新教材2023年高中物理第4章波粒二象性第1節(jié)光電效應教師用書粵教版選擇性必修第三冊

第一節(jié)光電效應1．知道光電效應、光電子和光電流，了解截止頻率、遏止電壓的意義．2．掌握光電效應的實驗規(guī)律與經(jīng)典電磁理論解釋的困難，能解決相關的問題．3．通過光電效應實驗，探究規(guī)律，提高動手實驗的能力，學會與他人合作交流，體驗經(jīng)典電磁理論解釋的困難，感受探究科學的艱辛和偉大意義．知識點一光電效應1．光電效應：金屬在光的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象．2．光電子：光電效應中發(fā)射出來的電子．3．光電流：發(fā)生光電效應時，在回路中形成的電流．在光電效應中，光電管把光信號變成了電信號．知識點二光電效應的實驗規(guī)律1．截止頻率：只有當入射光頻率大于某一頻率ν0時，才會產(chǎn)生光電流，我們將這個頻率稱為截止頻率，其對應的波長叫截止波長．2．遏止電壓．(1)在強度和頻率一定的光照射下，回路中的光電流將隨著反向電壓的增加而減小，并且當反向電壓達到某一數(shù)值時，光電流會減小到零，我們把這時的電壓稱為遏止電壓．(2)符號：Uc．(3)公式eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＝eUc，式中e為電子的電荷，m為電子的質(zhì)量，vmax為光電子的最大初速率．(4)影響因素：遏止電壓只與入射光的頻率有關，而與入射光的強度無關．產(chǎn)生光電效應時，光的強度越大，單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)越多．知識點三經(jīng)典電磁理論解釋的困難1．解釋：發(fā)生光電效應時，隨著入射光強度的增加，光電流也會增大．2．困難：(1)每種金屬都對應有一個不同的截止頻率，與入射光的強度無關．(2)遏止電壓只與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關．從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應的時間間隔很短，通?？稍?0－9s內(nèi)發(fā)生光電效應．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)光電效應實驗中光照時間越長，光電流越大． ()(2)光電效應實驗中入射光足夠強就可以有光電流． ()(3)光電子的最大初動能與入射光的強度無關． ()(4)金屬表面是否發(fā)生光電效應與入射光的強弱有關． ()[答案](1)×(2)×(3)√(4)×2．(多選)如圖所示，C為一真空光電管，管的內(nèi)壁K涂有堿金屬，用可見光照射可產(chǎn)生光電效應．正常使用時將它和電源、電流計相連．下列說法中正確的是()A．當開關斷開時，用光照射光電管的內(nèi)半壁K后，K極帶負電B．正常使用時，a處為電源的正極，b處為電源的負極C．正常使用時，通過電流計G的電流方向是自上而下的D．在其他條件不變的情況下，增大可見光的照射強度，通過電流計的電流可能增大BCD[開關斷開時，由于光照射K極后可產(chǎn)生光電效應，故有電子從K極逸出，K極帶正電；正常使用時，電源應給光電管加正向電壓，a就應為電源正極，電路中電流沿順時針方向，自上而下通過G；增大光強，逸出的光電子可能增多，光電流可能增大．故BCD正確．]3．如圖所示，在驗電器上安裝一個銅網(wǎng)，使其帶電，驗電器金屬箔張開一定角度．用紫外線照射銅網(wǎng)，驗電器金屬箔的張角保持不變．再將一塊鋅板放置在該銅網(wǎng)后面一定距離處，用同一紫外線燈照射鋅板時，發(fā)現(xiàn)金屬箔張開角度減?。铝邢嚓P說法中正確的是()A．增加紫外線的強度照射鋅板，金屬箔張角將變大B．紫外線的頻率大于金屬鋅的截止頻率C．銅網(wǎng)帶負電D．改用紫光照射鋅板，驗電器的金屬箔張角也一定減小B[根據(jù)用紫外線照射銅網(wǎng)，驗電器金屬箔的張角保持不變；再將一塊鋅板放置在該銅網(wǎng)后面一定距離處，用同一紫外線照射鋅板時，發(fā)現(xiàn)金屬箔張開角度減小，說明逸出的光電子跑到銅網(wǎng)上，導致其電量減小，當增加紫外線的強度照射鋅板，金屬箔張角將變更小，由此可知，銅網(wǎng)帶正電，故AC項錯誤；只有紫外線的頻率大于金屬鋅的截止頻率，才會發(fā)生光電效應，故B項正確；根據(jù)光電效應產(chǎn)生條件，當改用紫光照射，因紫光頻率小于紫外線頻率，因此可能不發(fā)生光電效應現(xiàn)象，則驗電器金屬箔張角不一定減小，故D項錯誤．故選B．]如圖所示，把一塊鋅板連接在驗電器上，用紫外線燈照射鋅板，觀察到驗電器的指針發(fā)生了變化，這說明鋅板帶了電．你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎？觀察光電效應提示：鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應，發(fā)射出光電子，因此鋅板會顯示正電性，驗電器會因帶正電荷而使金屬箔片張開一定角度．考點1光電效應的實驗規(guī)律1．光電效應實驗(1)實驗目的．研究光電效應中電子發(fā)射的情況與照射光的強弱、光的顏色(頻率)等物理量間的關系．(2)光電效應的實驗裝置．如圖所示，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，陰極K在受到光照時能夠發(fā)射電子．電源加在K與A之間的電壓大小可以調(diào)整，正負極也可以對調(diào)，當電源按圖示極性連接時，陽極A吸收陰極K發(fā)出的電子，在電路中形成的光電流．2．光電效應的實驗規(guī)律(1)任何一種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率大于截止頻率才能產(chǎn)生光電效應，與入射光的強度及照射時間無關．(2)任何一種金屬在確定的光照射下發(fā)生的光電效應，都有一個遏止電壓，即光電子有最大初速率．(3)當產(chǎn)生光電效應時，單位時間內(nèi)從金屬表面射出的電子數(shù)與入射光的強度有關．(4)光電效應幾乎是瞬時的，發(fā)生的時間一般不超過10－9s．【典例1】利用光電管研究光電效應實驗如圖所示，用頻率為ν的可見光照射陰極K，電流表中有電流通過，則()A．