高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应导学案

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第2节光电效应课标解读课标要求素养要求1.通过实验，了解光电效应现象及其实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾。2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。3.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量。4.理解光的波粒二象性及其对立统一的关系，会用光的波粒二象性分析有关现象。1.物理观念:知道光电效应康普顿效应、光子的概念以及光电效应的规律，能解释相关现象，树立粒子性观念。2.科学思维:掌握光电效应的实验规律并能应用爱因斯坦光电效应方程解释相关规律，提高分析问题、解决问题的能力。3.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，培养探究意识，提高实验能力。4.科学态度与责任：培养实事求是的科学态度和精神。自主学习·必备知识教材研习教材原句要点一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时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。称为截止频率或极限频率。实验表明，不同金属的截止频率①不同。（2）存在饱和电流：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流②越大。（3）存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压③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。实验表明，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。要点二逸出功要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功④，用表示。不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。自主思考①在研究光电效应实验中，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？答案：提示说明存在截止频率，金属能否发生光电效应，取决于入射光的频率，与入射光的强度无关。②发生光电效应时，电路中饱和电流的大小取决于入射光的强度，这种说法对吗？答案：提示对，在发生光电效应的条件下，入射光强度越大，饱和光电流越大。③用光照射光电管且能产生光电效应，如果给光电管加上反向电压，光电管中就没有电流了吗?答案：提示由于光电子具有一定的初速度，当所加的电压较小时，光电管中仍然有电流，当电压大于等于遏止电压时，电路中无电流。④同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大吗？答案：提示同一频率的光照射到不同金属上时，因各种金属的逸出功不相同，产生的光电子的最大初动能也不相同，逸出功越小，电子摆脱金属的束缚也越容易，电子脱离金属表面时的初动能越大。名师点睛对光电效应规律的理解（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。只有当时，才有光电子逸出。（2）电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间。（3）对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。互动探究·关键能力见学用162页探究点一光电效应及其实验规律情境探究1.如图是研究光电效应的电路，阴极和阳极是密封在真空玻璃管中的两个电极，用铯做成，阴极在受到光照时能够发射光电子。电源加在和之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调。完成以下探究。（1）保持、间电压一定，在光的频率不变的情况下，改变入射光的强度，光电流大小怎样变化？（2）保持、间电压一定，再将光的强度保持不变，更换滤光片以改变入射光的频率，使光按蓝光→绿光→红光变化，会发现在蓝光、绿光照射下有光电流，红光照射下却没有光电流，这说明什么？（3）在蓝光的照射下，在、间加反向电压，逐渐增大电压，直至电流为0。改变蓝光入射的强度，重复上述操作记录下遏止电压的值；然后维持光照强度不变，改变入射光频率，先采用蓝光为入射光，再换用绿光，记录下各个遏止电压，会发现什么规律？（4）遏止电压不同反映了什么？答案：（1）提示入射光越强，光电流越大，说明入射光单位时间内发射的光子数多，光电子个数只与光的强度有关。（2）提示在蓝光、绿光照射下有光电流，红光则没有，说明入射光的频率低于某一频率时将不能产生光电效应，即金属能否发生光电效应，取决于入射光的频率。（3）提示用蓝光照射，不管光强如何，遏止电压相等；由蓝光换成绿光，遏止电压减小，说明遏止电压与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关。（4）提示遏止电压的大小对应着光电子的最大初动能，其关系为。遏止电压不同说明光电子最大能量只与入射光频率有关。探究归纳1.光电效应中的几组概念的理解两组对比概念说明光子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，光电子是果光电子的初动能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光子的能量入射光的强度光子的能量即每个光子的能量，其值为为光子的频率)，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照射到金属表面单位面积上内光子能量与入射光子数的乘积光电流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，光电流增大，但光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流，在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关光的强度饱和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，饱和电流与入射光强度之间没有简单的正比关系2.光电效应的实验规律（1）发生光电效应时，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）光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大，但最大初动能与频率不成正比。（3）每一种金属都有一个截止频率（或极限频率），入射光的频率必须大于才能发生光电效应。频率低于的入射光，无论光的强度有多大，照射时间有多长，都不能发生光电效应。不同金属的截止频率不同。（4）光电效应具有瞬时性。3.