粤教版 (2019)选择性必修 第三册第一节 光电效应导学案

这是一份粤教版 (2019)选择性必修 第三册第一节 光电效应导学案，共8页。
[学习目标] 1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律.2.知道光电效应与经典电磁理论的矛盾．
一、光电效应
1．定义：金属在光的照射下发射电子的现象．
2．光电子：光电效应中发射出来的电子．
3．光电流：光电管中阴极发射的光电子受到正向电压U加速，被阳极收集，在回路中形成的电流．
二、光电效应的实验规律
1．存在饱和电流
在光照条件不变的情况下，光电流的大小随着正向电压的增大而增大，当正向电压增加到一定值时，光电流达到饱和．饱和电流的大小与入射光的强度成正比．
2．存在截止频率
对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流，这个频率称为截止频率．
3．存在遏止电压
(1)光电管两极上加反向电压，反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，这个电压称为遏止电压，符号：Uc.
(2)遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关.
一、光电效应
导学探究
(1)用紫外线照射锌片，锌片为什么会带电？带正电还是带负电？
(2)光电管如何把光信号转换为电信号？
答案 (1)锌片在紫外线照射下发射电子，从而使锌片失去电子带正电．
(2)光电管阴极表面在光的照射下发射出电子，在正向电压加速下被阳极收集，在回路中形成电流，光电管就把光信号转变成电信号了．
知识深化
1．电子吸收光的能量从金属中射出称为光电子，光电子的本质是电子．
2．本来呈中性的金属板因为射出电子而带正电．
3．射出的光电子在正向电压的加速下形成光电流．
在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度 ，如图1所示，这时( )
图1
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带正电，指针带正电
C．锌板带负电，指针带正电
D．锌板带负电，指针带负电
答案 B
解析 锌板原来不带电，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在弧光灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针也带正电，故选B.
二、光电效应的实验规律
导学探究
图2是研究光电效应的电路图．
图2
(1)闭合开关后，将滑动变阻器滑片移到最左端，电压表的示数为0，电流表的示数不是0，说明了什么？
(2)闭合开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，会观察到什么现象？说明了什么？
(3)若将电源的正负极对调，闭合开关，滑动变阻器的滑片向右移动时，又会观察到什么现象？说明了什么？
答案 (1)说明发生了光电效应现象．
(2)电压表、电流表的示数均增大，当电流增大到一定值后，滑动变阻器的滑片再向右移动，电流也不再增大．说明存在饱和电流．
(3)电压表示数增大，电流表示数减小，最后电流表的示数可能减小到0.说明存在遏止电压．
知识深化
1．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应．
(2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大．
(3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比．
(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9 s.
2．光电效应实验相关概念的理解
(1)饱和电流
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，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只与入射光的强度有关．入射光越强，饱和电流越大．即：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．
(2)截止频率
能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的截止频率．
(3)遏止电压
遏止电压与入射光的频率有关．入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏止电压改变．这表明光电子的能量只与入射光的频率有关．
3．光电效应与经典电磁理论的矛盾
按光的电磁理论，应有：
(1)不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电子．
(2)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关．
(2021·安徽蚌埠市模拟)图3为研究光电效应的电路图，测得遏止电压为Uc，已知电子的电荷量为e，则下列说法正确的是( )
图3
A．光电子的最大初动能为eUc
B．测量遏止电压时，开关S应与b连接
C．光电管两端电压为零时，光电流也为零
D．开关S接b，调节滑动变阻器，电压表示数增大时，电流表示数一定增大
答案 A
解析 当光电管两端电压达到遏止电压Uc时 ，从阴极K射出的具有最大初动能Ekm的光电子恰好不能到达阳极，根据动能定理有0－Ekm＝－eUc，解得Ekm＝eUc，故A正确；测量遏止电压时，应使光电管阴极与电源正极相连，阳极与电源负极相连，故开关S应与a连接，故B错误；光电管两端电压为零时，若光电子能够到达阳极，则光电流就不为零，故C错误；开关S接b，调节滑动变阻器，电压表示数增大时，若此时光电流已经达到饱和值，则电流表示数不再增大，故D错误．
(多选)如图4所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的截止频率为4.5×1014Hz，则以下判断正确的是(光在真空中的传播速度c＝3×108 m/s)( )
图4
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．用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生
D．光照射时间越长，电路中的光电流越大
答案 BC
解析 在光电管中若发生了光电效应，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，而单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，故光电流的饱和值只与入射光的强度有关，据此可判断A、D错误，B正确；波长λ＝0.5 μm的光子的频率ν＝eq \f(c,λ)＝eq \f(3×108,0.5×10－6)Hz＝6×1014 Hz>4.5×1014Hz，用此光照射光电管时可发生光电效应，电路中有光电流产生，所以C正确．
