粤教版 (2019)选择性必修 第三册第二节 光电效应方程及其意义教课ppt课件

第二节　光电效应方程及其意义

[核心素养·明目标]

知识点一　能量子假说

1．1900年，德国物理学家普朗克在对黑体辐射问题进行研究中，首先提出了能量子假说．

2．能量子假说．

物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν被称为一个能量子，其中ν为辐射频率．

3．普朗克常量．

h是普朗克常量，大小为h＝6.63×10－34 J·s.

4．量子化现象．

在宏观世界里，一个物理量的取值通常是连续的．在微观世界里，物理量的取值常常是不连续的，只能取一些分立的值，这种物理量分立取值的现象称为量子化现象．

　微观世界里的能量不连续的意思是只能是量子化的，只能是能量子的整数倍，不能是任意值．

知识点二　光子假说

1．光子：光的能量是不连续的，而是一份一份的光量子，这些光量子后来被称为光子．

2．一个光子的能量为ε＝hν，式中h为普朗克常量，ν为光的频率．

　光子的能量跟它的频率成正比，光子概念是量子思想的一次质的飞跃，使能量子有了可靠的例证：光子．

知识点三　光电效应方程

1．逸出功：发生光电效应时，使电子脱离某种金属所做的功的最小值，称为这种金属的逸出功．用符号W0表示．

2．光电效应方程．

(1)表述：入射光子的能量等于出射光电子的最大初动能Ek与逸出功W0之和．

(2)表达式：hν＝Ek＋W0，式中Ek＝mv.

　不同频率的光子能量不同，不同金属的逸出功也不同．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)光子和光电子都是实物粒子．  (　　)

(2)使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫光． (　　)

(3)无论光强多强，只要光的频率小于截止频率就不能产生光电效应．                             (　　)

(4)超过截止频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大．               (　　)

[答案]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√

2．(多选)用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应，现将该单色光的光强减弱，则(　　)

A．光电子的最大初动能不变

B．光电子的最大初动能减小

C．单位时间内产生的光电子数目减少

D．可能不发生光电效应

AC　[光电子的最大初动能跟光的频率有关，跟光强无关，故A正确；频率不变时，发生光电效应时单位时间内的光电子数正比于光强，故C正确．]

3．某种单色光的频率为ν，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek，则这种金属的逸出功和截止频率分别是(　　)

A．hν－Ek，ν－　 B．Ek－hν，ν＋

C．hν＋Ek，ν－ D．Ek＋hν，ν＋

A　[根据光电效应方程得W＝hν－Ek.根据W＝hνc知截止频率νc＝＝ν－.故A选项正确．]

考点1　对光电效应方程的理解与应用

1．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＞＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．

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．

【典例1】　如图所示装置，阴极K用极限波长为λ0＝0.66 μm的金属制成．若闭合开关S，用波长为λ＝0.50 μm的绿光照射阴极，调整两极间的电压，使电流表的示数最大，最大示数为0.64 μA．

(1)求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．

(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．

[思路点拨]　饱和电流的值I与每秒内阴极发射的光电子数n的关系是I＝ne.光电子从阴极K飞出的最大初动能Ek＝hν－W0，光电子从阴极K飞向阳极时，还会被电场加速，使其动能进一步增大．截止波长即频率为截止频率的光的波长．

[解析]　(1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和．由电流可知每秒到达阳极的光电子数，即阴极每秒发射的光电子个数

n＝＝个＝4.0×1012个，

根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能为

Ek＝hν－W0＝h－h，

代入数据可得Ek＝9.6×10－20 J.

(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍，饱和光电流增大为原来的2倍．根据光电效应实验规律可得阴极每秒发射的光电子个数n′＝2n＝8.0×1012个光电子的最大初动能仍然为Ek＝hν－W0＝9.6×10－20 J.

