高中物理粵教版5第二章波粒二象性 第2章第1節(jié)光電效應第2節(jié)光子

第一節(jié)光電效應第二節(jié)光子學習目標知識脈絡1.知道什么是光電效應現(xiàn)象．2．知道光電流、極限頻率、遏止電壓的概念，掌握光電效應的實驗規(guī)律．(重點)3．理解經(jīng)典電磁理論在解釋光電效應時的困難．(難點)4．知道普朗克提出的能量量子假說．5．理解愛因斯坦的光子說．(重點)6．會用光電效應方程解釋光電效應．(重點)光電效應、光電流及其變化eq\o([先填空])1．光電效應：金屬在光的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電效應，發(fā)射出來的電子稱為光電子．2．光電管：光電管是由密封在玻璃殼內(nèi)的陰極和陽極組成．陰極表面涂有堿金屬，容易在光的照射下發(fā)射電子．3．光電流：陰極發(fā)出的光電子被陽極收集，在回路中會形成電流，稱為光電流．4．發(fā)生光電效應時，入射光的強度增大，則光電流隨之增大．eq\o([再判斷])1．光電子是光照射下發(fā)射出來的電子，因此光電子仍然是電子．(√)2．入射光的頻率較高時，會發(fā)生光電效應現(xiàn)象，光電流隨著光照強度的增強而增大．(√)3．入射光的頻率較低時，無論光照強度多大，都不會發(fā)生光電效應．(√)eq\o([后思考])你對光電效應中的“光”是怎樣認識的？【提示】這里的光，可以是可見光，也可以是紫外線、X光等．1．在發(fā)生光電效應的條件下，光電流的大小或單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目由光的強度決定．2．存在著飽和電流．入射光強度一定，單位時間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子數(shù)一定．入射光越強，飽和電流越大．表明入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多．1．如圖2-1-1所示，用弧光燈照射鋅板，驗電器指針張開一個角度，則下列說法中正確的是()圖2-1-1A．用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉B．用紅光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉C．鋅板帶的是負電荷D．鋅板帶的是正電荷E．使驗電器指針發(fā)生偏轉的是正電荷【解析】將擦得很亮的鋅板與驗電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗電器指針張開一個角度，說明鋅板帶了電，進一步研究表明鋅板帶正電．這說明在紫外線的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出，鋅板帶正電，選項A、D、E正確．紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應．【答案】ADE2．當某種單色光照射到金屬表面時，金屬表面有光電子逸出，如果光的強度減弱，頻率不變，則單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)________．【答案】減少1．光電效應中的光包括不可見光(如：紫外線等)．2．光電效應的實質(zhì)：光現(xiàn)象→電現(xiàn)象．極限頻率和遏止電壓eq\o([先填空])1．極限頻率對于每一種金屬，只有當入射光的頻率大于某一頻率ν0時，才會產(chǎn)生光電流，ν0稱為極限頻率(也叫截止頻率)．2．遏止電壓在強度和頻率一定的光照射下，當反向電壓達到某一數(shù)值時，光電流將會減小到零，我們把這時的電壓稱為遏止電壓．用符號U0表示．3．遏止電壓與光電子最大初動能的關系eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＝eU0.4．經(jīng)典電磁理論解釋的局限性按照光的電磁理論，只要光足夠強，任何頻率的光都應該能夠產(chǎn)生光電子，出射電子的動能也應該由入射光的能量即光強決定．但是實驗結果卻表明，每種金屬都對應有一個不同的極限頻率，而且遏止電壓與光的頻率有關，與光的強度無關．eq\o([再判斷])1．發(fā)生光電效應一定要用可見光．(×)2．遏止電壓與入射光的強弱無關，與入射光的頻率有關．(√)3．光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關．(√)eq\o([后思考])在光電效應實驗中如果入射光的頻率一定而強度增加，將會產(chǎn)生什么結果？如果入射光的頻率增加，又將會產(chǎn)生什么結果？【提示】當入射光頻率高于金屬的極限頻率時，光強增加，發(fā)射的光電子數(shù)增多；當入射光頻率低于金屬的極限頻率時，無論光強怎么增加，都不會有光電子發(fā)射出來．入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初動能增大．1．