【导学练】高中物理鲁科版(2019)选择性必修3：6.1 光电效应及其解释学案

第1节光电效应及其解释[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道光电效应及其规律，理解光子说及爱因斯坦光电效应方程，了解光的波粒二象性，光是概率波。科学思维理解光电效应实验规律，能用爱因斯坦光子理论对光电效应的实验规律进行解释。科学探究通过对光电效应规律的探究，揭示实验规律，学会与他人合作交流，提高实验能力。科学态度与责任学会解释光电效应的规律，实事求是，理解能量子、光子，培养探究科学的兴趣。知识点一光电效应1．光电效应现象在光的照射下电子从物体表面逸出的现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子称为光电子。2．光电效应实验规律(1)当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，这一频率称为极限频率。只有当入射光的频率大于或等于这个极限频率时，才会产生光电效应。(2)从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间很短，通常在10－9s内。(3)产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而增大，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到饱和值，即为饱和电流。在光频率不变时，入射光越强，单位时间内逸出的电子数也越多，饱和电流越大。(4)如果施加反向电压，当反向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称为遏止电压，用Uc表示。则Uc与光电子最大初动能满足的关系为eUc＝eq\f(1,2)mveq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(m))。说明：不同金属的极限频率一般不同。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)光电效应实验中光照时间越长光电流越大。 (×)(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关。 (√)(3)从光照射到金属表面至产生光电效应的时间很长。 (×)2：填空遏止电压与光电子最大初动能关系式满足eUc＝eq\f(1,2)mveq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(m))。知识点二光电效应的解释与应用光的波粒二象性1．光电效应的解释(1)光子说：看似连续的光实际上是由数量有限、分立的光子组成，一个光子的能量为hν。(2)爱因斯坦光电效应方程①表达式：hν＝W＋eq\f(1,2)mv2。②各物理量的意义：hν表示一个光子的能量，W表示金属的逸出功，eq\f(1,2)mv2表示电子离开金属表面的最大初动能。2．光电效应的应用(1)光电开关。(2)光电成像。3．光的波粒二象性(1)光具有波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征。(2)光波是一种概率波。(3)光的波动性和粒子性不是均衡表现的，有时波动性表现得比较明显，有时粒子性表现得比较明显。说明：①光越强，包含的光子数越多，照射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，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比；③单位时间内发射出来的电子数由光强决定。3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)爱因斯坦发展了普朗克的能量不连续思想，提出了光量子的概念。 (√)(2)光子通过狭缝后落在亮纹处的概率较小。 (×)(3)光电效应在自动化控制和光电成像等领域有着广泛的应用。 (√)(4)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。 (√)考点1对光电效应现象的理解一验电器与锌板相连，如图所示，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角。试探究：(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将怎样变化？(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如何偏转？提示：(1)偏角减小。(2)指针不偏转。1．认识几个概念(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；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每个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射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光子能量与入射光子数的乘积。(4)光电流与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，这个饱和值就是饱和光电流，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不是简单的正比关系。2．光电效应与经典电磁理论的矛盾(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。(2)矛盾之二：存在截止频率按照光的经典电磁理论，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。而实验表明：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)矛盾之三：具有瞬时性按照光的经典电磁理论，如果光很弱，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。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时发生的。【典例1】利用光电管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，电流表一定有电流通过B．用红光照射，电流表一定无电流通过C．用红外线照射，电流表一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过思路点拨：(1)紫外线照射，可以发生光电效应。(2)因不知阴极K的截止频率，用可见光、红外线照射时，不能确定能否发生光电效应。A[因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A正确；因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，不能确定是否发生光电效应，选项B、C错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，选项D错误。]