[答案]　(1)4.0×1012个　9.6×10－20 J　(2)8.0×1012个　9.6×10－20 J

光电效应方程的理解与应用

(1)由爱因斯坦光电效应方程hν＝Ek＋W0，得知Ek＝hν－W0，ν是频率，ν＝，c为光速，λ为波长．

(2)逸出功W0一定，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能．

(3)入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数．

1．(多选)对光电效应的解释正确的是(　　)

A．金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服引力要做的最小功，光电子便不能逸出来，即光电效应便不能发生了

C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，发射的光电子的最大初动能就越大

D．由于不同的金属逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不相同

BD　[实验证明，不论入射光的强度多大，只要入射光的频率小于金属的截止频率，就不会发生光电效应，而光电子的最大初动能与入射光频率和金属材料有关，材料不同，逸出功不同，由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋mv可知，光电子的最大初动能也就不同．当vm＝0时，νc＝，W不同则νc不同．最大初动能与光强无关．]

考点2　光电效应的图像问题

1．Ek­ν曲线

如图所示，为光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线．由于Ek＝hν－W0，所以可知图线在横轴上的截距等于阴极金属的截止频率，在纵轴上的截距等于阴极金属的逸出功的负值，斜率表示普朗克常量．

(Ek＝hν－W0，Ek是ν的一次函数，不是正比例函数)

2．(I­U)曲线

如图所示为光电流大小I随光电管两极板间电压U的变化曲线．图中Im为饱和电流，由光照强度决定；Uc为遏止电压，由光电子的最大初动能决定mv＝eUc，而光电子的最大初动能取决于入射光的频率和阴极金属的逸出功．

【典例2】　(多选)图甲是光电效应的实验装置图，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像，下列说法正确的是(　　)

甲　　　　　　　　　　　乙

A．由图线①③可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大

B．由图线①②③可知对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定

C．只要增大电压，光电流就会一直增大

D．不论哪种颜色的入射光，只要光足够强，就能发生光电效应

[思路点拨]　→→→

AB　[①③图线光的颜色相同，即频率相同，入射光越强，饱和光电流越大，选项A正确；由光电效应方程可知Ek＝hν－W0＝qUc，对某种确定的金属来说，逸出功W0确定，则入射光的频率ν越大，遏止电压Uc越大，光电子的最大初动能Ek越大，选项B；当所加反向电压大于遏止电压时，增大电压，光电流一直为0；所加正向电压使电流达到饱和电流时，增大电压，电流不变，选项C错误；要发生光电效应，入射光的频率要大于截止频率，选项D错误．]

(1)截止频率为νc的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W0＝hνc.

(2)某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比．

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为截止频率．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截止频率有关，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．]

1．物理观念：能量子与光的概念，普朗克常量h＝6.63×10－34_J·s以及爱因斯坦光电效应方程：hν＝Ek＋W0.

2．科学思维：理解光子的能量ε＝hν，应用hν＝Ek＋W0及图像处理问题．

3．科学方法：假设法、图像法、计算法等．

1．已知电磁波的波长从小到大依次排列，其顺序为：γ射线、X射线、紫外线、可见光(紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红)、红外线、无线电波．当用绿光照射某金属表面时，能产生光电效应现象，为了增大光电子的最大初动能(　　)

A．可选用紫外线照射

B．可选用红光照射

C．可增强绿光的照射强度

D．可延长绿光的照射时间

A　[由波速公式c＝λν可知，波长越长的电磁波，频率越小，波长越短的电磁波，频率越大；由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，当入射光的频率增大时，光电子的最大初动能增大，与光照强度和光照时间无关，故A正确，BCD错误．]

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E

B．该金属的逸出功等于hνc

C．入射光的频率为νc时，产生的光电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为2E

AB　[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－W，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率νc时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hνc＝W，即该金属的逸出功等于hνc，选项B正确；根据图线的物理意义，有W＝E，选项A正确，CD错误．]

3. 如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为(　　)

A．1.9 eV　　 B．0.6 eV

C．5 eV D．3.1 eV

A　[由题意可知，题图中光电管的反向遏止电压为Uc＝0.6 V，光电子的最大初动能Ek＝0.6 eV，由爱因斯坦光电效应方程得W＝hν－Ek＝2.5 eV－0.6 eV＝1.9 eV.故A选项正确．]

4. 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

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，AB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．]

5．一铜板暴露在波长λ＝ 20 nm的紫外光中，观测到有电子从铜板表面逸出．当在铜板所在空间加一方向垂直于板面、电场强度大小为15 V/m的电场时，电子能运动到距板面的最大距离为10 cm.已知光速c与普朗克常量h的乘积为1.24×10－6 eV·m，则铜板的截止波长为多少？

[解析]　根据光电效应方程，有Ek＝h－W0，

W0＝h(λ0表示截止波长)，

根据动能定理，有－eEd＝0－Ek，

联立以上各式，得λ0＝264 nm.

[答案]　截止波长为264 nm