选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应第1课时学案设计

第四章原子结构和波粒二象性

第2节光电效应第1课时

【素养目标】

1．知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾．

2．知道光子说及其对光电效应的解释．

3．掌握爱因斯坦光电效应方程并会用它来解决简单问题

【必备知识】

知识点一、光电效应的实验规律

1．光电效应定义

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．

2．光电子

光电效应中发射出来的电子．

3.研究光电效应的实验装置

4．光电效应的实验规律

（1）存在截止频率：

当入射光的频率低于截止频率时，不论光多么强，光电效应都不会发生。

不同金属的截至频率不同，即截至频率与金属自身的性质有关。

（2）存在着饱和电流：

入射光强度一定，单位时间内阴极K发射的光电子数一定，入射光越强，饱和电流越大．表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．

（3）存在截止电压：使光电流减小到0的反向电压称为截止电压。

同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，截止电压都是一样的

对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。

（4）光电效应具有瞬时性．光电效应几乎是瞬时的，无论入射光怎么微弱，时间都不超过10－9 s.

知识点二、爱因斯坦的光电效应理论

1．逸出功

使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功不同．

2光子

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，这些能量子称为光子．

3.光子的能量

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．

4．爱因斯坦光电效应方程

(1)对光电效应的说明

在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，其中一部分用来克服金属的逸出功W0，另一部分为光电子的初动能Ek.

(2)光电效应方程

Ek＝hν－W0.

(3)对光电效应规律的解释

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hν>W0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．

【点睛】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．

 (4)Ekm­ν曲线：如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线．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．

【课堂检测】

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

【解析】　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．

【答案】　BC

2.(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，饱和光电流变大

B．入射光的频率变高，饱和光电流变大

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】　产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，说法A正确．饱和光电流大小与入射光的频率无关，说法B错误．光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，说法C正确．减小入射光的频率，如低于极限频率，则不能发生光电效应，没有光电流产生，说法D错误．

【答案】　AC

【素养作业】

1．用单色光照射某金属表面，能否发生光电效应现象，取决于该单色光的（　　）

A．强度 B．波长 C．速度 D．光子数目

【答案】B

【详解】

用单色光照射某金属表面，能否发生光电效应现象，取决于该单色光的频率或波长。

故选B。

2．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中，可能使该金属产生光电效应的是（　　）

A．延长光照时间

B．增大光的强度

C．换用频率较高的光照射

D．换用波长较长的光照射

【答案】C

【详解】

某单色光照射某金属时不能产生光电效应，说明该单色光的频率较低，光子能量较小；通过延长光照时间、增大光的强度，都不能产生光电效应；只有换用频率较高（或者波长较短）的光照射，才有可能使该金属产生光电效应。

故选C。

3．人眼对绿光最为敏感，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就有察觉。功率为的绿灯如果消耗功率的可产生绿光光子，已知普朗克常量，绿光光子的频率为，则发出的绿光光子数约为（　　）

A． B．

C． D．

【答案】C

【详解】

设光子个数为，则有

解得

所以C正确；ABD错误；

故选C。

4．如图所示，一束复色光经三棱镜后分开成a、b、c和d四种单色光。用这四种单色光分别照射金属钾板，其中c光恰好可从金属钾板上打出光电子；用这四种单色光分别作为双缝干涉实验的光源。下列说法正确的是（　　）

A．d光的波长最短 B．d光在真空中的传播速度最大

C．a光产生的干涉条纹宽度最大 D．a光打出的光电子的遏止电压最大

【答案】D

【详解】

A．由光路图可知，a光通过三棱镜的偏折程度最大，则折射率最大，a光的频率最大，波长最短；d光的折射率最小，则频率最低，波长最长，A错误；

B．各种光在真空中的传播速度都是相同的，B错误；

C．因a光的频率最大，则波长最短，根据

可知，a光产生的干涉条纹宽度最小，C错误；

D．因为c光恰好可从金属钾板上打出光电子，则a光一定能发生光电效应，因a光的频率最大，则根据

可知，a光打出的光电子的遏止电压最大，D正确。

故选D。

5．光电管是光控电路的核心元件。如图为一种在自动化控制中常用的光控继电器示意图，当用一束单色光照射光电管时，未能发生光电效应。为使光电管发生光电效应，下列可采取的措施是（　　）

A．增大该光的照射强度 B．延长该光的照射时间

C．改用频率更高的光照射光电管 D．改用波长更长的光照射光电管

【答案】C

【详解】

ABC．是否发生光电效应，取决于入射光的频率是否超过极限频率，故可以改用频率更高的光照射光电管，与入射光的强度及照射时间无关，AB错误，C正确。

D．改用波长更长的光，由可知，频率更低，更不可能发生光电效应，D错误。

故选C。

6．用光照射某种金属，金属表面有电子逸出。若保持入射光的频率不变，减小入射光的强度，则（　　）

A．光电子的最大初动能减小 B．光电子的最大初动能保持不变

C．可能无电子从金属表面逸出 D．单位时间内逸出的光电子数目不变

【答案】B

【详解】

根据光电效应的规律可知，光电子的最大初动能随入射光的频率增加而增大，与入射光的强度无关，则若保持入射光的频率不变，减小入射光的强度，则光电子的最大初动能保持不变，但是单位时间内逸出的光电子数目减小。

故选B。

7．如图所示，在光电效应的演示实验中，把一块锌板连在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针先闭合后又张开，此时（　　）

A．锌板带负电，验电器指针带正电

B．锌板带负电，验电器指针带负电

C．锌板带正电，验电器指针带正电

D．锌板带正电，验电器指针带负电

【答案】C

【详解】

由于光电效应，锌板内的电子在吸收光子能量后脱离锌板，随着电子的逸出，锌板所带的负电荷量逐渐减小到零，验电器指针随之闭合；随着电子的继续逸出，锌板显示出正电性，即带上了正电荷，与之相连的验电器的指针由于带正电荷而重新张开。

故选C。

8．如图所示，将波长为的单色光a和波长为的单色光b沿不同方向射向三棱镜，形成复合光c，将复合光c照射到某金属上，打出的光电子的最大初动能是Ek，若该金属的极限波长为，则下列判断正确的是（　　）

A．单色光b在三棱镜中传播速度大 B．

C．单色光a一定能使该金属发生光电效应 D．

【答案】D

【详解】

A．由图可知，单色光b的折射程度大，三棱镜对单色光b的折射率大，由可知，单色光a在三棱镜中传播速度大，A项错误；

B．单色光b的频率高，波长短，因此有，B项错误；

C．单色光b的频率高，单色光b一定能使该金属发生光电效应，单色光a不能确定，C项错误；

D．因此单色光b一定能使金属发生光电效应，打出的光电子最大初动能为

D项正确.

故选D。