【一题多变】在典例1中，若将电路中的电源正负极对调，其他条件不变。则电路中是否还有电流？若有电流，将滑动触头左右移动，电流表示数如何变化？【提示】电路中不一定有电流。若将触头向A端移动，则电流可能逐渐增大，向B端移动电流可能逐渐减小。关于光电效应的两点提醒(1)发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的极限频率，即ν＞νc，或光子的能量ε＞W0。(2)光电子的最大初动能只与照射光的频率及金属的逸出功有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少。eq\a\vs4\al([跟进训练])1．(多选)对光电效应的理解正确的是()A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属B．在光电效应中，一个电子只能吸收一个光子C．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大BC[按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小。综上所述，选项B、C正确。]考点2对光电效应方程的理解与应用深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道，如图所示是一个航标灯自动控制电路的示意图。电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属。下表反映的是各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长，又知可见光的波长在400～770nm(1nm＝10－9m)。各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长：金属铯锌银铂极限频率(Hz)4.545×10148.065×10141.153×10151.529×1015极限波长(μm)0.66000.37200.26000.1962试探究：(1)光电管阴极K上应涂有哪种金属？(2)控制电路中的开关S应接触“a”还是“b”？提示：(1)因为可见光的波长只小于铯的极限波长，所以光电管阴极K上应涂有金属铯。(2)夜晚没有光，不能发生光电效应，但是指示灯亮，知开关S与b端相连。1．对光电效应方程Ek＝hν－W0的理解(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：能量为E＝hν的光子被电子所吸收，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。如果克服吸引力做功最少为W0，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－W0。(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件：若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν＞W0，ν＞eq\f(W0,h)＝νc，而νc＝eq\f(W0,h)恰好是光电效应的截止频率。(4)Ekm­ν图线：如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化图线。这里，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；斜率为普朗克常量。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：光越强→光子数目越多→发射光电子越多→光电流越大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。角度一光电效应图像【典例2】在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是()A．色光乙的频率小、光强大B．色光乙的频率大、光强大C．若色光乙的强度减为原来的一半，无论电压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小D．若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流思路点拨：(1)遏止电压大，所对应的色光频率大，光子能量大。(2)饱和光电流越大，说明光越强。D[由题中图像可得用色光乙照射光电管时遏止电压大，使其逸出的光电子最大初动能大，所以色光乙的频率大，光子的能量大。由题中图像可知，色光甲的饱和光电流大于色光乙的饱和光电流，故色光甲的光强大于色光乙的光强，A、B错误；如果使色光乙的强度减半，则只是色光乙的饱和光电流减半，在特定的电压下，色光乙产生的光电流不一定比色光甲产生的光电流小，C错误；因色光乙的频率大于色光甲的，故另一个光电管加一定的正向电压，如果色光甲能使该光电管产生光电流，则色光乙一定能使该光电管产生光电流，D正确。]角度二光电效应方程【典例3】现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3。当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，产生的光电子最大初动能为Ek，若改用b光束照射该金属板，产生的光电子最大初动能为eq\f(1,3)Ek，当改用c光束照射该金属板时()A．能发生光电效应，产生的光电子最大初动能为eq\f(1,6)EkB．能发生光电效应，产生的光电子最大初动能为eq\f(1,9)EkC．能发生光电效应，产生的光电子最大初动能为eq\f(1,12)EkD．由于c光束光子能量较小，该金属板不会发生光电效应B[a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3，因为光子频率ν＝eq\f(c,λ)，知光子频率之比为6∶3∶2。设a光的频率为6ν0，b光的频率为3ν0，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0得Ek＝h·6ν0－W0，eq\f(1,3)Ek＝h·3ν0－W0，联立解得W0＝eq\f(3,2)hν0，Ek＝eq\f(9,2)hν0，c光的频率为2ν0，2hν0>W0，能发生光电效应，对应有最大初动能E′k＝h·2ν0－W0＝eq\f(1,2)hν0＝eq\f(1,9)Ek，故B正确，A、C、D错误。]eq\a\vs4\al([跟进训练])2．爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，其中νc为极限频率。从图中可以确定的是()A．逸出功与ν有关B．Ekm与入射光强度成正比C．当ν<νc时，会逸出光电子D．图中直线的斜率与普朗克常量有关D[金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错误；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错误；只有ν>νc时才会发生光电效应，C错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和W0＝hνc(W0为金属的逸出功)可得，Ek＝hν－hνc，可见图像的斜率表示普朗克常量，D正确。]