考点一 光电效应现象
1．(多选)如图1所示，在演示光电效应的实验中，原来带正电的一块锌板与验电器相连，验电器的指针张开一个角度，用弧光灯照射锌板时，会发生光电效应，这时( )
图1
A．验电器指针张角变小
B．验电器指针张角变大
C．若用黄光照射锌板，则可能不发生光电效应现象
D．若用红光照射锌板，则锌板一定能发射光电子
答案 BC
解析 锌板带正电，验电器由于带正电，张开一个角度，锌板在紫外线照射下，发生光电效应，有光电子飞出，验电器指针张角变大，故B正确，A错误；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不发生光电效应，C正确，D错误．
2.如图2所示为光电管电路的示意图，在光电管电路中，下列说法错误的是( )
图2
A．能够把光信号转变为电信号
B．电路中的电流是由光电子的运动形成的
C．光照射到光电管的A极产生光电子并飞向K极
D．光照射到光电管的K极产生光电子并飞向A极
答案 C
解析 在光电管中，当光照射到阴极K时，发射出光电子，被A极的正向电压吸引而飞向A极，形成光电流，使电路导通，实现光电转换．
3．(2020·东北师大附中高二月考)下列关于光电效应现象的叙述中错误的是( )
A．光电效应是指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
B．光电效应存在截止频率
C．照射光光强太小时不可能发生光电效应
D．光电效应几乎是瞬时发生的
答案 C
解析 光电效应是指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，选项A正确；光电效应存在截止频率，当入射光的频率大于截止频率时才能发生光电效应，选项B正确；能否发生光电效应与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，选项C错误；光电效应几乎是瞬时发生的，不需要时间积累，选项D正确．
考点二 光电效应现象的实验规律
4．(多选)光电效应现象的规律中，经典电磁理论不能解释的有( )
A．入射光的频率必须大于被照金属的截止频率时才发生光电效应
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．入射光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的
D．当入射光频率大于截止频率时，光电子数目与入射光的强度成正比
答案 ABC
5．(2020·哈尔滨市第三十二中学高二期中)在研究光电效应实验时，如果绿光刚好可以使金属发生光电效应，那么换成黄光时( )
A．一定能发生光电效应
B．只要时间足够长就会发生光电效应
C．能否发生光电效应取决于照射黄光的强度
D．不能发生光电效应
答案 D
解析 因为绿光刚好可以使金属发生光电效应，说明该金属的截止频率等于绿光的频率．黄光的频率比绿光低，即小于金属的截止频率，因此无法产生光电效应，故A错误，D正确；发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，与入射光的强度无关，与光照时间也无关，故B、C错误．
6.利用光电管研究光电效应的实验电路如图3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( )
图3
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，当滑动变阻器的滑动触头P移到A端时，电流表中一定无电流通过
D．用频率为ν的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑动触头P向B端滑动时，电流表示数可能不变
答案 D
解析 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错误；因不知阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，也可能发生光电效应，可能有电流通过，选项B错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，选项C错误；当滑动触头P向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流；若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，选项D正确．
7.(多选)(2020·平顶山市第一中学高二开学考试)如图4所示是一个研究光电效应的电路图，下列叙述中正确的是( )
图4
A．保持光照条件不变，滑片P向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大
B．只调换电源的极性，移动滑片P，当电流表示数为零时，电压表示数为遏止电压Uc的数值
C．阴极K需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流
D．不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数会增大
答案 BD
解析 当其他条件不变，滑片P向右滑动，加在光电管两端的电压增加，光电子运动更快，电流表示数变大，若电流达到饱和电流，则电流表示数不再继续增大，故A错误；只调换电源的极性，移动滑片P，电场力对电子做负功，当电流表示数为零时，则有eUc＝eq \f(1,2)mvc2.那么电压表示数为遏止电压Uc的数值，故B正确；因为光电效应的发生是瞬时的，故阴极K不需要预热，故C错误；只增大入射光束强度时，单位时间内产生的光电子数变多，电流表示数变大，故D正确．
8．(2021·合肥市第六中学高二期中)在研究“光电效应”现象时，有如图5甲、乙所示的两种电路连接方式．试回答下列问题：
图5
(1)通过图________(选填“甲”或“乙”)所示的电路进行研究，可以得出光电子的最大初动能只与照射光的频率有关，而与照射光的强弱无关的结论；通过图________(选填“甲”或“乙”)所示的电路进行研究，可以得出照射光的强度大小决定了逸出光电子数目多少的结论．
(2)某次实验时，先用图甲所示电路研究，调节滑动变阻器，发现当电压表示数大于或等于1.5 V时，电流表示数为零，再用图乙所示电路研究，则当电压表示数为3 V时，电子到达阳极时的最大动能为________ eV.
答案 (1)甲 乙 (2)4.5
解析 (1)题图甲的电压加在光电管上是反向电压，光电子飞出后做减速运动，增大电压让电流表刚好无电流时对应为遏止电压，可用来研究光电子的最大初动能的大小，可以得出光电子的最大初动能只与照射光的频率有关，而与照射光的强弱无关的结论．
题图乙的电压加在光电管上是正向电压，让尽量多的光电子能加速参与导电，形成光电流，利用饱和光电流的大小反映入射光的光强，可以得出照射光的强度大小决定了逸出光电子数目多少的结论．
(2)由题图甲可知遏止电压为1.5 V，则有－eUc＝0－Ekm
可得最大初动能为Ekm＝eUc＝1.5 eV
题图乙中的电压让所有光电子加速，由动能定理有eU1＝Ek1－Ekm
则到达阳极的最大动能为Ek1＝eU1＋Ekm＝3 eV＋1.5 eV＝4.5 eV.