高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第一节 光电效应导学案

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3．通过光电效应实验，探究规律，提高动手实验的能力，学会与他人合作交流，体验经典电磁理论解释的困难，感受探究科学的艰辛和伟大意义．
知识点一 光电效应
1．光电效应：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：发生光电效应时，在回路中形成的电流．
在光电效应中，光电管把光信号变成了电信号．
知识点二 光电效应的实验规律
1．截止频率：只有当入射光频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流，我们将这个频率称为截止频率，其对应的波长叫截止波长．
2．遏止电压
(1)在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流将随着反向电压的增加而减小，并且当反向电压达到某一数值时，光电流会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压．
(2)符号：Uc．
(3)公式：12mvmax2=eUc，式中e为电子的电荷，m为电子的质量，vmax为光电子的最大初速率．
(4)影响因素：遏止电压只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关．
产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内发射出的光电子数越多．
知识点三 经典电磁理论解释的困难
1．解释：发生光电效应时，随着入射光强度的增加，光电流也会增大．
2．困难：(1)每种金属都对应有一个不同的截止频率，与入射光的强度无关．
(2)遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关．
从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在10-9s内发生光电效应．
1．思考判断(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)光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流．(×)
(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关．(√)
(4)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．(×)
2．(多选)如图所示，C为一真空光电管，管的内壁K涂有碱金属，用可见光照射可产生光电效应．正常使用时将它和电源、电流计相连．下列说法正确的是( )
A．当开关断开时，用光照射光电管的内半壁K后，K极带负电
B．正常使用时，a处为电源的正极，b处为电源的负极
C．正常使用时，通过电流计G的电流方向是自上而下的
D．在其他条件不变的情况下，增大可见光的照射强度，通过电流计的电流可能增大
BCD [开关断开时，由于光照射K极后可产生光电效应，故有电子从K极逸出，K极带正电；正常使用时，电源应给光电管加正向电压，a就应为电源正极，电路中电流沿顺时针方向，自上而下通过G；增大光强，逸出的光电子增多，光电流可能增大．故B、C、D正确．]
3．如图所示，在验电器上安装一个铜网，使其带电，验电器金属箔张开一定角度．用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变．再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线灯照射锌板时，发现金属箔张开角度减小．下列相关说法中正确的是( )
A．增加紫外线的强度照射锌板，金属箔张角将变大
B．紫外线的频率大于金属锌的截止频率
C．铜网带负电
D．改用紫光照射锌板，验电器的金属箔张角也一定减小
B [根据用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变；再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线照射锌板时，发现金属箔张开角度减小，说明逸出的光电子跑到铜网上，导致其电量减小，当增加紫外线的强度照射锌板，金属箔张角将变更小，由此可知，铜网带正电，故A、C项错误；只有紫外线的频率大于金属锌的截止频率，才会发生光电效应，故B项正确；根据光电效应产生条件，当改用紫光照射，因紫光频率小于紫外线频率，因此可能不发生光电效应现象，则验电器金属箔张角不一定减小，故D项错误．故选B．]
如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电．你知道锌板是怎样带上电的吗？
提示：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度．
光电效应的实验规律
1．光电效应实验
(1)实验目的．
研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系．
(2)光电效应的实验装置．
如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射电子．电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调，当电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的电子，在电路中形成光电流．
2．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率大于截止频率才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．
(2)任何一种金属在确定的光照射下发生的光电效应，都有一个遏止电压，即光电子有最大初速率．
(3)当产生光电效应时，单位时间内从金属表面射出的电子数与入射光的强度有关．
(4)光电效应几乎是瞬时的，发生的时间一般不超过10-9 s．
【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)用大于ν的紫外线照射能发生光电效应．
(2)滑动变阻器的滑动触头左移时正向电压减小，电流减小．
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，也可能发生光电效应，所以选项B、C错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项D错误．]
分析光电效应的注意点
(1)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．
(2)发生光电效应时，在入射光频率不变的情况下，当光的强度增大时，单位时间内打到金属上的光子数目增多，逸出的光电子增多，形成的光电流增大．
[跟进训练]
1．一真空光电管的应用电路如图所示，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，而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．]
经典电磁理论解释的困难
1．光的电磁理论只能部分地解释光电效应
利用光的电磁理论(经典波动理论)能够解释：光越强，光电流越大．