3．(2018·全国卷Ⅱ)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J。已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A．1×1014Hz B．8×1014HzC．2×1015Hz D．8×1015HzB[根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0＝heq\f(c,λ)－hν0，代入数据解得ν0≈8×1014Hz，B正确。]考点3光的波粒二象性用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现甲、乙、丙的图像甲乙丙试说明甲图表示什么？丙图表示什么？提示：粒子性，波动性。1．光的波动性(1)惠更斯认为光是某种振动，以波的形式向周围传播。(2)托马斯·杨用光的波动理论解释了光的干涉现象，并成功地通过实验实现了两束光的干涉，为光的波动理论提供了实验证据。(3)菲涅耳发展了光的波动理论，定量计算了光通过狭窄物体和小缝隙所产生的衍射光强分布，结论与实验结果一致。(4)麦克斯韦认为光是一种电磁波。2．光的粒子性(1)爱因斯坦提出了光子说，认为光是由一份一份光子组成的，光子的能量与光的频率有关，并成功地解释了光电效应现象。(2)康普顿研究了X射线通过石墨等较轻物质产生的散射现象，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分，这种现象称为康普顿效应。康普顿通过康普顿效应及其解释进一步说明了光具有粒子性。3．光的波粒二象性光的波动性或光的粒子性都只能解释光的部分现象，单独应用时均不能解释光的所有现象。事实上，光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性。4．光波是一种概率波玻恩用概率波很好地解释了光的波粒二象性。光波是一种概率波，光子出现在哪个位置，受概率支配。单个光子出现在哪个位置是随机的，因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时，概率大的位置出现的光子多，形成亮条纹；概率小的位置出现的光子少，形成暗条纹，表现出空间分布的规律性。5．光的波动性和粒子性表现得不均衡当光的波长较长时，光子的能量和动量很小，个别光子难以显示出可观测效应，人们观察到的是大量光子的集体行为，因此光的波长较长时，波动性比较明显。光在与电子等物质相互作用时，更多地表现为粒子性，在传播过程中更多地表现为波动性。【典例4】(多选)下面关于光的波粒二象性的说法正确的是()A．光电效应现象说明光具有波粒二象性B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性BC[光电效应现象说明光具有粒子性，选项A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，选项B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，选项C正确；光的波粒二象性是指光既具有波动性，又具有粒子性，二者是统一的，选项D错误。]分析判断有关光的本性的问题时，关键是抓住光的波粒二象性。(1)光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表现不同。(2)粒子的含义是“不连续”的、“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量。光具有粒子性的有力证据是光电效应和康普顿效应。(3)光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，而是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述。光具有波动性的有力证据是光的干涉和衍射实验。(4)只有从波粒二象性的角度出发，才能统一说明光的各种行为。eq\a\vs4\al([跟进训练])4．(多选)下列对光的认识正确的是()A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性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．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显ABD[个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用时，表现为粒子性，光在传播过程中，表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，故正确选项有A、B、D。]1．(多选)光电效应实验的装置如图所示，则下列说法正确的是()A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转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AD[锌板连接验电器，在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，则验电器也带正电并且指针发生偏转，故A、D正确，C错误；红色光不能使锌板发生光电效应，B错误。]2．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中()A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，动量守恒，且λ<λ′D．能量守恒，动量守恒，且λ>λ′C[光子与电子的碰撞过程中，系统不受外力，也没有能量损失，故系统动量守恒，系统能量也守恒。光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据E＝hν，光子的频率减小，根据λ＝eq\f(c,ν)知波长变长，即λ<λ′。故C正确。]3．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B[在光电管中若发生了光电效应，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。]4．人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34J·s，光速为3.0×108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A．2.3×10－18W B．3.8×10－19WC．7.0×10－10W D．1.2×10－18WA[因为每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，所以察觉到绿光所接收的最小功率P＝eq\f(E,t)，式中E＝6ε，又ε＝hν＝heq\f(c,λ)，可解得P＝6×eq\f(6.63×10－34×3×108,530×10－9)W