人教版(新教材)高中物理选择性必修3学案：第2节 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节光电效应核心素养物理观念科学思维1.知道光电效应、光电子的概念。2.掌握光电效应的实验规律。3.知道光子说、光电效应方程及其意义。4.了解康普顿效应及其意义。5.了解光的波粒二象性。体会并感受科学家在面对光电效应问题和疑难时的创新精神。知识点一光电效应及其实验规律〖观图助学〗把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？引入光电效应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，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)存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，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。〖思考判断〗(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。(√)知识点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。〖思考判断〗(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。(√)知识点三康普顿效应和光的波粒二象性〖思考助学〗太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？〖提*示〗在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播。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，入射光子与晶体中电子碰撞时，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。〖思考判断〗(1)光子的动量与波长成反比。(√)(2)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。(×)(3)有些光子发生散射后，其波长变大。(√)(1)赫兹最早发现光电效应现象。(2)光电效应的实质：光现象eq\o(→,\s\up7(转化为))电现象。(3)定义中光包括不可见光和可见光。(4)使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线。光电子是金属表面受到光的照射时发射出来的电子，其本质是电子，光是光电效应的“因”光电子是“果”。光电效应发生的条件是：入射光的频率大于截止频率。光电流和饱和电流金属板逸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，这个饱和值叫饱和电流。遏止电压与光电子初速度的关系：由动能定理得出eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝eUc。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吸收了光子能量后发射出来的电子，其本质是电子。光电子的动能与光电子的最大初动能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，剩余能量为光电子的初动能；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。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。爱因斯坦提出了光子说，成功地解释了光电效应现象，康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。波长较短的X射线或γ射线与物质微粒相互作用时产生的康普顿效应较明显。在光的散射中，光子与其他粒子作用过程中遵循动量守恒定律与能量守恒定律。核心要点光电效应现象及其实验规律〖观察探究〗如图甲是研究光电效应现象的装置图，图乙是研究光电效应的电路图，请结合装置图及产生的现象回答下列问题：(1)在甲图中发现，利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？(2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？(3)在乙图中若加反向电压，当光强增大时，遏止电压(使光电流减小到0的反向电压)不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？(4)光电效应实验表明，发射电子的能量与入射光的强度无关，而与光的频率有关，试用光子说分析其原因。〖答案〗(1)金属能否发生光电效应，决定于入射光的频率，与入射光的强度无关。(2)发生光电效应时，当入射光频率不变时，单位时间飞出的光电子个数只与光的强度有关。(3)光电子的能量与入射光频率有关，与光的强度无关。(4)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且传递能量的过程只能是一个光子对应一个电子的行为。如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚，就不能发生光电效应。而当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在。〖探究归纳〗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，在光的颜色不变的情况下，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。〖试题案例〗〖例1〗(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，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()A.保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和电流变大B.入射光的频率变高，饱和电流变大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〗保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子变多，饱和电流变大，A正确；据爱因斯坦光电效应方程hν＝eq\f(1,2)mv2＋W0可知，入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和电流不变，B错误，C正确；当hν<W0时没有光电流产生，D错误。〖答案〗AC〖针对训练1〗(多选)用某种色光照射到金属表面时，金属表面有光电子飞出，如果光的强度减弱而频率不变，则()A.光的强度减弱到某一最低数值时，仍有光电子飞出B.光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光电子飞出C.单位时间内飞出的光电子数目减少D.单位时间内飞出的光电子数目不变〖解析〗发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，若入射光的频率不变，仍然能发生光电效应，故A正确，B错误；光的强弱只影响单位时间内发出光电子的数目，光的强度减弱，则单位时间内飞出的光电子数目减少，故C正确，D错误。〖答案〗AC核心要点光电效应方程的理解和应用〖问题探究〗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－eq\f(1,2)mv2＝2.75eV－1.7eV＝1.05eV(3)变大(4)变大变大〖探究归纳〗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〖试题案例〗〖例2〗(2019·北京卷，19)光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。