光电效应与经典电磁理论的矛盾项目经典电磁理论光电效应实验结果矛盾1按照光的经典电磁理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够强，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不会发生光电效应矛盾2光越强，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，所以遏止电压与光强有关遏止电压与光强无关，与频率有关矛盾3光越强时，电子能量积累的时间就短，光越弱时，能量积累的时间就长当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎在一开始就产生了光电子探究应用例（多选）如图所示为研究光电效应规律的实验电路，电源的两个电极分别与接线柱、连接。用一定频率的单色光照射光电管时，灵敏电流计的指针会发生偏转，而且另一频率的单色光照射该光电管时，灵敏电流计的指针不偏转。下列说法正确的是(      )A.光的频率一定大于光的频率B.源正极可能与接线柱连接C.用光照射光电管时，一定没有发生光电效应D.若灵敏电流计的指针发生偏转，则电流方向一定是由答案： ; ; 解析：电源的接法不知道，可能为负向电压，即电源的正极与接线柱连接，对光电子做负功，单色光照射光电管能够使灵敏电流计偏转，说明光电子的动能大，光的频率大；光照射光电管不能使灵敏电流计偏转，可能发生了光电效应，只不过是产生的光电子动能小，无法到达阳极，即光的频率小，故、两项正确，项错误；电流的方向与负电荷定向移动的方向相反，若灵敏电流计的指针发生偏转，则电流方向一定是由，故项正确。解题感悟光电效应实验规律的理解要点（1）实验中电流计不偏转可能是没发生光电效应，也可能发生了光电效应但光电流为零。（2）增大光的强度不会改变最大初动能，只能增加光电子数。（3）根据电子的移动方向可明确电流的方向，注意电流的方向与电子的定向移动方向相反。迁移应用1.（2021甘肃金昌一中高三月考）如图所示为用光电管研究光电效应实验的电路图，现用频率为的光照射阴极，电流表中有电流通过，电路中的滑动变阻器的滑动触头为。下列说法正确的是(      )A.当移动到端时，电流表中一定无电流通过B.向端滑动的过程，电流表示数可能不变C.改用频率小于的光照射，电流表中一定有电流通过D.改用频率大于的光照射，电流表中可能无电流通过答案：解析：当移动到端时，由光电效应，仍然有光电流产生，电流表中仍有电流通过，项错误；滑动触头向端滑动的过程，阳极吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的所有光电子都能到达阳极时，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，则向端滑动的过程中，电流表示数不变，项正确；因为不知道阴极的截止频率，所以改用频率小于的光照射时，不一定能发生光电效应，电流表中不一定有电流通过，项错误；改用频率大于的光照射时，依然能够发生光电效应，电流表中一定有电流通过，项错误。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，所得的光电流与光电管两端所加电压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答案：解析：由题中图像可得用色光乙照射光电管时遏止电压大，所以色光乙的频率大。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，、项错误；如果使色光乙的强度减半，则只是色光乙的饱和光电流减小，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，项错误；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，项正确。探究点二光电效应方程的理解和应用情境探究1.用如图所示的装置研究光电效应现象，某同学用光子能量为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动触头，发现当电压表的示数大于或等于时，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？光电管阴极的逸出功又是多少？（2）当滑动触头向端滑动时，光电流怎样变化？（3）当入射光的频率增大时，光电子的最大初动能如何变化？遏止电压如何变化？（4）爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能与入射光的频率ν的关系，但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压，怎样得到与、的关系？答案：（1）提示遏止电压就是使光电流减小到0的反向电压，即；光电子的最大初动能；根据爱因斯坦的光电效应方程可得。（2）提示当滑动触头向端滑动时，反向电压减小，光电流变大。（3）提示根据爱因斯坦的光电效应方程，变大，变大；又根据，遏止电压变大。（4）提示遏止电压与最大初动能的关系式：，光电效应方程。将以上两个方程整理得。探究归纳1.光电效应方程的理解（1）方程中的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。能量为的光子被电子吸收，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，则电子离开金属表面时动能最大为，根据能量守恒定律可知：。（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，亦即，，而恰好是光电效应的截止频率。2.光电效应几种图像的对比图像名称图线形状由图线直接（间接）得到的物理量最大初动能与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标②逸出功：图线与轴交点的纵坐标的绝对值 ③普朗克常量：图线的斜率颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压：图线与横轴的交点②饱和电流：电流的最大值③最大初动能：颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压、②饱和电流③最大初动能，遏止电压与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与横轴的交点②遏止电压：随入射光频率的增大而增大③普朗克常量：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即（注：此时两极之间接反向电压）3.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→发射光电子多→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。探究应用例（多选）（2021江苏盐城中学高三月考）利用如图所示的电路研究光电效应现象，其中电极由某种金属制成，其逸出功为，用某一频率的光照射时，逸出光电子的最大初动能为，电流表的示数为。已知普朗克常量约为，下列说法正确的是(      )A.该金属发生光电效应的极限频率约为B.若入射光频率减半，将不发生光电效应现象C.若入射光频率加倍，电流表的示数变为D.若入射光频率加倍，遏止电压的大小将变为答案： ; 解析：根据得该金属发生光电效应的极限频率约为，故项正确；由光电效应方程可得，若入射光频率减半即，小于该金属发生光电效应的极限频率，则不能发生光电效应，故项正确；在能发生光电效应的前提下，电流表的示数与光电管的电压和入射光的强度有关，与入射光的频率无关，故项错误；频率加倍前，入射光的能量，频率加倍后，入射光能量为，最大初动能为，根据，可知遏止电压的大小为，故项错误。