着所加电压的增大，电流增大，当达到饱和电流后，再增大电压电流也不会增大，A错误；光电流恰为零，此时光电管两端加的电压为遏止电压，对应的光的频率为截止频率，根据eUc＝Ek＝hν－W0知，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大。a光、c光的遏止电压相等，所以a光、c光的频率相等，而b光的遏止电压大，则频率大，B正确；根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0，光电子的能量，即初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，C错误；根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0，c光的频率小于b光的频率，当照射同种材料发生光电效应时，c光照射光电管发出光电子的最大初动能一定小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能，D正确。探究3康普顿效应和光的波粒二象性1.光的散射：光在介质中与物质粒子相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射。2.康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。3.用光子说解释康普顿效应康普顿认为X射线的光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量，X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律，求解这些方程，可以得出散射光波长的变化量Δλ，理论结果与实验符合得很好。如图为X射线的光子与石墨中电子碰撞前后状态的示意图。4.光子的动量狭义相对论告诉我们，质量m和能量E有简单的对应关系：E＝mc2,一个光子的能量是hν，所以它的质量是m＝eq\f(hν,c2)，借用质子、电子等粒子动量的定义：动量＝质量×速度，可得光子的动量。5对光的波粒二象性的理解实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射和衍射(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)足够能量的光在传播时，表现出波的性质(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)少量或个别光子容易显示出光的粒子性(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〖例4〗康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量，如图给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿________(填“1”“2”或“3”)方向运动，并且波长________(填“不变”“变短”或“变长”)。〖答案〗1变长〖解析〗因为光子与电子碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前的方向一致，可见碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由E＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长。〖针对训练2〗(多选)关于光的波粒二象性，下列理解正确的是()A.高频光是粒子，低频光是波B.大量的光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性C.波粒二象性是光的属性，只是有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著D.光在传播时是波，而与物质发生相互作用时转变成粒子〖答案〗BC〖解析〗波粒二象性是光所具有的性质，在不同的情况下有不同的表现：大量的光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性；光在传播过程中通常表现为波动性，在与物质发生相互作用时通常表现为粒子性，故选项B、C正确。1.(光电效应现象及实验规律)(多选)在利用光电管装置研究光电效应的实验中，使用某一频率的光照射光电管阴极时，有光电流产生。下列说法正确的是()A.光电效应揭示了光的粒子性B.在光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光频率成正比C.保持入射光的频率不变，不断减小入射光的强度，遏止电压始终不变D.保持入射光的频率不变，增大入射光的强度，光电子的最大初动能一定变大〖答案〗AC〖解析〗光电效应说明光具有粒子性，故A正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0知，光电子的最大初动能与入射光的频率不是正比关系，故B错误；由光电效应方程Ek＝hν－W0及Ek＝eUc，可知入射光频率不变，光电子的最大初动能不变，对应的遏止电压不变，故C正确；由光电效应方程Ek＝hν－W0知，入射光的频率不变，则对应的光电子最大初动能保持不变，