组次入射光子的能量/eV相对光强光电流大小/mA逸出光电子的最大动能/eV第一组1234.04.04.0弱中强2943600.90.90.9第二组4566.06.06.0弱中强2740552.92.92.9由表中数据得出的论断中不正确的是()A.两组实验采用了不同频率的入射光B.两组实验所用的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0eV，逸出光电子的最大动能为1.9eVD.若入射光子的能量为5.0eV，相对光强越强，光电流越大〖解析〗由题表格中数据可知，两组实验所用的入射光的能量不同，由公式E＝hν可知，两组实验中所用的入射光的频率不同，故A正确；设金属的逸出功为W0，由爱因斯坦质能方程Ek＝hν－W0可得，第一组实验：0.9eV＝4.0eV－W01，第二组实验：2.9eV＝6.0eV－W02，解得，W01＝W02＝3.1eV，即两种材料的逸出功相同，故材料相同，故B错误；由爱因斯坦质能方程Ek＝hν－W0可得Ek＝(5.0－3.1)eV＝1.9eV，故C正确；由题表格中数据可知，入射光能量相同时，相对光强越强，光电流越大，故D正确。〖答案〗B〖例3〗用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a，0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)，下列说法中正确的是()A.普朗克常量为h＝eq\f(a,b)B.断开开关S后，电流表G的示数不为零C.仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大D.保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变〖解析〗由hν＝W0＋Ek，变形得Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h＝eq\f(b,a)，故A错误；断开开关S后，初动能大的光电子，也可能达到阳极，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么单位时间内的光子数一定减少，发出的光电子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。〖答案〗B〖针对训练2〗(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－W0，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＝W0，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W0＝E，故选项A正确，C、D错误。〖答案〗AB核心要点对康普顿效应的理解〖要点归纳〗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.经典物理的理论无法解释康普顿效应按照经典物理的理论，由于光是电磁振动的传播，入射光将引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率。因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不会出现λ>λ0的散射光。4.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。5.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。温馨〖提*示〗光子的静质量为零，这里所说光子质量是光子的相对质量。p＝mc＝eq\f(hν,c2)·c＝eq\f(hν,c)＝eq\f(h,λ)。在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小。由p＝eq\f(h,λ)知动量减小意味着波长变大。〖试题案例〗〖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”)。〖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。〖答案〗1变长〖针对训练3〗A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB。求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功。〖解析〗光子能量ε＝hν，动量p＝eq\f(h,λ)，且ν＝eq\f(c,λ)，得p＝eq\f(ε,c)，则pA∶pB＝2∶1。A照射时，光电子的最大初动能EA＝εA－W0。同理，EB＝εB－W0，解得W0＝EA－2EB。〖答案〗2∶1EA－2EB核心要点光的波粒二象性〖要点归纳〗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(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〖试题案例〗〖例5〗(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〖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。〖答案〗BC〖针对训练4〗关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是()A.光子说完全否定了波动说B.光的波粒二象性是指光和经典的波与粒子很相似C.光的波动说和光子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有不能解释的实验现象D.光的波粒二象性是指光要么具有波动性，要么具有粒子性，而不是同时具有波动性和粒子性〖解析〗光子说的确立，没有完全否定了波动说，使人们对光的本性认识更完善，光既具有波动性，又同时具有粒子性，光具有波粒二象性，故A、D错误；光的波粒二象性，与宏观概念中的波不同，与微观概念中的粒子也不相同，故B错误；波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象，故C正确。〖答案〗C1.(对光电效应现象的理解)(多选)如图所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是()A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B.用红光照射锌板，验电器指针一定会发生偏转C.锌板带的是负电荷D.使验电器指针发生偏转的是正电荷〖解析〗将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯可以发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电。这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A、D正确，C错误；红光的频率低于紫外线的频率，不一定能使锌板发生光电效应，B错误。〖答案〗AD2.(光电效应的实验及规律)入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么()A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能将减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应〖解析〗发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误；入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少，频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误；入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样