迁移应用1.（多选）（2021四川内江六中高三开学考试）用图甲所示的装置研究光电效应，闭合开关，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与入射光频率的关系图像，图线与横轴的交点坐标为，与纵轴的交点坐标为。下列说法正确的是(      )A.该光电管阴极的极限频率为B.普朗克常量为C.断开开关后，灵敏电流表的示数一定为零D.仅增大入射光的频率，则遏止电压也随之增大答案： ; 解析：根据光电效应方程，当时，对应的值是极限频率，此时，所以该光电管阴极的极限频率为，项正确；根据光电效应方程，图线的斜率即普朗克常量，项错误；没有外加电压，只要能发生光电效应，光电子就能到达另一极板，灵敏电流表示数就不为零，项错误；仅增大入射光频率，能量增大，最大初动能增大，，遏止电压也随之增大，故项正确。探究点三康普顿效应情境探究1.康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向。（1）则碰后光子可能沿图中1、2、3中哪个方向运动。（2）碰后光子的波长怎样变化？答案：（1）提示因光子与电子在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前动量的方向一致，可知碰后光子运动的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向。（2）提示通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由知，频率变小，再根据知，波长变长。探究归纳1.康普顿效应的几点认识（1）光电效应主要用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。（2）光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律。（3）假定射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。（4）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。2.光子的能量和动量能量和动量是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 λ和频率是描述物质的波动性的典型物理量。和揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。探究应用例  (多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对射线的散射时，发现在散射的射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应，以下说法正确的是(      )A.康普顿效应说明光子具有动量B.康普顿效应现象说明光具有波动性C.康普顿效应现象说明光具有粒子性D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加答案： ; 解析：康普顿效应说明光具有粒子性，项错误，、项正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，项错误。迁移应用1.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，碰撞后的波长为，则碰撞过程中(      )A.能量守恒，动量守恒，且B.能量不守恒，动量不守恒，且C.能量守恒，动量守恒，且D.能量守恒，动量守恒，且答案：解析：光子与电子碰撞时遵循动量守恒定律和能量守恒定律。光子与电子碰撞前光子的能量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量，由，可知，项正确。2.已知波长为λ的光子能量为，动量为，为普朗克常量，为光在真空中的传播速度。科研人员用强激光竖直向上照射一水平放置的小玻璃片，激光子全部被吸收，产生的“光压”把小玻璃片托在空中。若小玻璃片质量为，重力加速度为，则激光的发射功率为(      )A.B.C.D.答案：解析：由题得（式中为单位时间照射到玻璃片上的光子数），经过时间，以入射的光子为研究对象，由动量定理得，又有，因为玻璃板静止，则有，联立解得，故项正确。探究点四光的波粒二象性情境探究1.科学家在对光的本性的认识的过程中先后进行了一系列实验，比如：光的单缝衍射实验（图甲）、光的双缝干涉实验（图乙）、光电效应实验（图丙）、光的薄膜干涉实验（图丁）、康普顿效应实验。（1）在以上实验中哪些体现了光的波动性，哪些体现了光的粒子性？（2）光的波动性和光的粒子性是否矛盾？答案：（1）提示单缝衍射、双缝干涉、薄膜干涉体现了光的波动性；光电效应和康普顿效应体现了光的粒子性。（2）提示不矛盾，大量光子在传播过程中显示波动性，比如干涉和衍射；当光与物质发生作用时显示出粒子性，如光电效应、康普顿效应。探究归纳1.光本性学说的发展简史学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦—实验依据光的直线传播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波的速度光电效应、康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性，又有粒子性2.对光的波粒二象性的理解项目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探究应用例（多选）关于光的波粒二象性的说法中，正确的是(      )A.一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子，光波与机械波是同样的一种波C.当光和物质相互作用时表现出粒子性D.光在传播过程中表现出波动性答案： ; 解析：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，项错误；当光和物质作用时，是“一份一份”的，表现出粒子性，光的干涉、衍射又说明光是一种波，光既不同于宏观的粒子，也不同于宏观的波，项错误，、项正确。解题感悟关于光的波粒二象性的几点说明（1）光既有波动性又有粒子性，二者是统一的。（2）大量光子表现出波动性，个别光子表现出粒子性，光具有波粒二象性。（3）光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已；光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已。迁移应用1.有关光的本性，下列说法正确的是(      )A.光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的B.光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C.大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D.由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性答案：解析：光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性。项正确。