2．光的电磁理论与光电效应现象的矛盾
【典例2】 (多选)光电效应的规律中，经典波动理论不能解释的有( )
A．入射光的频率必须大于被照射金属的截止频率时才产生光电效应
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．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，产生光电流的时间一般不超过10-9 s
D．当入射光频率大于被照射金属的截止频率时，光电子数目与入射光的强度成正比
[思路点拨] (1)能解释：发生光电效应时，光强度增加，光电流变大．
(2)不能解释：时间极短，如果某种光不能发生光电效应，增大光强度仍不能发生．
ABC [按经典电磁理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必须吸收足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的能量越多，被电子吸收的能量自然越多，产生的光电子数越多，故不能解释的有A、B、C三项．]
按光的电磁理论，应有：
(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关．
(2)不存在截止频率，任何频率的光都能使电子获得足够能量而逸出表面．
(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10-9 s．
但真实的光电效应以上三条均不符合．
[跟进训练]
2．如图所示，一验电器与锌板相连，在A处用一紫外线灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角．
(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______(选填“增大”“减小”或“不变”)．
(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照射锌板，可观察到验电器指针______(选填“有”或“无”)偏转．
[解析] (1)锌板在紫外线照射下，发生光电效应，有光电子飞出，锌板带正电，将一带负电的金属小球与锌板接触，将锌板上的正电荷中和一部分，锌板所带正电荷减少，则验电器指针偏角将变小．
(2)要发生光电效应，照射光的频率必须高于这种金属的截止频率，而与照射光的强度无关．用黄光照射，验电器指针无偏转，即不能发生光电效应，当改用强度更大的红外线照射时，因为红外线的频率比黄光的低，所以用红外线照射不能发生光电效应，验电器指针无偏转．
[答案] (1)减小 (2)无
1．(多选)在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与验电器相连，用弧光灯(紫外线)照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时( )
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带正电，指针带正电
C．若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象
D．若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子
BC [锌板在紫外线照射下，发生光电效应，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和，使指针带正电，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．在如图所示的光电效应的实验中，发现用一定频率的单色光A照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的单色光B照射时不发生光电效应，则下列说法正确的是( )
A．增大B光光强，电流表指针可能发生偏转
B．延长B光照时间，电流表指针可能发生偏转
C．用A光照射光电管时，流过电流表G的电流方向是a流向b
D．用B光照射光电管时，增大电源电压电流表指针一定发生偏转
C [用单色光B照射时不发生光电效应，知B的频率小于截止频率，能否产生光电效应，是看入射光的频率，与光的强度、照射的时间都无关，故A、B项错误；发生光电效应时，电子从光电管右端运动到左端，而电流的方向与电子定向移动的方向相反，所以流过电流表G的电流方向是a流向b，故C项正确；用单色光B照射时不发生光电效应，增大电源电压仍然不能发生光电效应，电路中不能出现电流，故D项错误．]
3．如图所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线灯照射锌板时，下列有关现象说法正确的是( )
A．有光子从锌板逸出
B．有电子从锌板逸出
C．验电器带负电
D．锌板带负电
B [用紫外线灯照射锌板时，发生光电效应，有电子从锌板逸出，锌板因失去电子而带正电，与锌板相连的验电器带正电，故B正确．]
4．如图所示为一光电管电路图，滑动变阻器的滑片P位于AB上某点，用光照射光电管阴极，灵敏电流计指针不偏转．要使指针偏转，可采取的措施有( )
A．减小电压
B．换用波长短的光照射
C．将P向B滑动
D．将电源正负极对调
B [由题图可知，光电管两端加正向电压，灵敏电流计指针不偏转，说明没有发生光电效应，照射光频率太低，与光强、外加电压的大小无关，故B正确，A、C错误；将电源正负极对调，光电管两端加反向电压，灵敏电流计指针仍不会偏转，故D错误．]
5．如图所示，用绿光照射一光电管的阴极时发生光电效应，要使光子从阴极逸出的最大初动能增大，应采取的措施是( )
A．改用红光照射
B．改用紫光照射
C．增大绿光的强度
D．增大加在光电管上的正向电压
B [发生光电效应时，光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大，与照射光强度、光电管两端的电压无关，红光的频率比绿光的频率小，不一定能发生光电效应，即使发生光电效应，光电子的最大初动能也较小，而紫光的频率大于绿光的频率，故选项B正确．]
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．什么是光电效应？什么是光电子？
提示：金属在光的照射下发射电子的现象是光电效应．光电效应中发射出来的电子叫光电子．
2．试写出光电效应的实验规律．
提示：有截止频率、有遏止电压、有饱和电流、光电效应具有瞬时性．
3．经典理论解释光电效应遇到了哪些困难？
提示：每种金属都对应有一个不同的截止频率，与入射光的强度无关；遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关．
矛盾
按照光的电磁理论解释
光电效应实验结果
矛盾1
光能由振幅决定，与光频率无关，只要光强足够大(不论入射光的频率多小)，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应
存在截止频率νc：若ν<νc，无论光强有多大，都不能发生光电效应
矛盾2
光强越大，电子可获得的能量越多，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也应越大，即出射电子的最大初动能应该由光强来决定
光电子的最大初动能、遏止电压都与光强无关，而与频率有关
矛盾3
光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长
具有瞬时性：当入射光照射到光电管阴极时，无论光强怎样，光电子几乎是瞬间产生的