遏止電壓隨光的頻率的增大而增大，與光的強度無關，說明光電子的最大初動能隨光的頻率的增大而增大，與光的強度無關．2．隨反向電壓的增大，光電流逐漸減小，說明金屬中逸出的光電子的初動能是不同的，而遏止電壓對應光電子的最大初動能．3．電磁理論認為：光的能量是由光的強度決定，而光的強度又是由光波的振幅所決定的，跟頻率無關．4．電磁理論解釋光電效應的三個困難電磁理論光電效應實驗結果困難1按照光的波動理論，不論入射光的頻率是多少，只要光強足夠大，總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應如果光的頻率小于金屬的極限頻率，無論光強多大，都不能發(fā)生光電效應困難2光強越大，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動能也應該越大，遏止電壓也越大．即出射電子的動能應該由入射光的能量即光強來決定遏止電壓與光強無關，與頻率有關困難3光強大時，電子能量積累的時間就短，光強小時，能量積累的時間就長當入射光照射到光電管的陰極時，無論光強怎樣微弱，幾乎瞬時就產(chǎn)生了光電子3．光電效應實驗中，下列表述正確的是()A．光照時間越長光電流越大B．入射光足夠強就可以有光電流C．遏止電壓與入射光的頻率有關D．入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子E．發(fā)生光電效應時，如果光的頻率不變，而減弱光的強度則逸出的光電子數(shù)減小，光電子的最大初動能不變【解析】在光電效應中，若照射光的頻率小于極限頻率，無論光照時間多長，光照強度多大，都無光電流，當照射光的頻率大于極限頻率時，立刻有光電子產(chǎn)生，時間間隔很?。蔄、B錯誤，D正確．遏止電壓與入射光頻率ν有關，即C正確．入射光的強度影響單位時間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目，光的強度減弱，單位時間內(nèi)發(fā)出光電子數(shù)目減少，故E正確．【答案】CDE4．利用光電管研究光電效應實驗如圖2-1-2所示，用頻率為ν的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則()圖2-1-2A．用紫外線照射，電流表一定有電流通過B．用紅光照射，電流表一定無電流通過C．用紅外線照射，電流表可能有電流通過D．用頻率為ν的可見光照射K，當滑動變阻器的滑動觸頭移到A端時，電流表中一定無電流通過E．用頻率為ν的可見光照射K，當滑動變阻器的滑動觸頭向B端滑動時，電流表示數(shù)可能不變【解析】因紫外線的頻率比可見光的頻率高，所以用紫外線照射時，電流表中一定有電流通過，選項A正確．因不知陰極K的截止頻率，所以用紅光照射時，也可能發(fā)生光電效應，所以選項B錯誤，C正確．即使UAK＝0，電流表中也可能有電流通過，所以選項D錯誤．當滑動觸頭向B端滑動時，UAK增大，陽極A吸收光電子的能力增強，光電流會增大，當所有光電子都到達陽極A時，電流達到最大，即飽和電流．若在滑動前，電流已經(jīng)達到飽和電流，那么即使增大UAK，光電流也不會增大，所以選項E正確．【答案】ACE關于光電效應的三點提醒1．發(fā)生光電效應時需滿足：照射光的頻率大于金屬的極限頻率，即ν＞ν0.2．光電子的最大初動能與照射光的頻率及金屬有關，而與照射光的強弱無關，強度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少．3．在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關．能量量子假說與光子假說eq\o([先填空])1．能量量子假說：物體熱輻射所發(fā)出的電磁波的能量是不連續(xù)的，只能是hν的整數(shù)倍，hν稱為一個能量量子，其中ν是輻射頻率，h稱為普朗克常量．2．普朗克常量：h＝×10－34J·s.3．光子假說：光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子．一個光子的能量為ε＝hν.4．黑體：(1)能夠全部吸收所有頻率的電磁輻射的理想物體．絕對的黑體實際上是不存在的．(2)普朗克利用能量量子化的思想和熱力學理論，才完美地解釋了黑體輻射譜．eq\o([再判斷])1．1900年，德國物理學家普朗克首次提出了能量量子假說．(√)2．1905年，在普朗克能量量子假說的啟發(fā)下，愛因斯坦提出了光子假說．(√)3．光子說中的光子就是光電子．(×)4．能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體．(√)eq\o([后思考])1．如何解釋測量一杯水溫的溫度計的溫度示數(shù)連續(xù)變化而不是一份一份的？【提示】每一份能量量子很小(微觀量)，溫度計示數(shù)變化1℃對應變化的能量很大(宏觀量)，由于溫度計的精度不夠，所以觀察到的溫度計溫度不是一份一份地變化的．2．黑體是指黑顏色的物體嗎？【提示】黑體不是指黑顏色的物體，是指能完全吸收電磁波的物體．光電效應方程及其解釋eq\o([先填空])1．逸出功：電子能脫離離子的束縛而逸出金屬表面時所需做的最小功．用W0表示．2．光電效應方程：hν＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＋W0.式中hν表示入射光子的能量，ν為入射光的頻率．3．光電效應的條件：光子的能量ε＝hν必須大于或至少等于逸出功W0.即ν≥eq\f(W0,h).4．遏止電壓對應著光電子的最大初動能，它們的關系為eU0＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max).eq\o([再判斷])1．同一頻率的光照射不同的金屬表面，光電子的最大初動能可能相同．(×)2．對于某種金屬，也就是逸出功W0一定的情況下，出射光電子的最大初動能只與入射光頻率有關，與光的強弱無關．(√)3．物體內(nèi)部的一個電子一般只吸收一個光子的能量．(√)eq\o([后思考])按照光的經(jīng)典電磁理論，如果入射光很弱，電子需要一段時間才能獲得逸出金屬表面所需的能量．而實驗表明：無論入射光怎樣微弱，光電效應幾乎是瞬時的，這又如何解釋？【提示】光子的能量是一份份的．當光照射到金屬表面時，表面的金屬電子一次性吸收了一個光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以光電子幾乎是瞬間產(chǎn)生的．1．光電效應方程的理解(1)光電效應方程：Ek＝hν－W0中，Ek為光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是零到最大值范圍內(nèi)的任何數(shù)值．(2)光電效應方程表明，光電子的最大初動能與入射光的頻率ν呈線性關系(注意不是正比關系)，與光強無關．(3)光電效應方程包含了產(chǎn)生光電效應的條件，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>eq\f(W0,h)＝νc，而νc＝eq\f(W0,h)就是金屬的極限頻率．(4)光電效應方程實質(zhì)上是能量守恒方程．(5)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需要克服原子核的束縛而消耗的能量的最小值，叫做金屬的逸出功．光電效應中，從金屬表面逸出的電子消耗能量最少．2．光子說對光電效應的解釋(1)由于光的能量是一份一份的，那么金屬中的電子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且這個傳遞能量的過程只能是一個光子對一個電子的行為．如果光的頻率低于極限頻率，則光子提供給電子的能量不足以克服原子的束縛，就不能發(fā)生光電效應．(2)當光的頻率高于極限頻率時，能量傳遞給電子以后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動能形式存在，這樣光電子的最大初動能Ek＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＝hν－W0，其中W0為金屬的逸出功，可見光的頻率越高，電子的最大初動能越大．而遏止電壓U0對應著光電子的最大初動能，即eU0＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max).所以當W0一定時：U0只與入射光的頻率ν有關，與光照強弱無關．(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的．(4)發(fā)生光電效應時，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)與光強度成正比，光強度越大意味著單位時間內(nèi)打在金屬上的光子數(shù)越多，那么逸出的光電子數(shù)目也就越多，光電流也就越大．5．已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應的截止頻率為ν0，則()A．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，一定能產(chǎn)生光電子B．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0C．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大，則逸出功增大D．金屬的逸出功與照射光的頻率無關E．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍【解析】根據(jù)截止頻率跟逸出功的關系：W0＝hν0，光電效應方程eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W0，判斷A、B、D正確．【答案】ABD6．紫光在真空中的波長為×10－7m，問：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射極限頻率為ν0＝×1014Hz的金屬鉀時能否產(chǎn)生光電效應？(3)若能產(chǎn)生，則光電子的最大初動能為多少？(h＝×1