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，電流表一定無電流通過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[思路點撥](1)用大于ν的紫外線照射能發(fā)生光電效應．(2)滑動變阻器的滑動觸頭左移時正向電壓減小，電流減?。瓵[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，所以用紅光或紅外線照射時，也可能發(fā)生光電效應，所以選項B、C錯誤；即使UAK＝0，電流表中也可能有電流通過，所以選項D錯誤．]分析光電效應的注意點(1)發(fā)生光電效應的條件是入射光的頻率大于或等于金屬的截止頻率．(2)發(fā)生光電效應時，在入射光頻率不變的情況下，當光的強度增大時，單位時間內(nèi)打到金屬上的光子數(shù)目增多，逸出的光電子增多，形成的光電流增大．[跟進訓練]1．一真空光電管的應用電路如圖所示，關于電路中光電流的飽和值，下列說法正確的是()A．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率B．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強度C．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于光電管所加的正向電壓的大小D．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的光照時間B[在光電管中若發(fā)生了光電效應，單位時間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強度有關，光電流的飽和值只與單位時間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目有關，故B正確，A、C、D錯誤．]考點2經(jīng)典電磁理論解釋的困難1．光的電磁理論只能部分地解釋光電效應利用光的電磁理論(經(jīng)典波動理論)能夠解釋：光越強，光電流越大．2．光的電磁理論與光電效應現(xiàn)象的矛盾矛盾按照光的電磁理論解釋光電效應實驗結果矛盾1光能由振幅決定，與光頻率無關，只要光強足夠大(不論入射光的頻率多小)，總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應存在截止頻率νc：若ν<νc，無論光強有多大，都不能發(fā)生光電效應矛盾2光強越大，電子可獲得的能量越多，光電子的最大初動能也應該越大，遏止電壓也應越大，即出射電子的最大初動能應該由光強來決定光電子的最大初動能、遏止電壓都與光強無關，而與頻率有關矛盾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具有瞬時性：當入射光照射到光電管陰極時，無論光強怎樣，光電子幾乎是瞬間產(chǎn)生的【典例2】(多選)光電效應的規(guī)律中，經(jīng)典波動理論不能解釋的有()A．入射光的頻率必須大于被照射金屬的截止頻率時才產(chǎn)生光電效應B．光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大C．入射光照射到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，產(chǎn)生光電流的時間一般不超過10－9sD．當入射光頻率大于被照射金屬的截止頻率時，光電子數(shù)目與入射光的強度成正比[思路點撥](1)能解釋：發(fā)生光電效應時，光強度增加，光電流變大．(2)不能解釋：時間極短，如果某種光不能發(fā)生光電效應，增大光強度仍不能發(fā)生．ABC[按經(jīng)典電磁理論，光的能量隨光的強度的增大而增大，與光的頻率無關，從金屬中飛出的電子，必須吸收足夠的能量后才能從其中飛出，電子有一個能量積蓄的時間，光的強度越大，單位時間內(nèi)輻射到金屬表面的能量越多，被電子吸收的能量自然越多，產(chǎn)生的光電子數(shù)越多，故不能解釋的有ABC三項．]按光的電磁理論，應有：(1)光越強，光電子的初動能越大，遏止電壓與光的強弱有關；(2)不存在截止頻率，任何頻率的光都能使電子獲得足夠能量而逸出表面；(3)在光很弱時，放出電子的時間應遠大于10－9s．但真實的光電效應以上三條均不符合．[跟進訓練]2．如圖所示，一驗電器與鋅板相連，在A處用一紫外線燈照射鋅板，關燈后，指針保持一定偏角．(1)現(xiàn)用一帶負電的金屬小球與鋅板接觸，則驗電器指針偏角將______(選填“增大”“減小”或“不變”)．(2)使驗電器指針回到零，再用相同強度的鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)，那么，若改用強度更大的紅外線照射鋅板，可觀察到驗電器指針________(選填“有”或“無”)偏轉(zhuǎn)．[解析](1)鋅板在紫外線照射下，發(fā)生光電效應，有光電子飛出，鋅板帶正電，將一帶負電的金屬小球與鋅板接觸，將鋅板上的正電荷中和一部分，鋅板正電荷減少，則驗電器指針偏角將變小，注意，驗電器與鋅板帶同種電荷．(2)要發(fā)生光電效應，照射光的頻率必須高于這種金屬的截止頻率，而與照射光的強度無關，用黃光照射，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)，即不能發(fā)生光電效應，當改用強度更大的紅外線照射時，因為紅外線的頻率比黃光的低，所以用紅外線照射不能發(fā)生光電效應，驗電器指針無偏轉(zhuǎn)．[答案](1)減小(2)無1．(多選)在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與驗電器相連，用弧光燈(紫外線)照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時()A．鋅板帶正電，指針帶負電B．鋅板帶正電，指針帶正電C．若用黃光照射鋅板，則可能不產(chǎn)生光電效應現(xiàn)象D．若用紅光照射鋅板，則鋅板能發(fā)射光電子BC[鋅板在紫外線照射下，發(fā)生光電效應，有光電子飛出，故鋅板帶正電，指針上的部分電子被吸引到鋅板上發(fā)生中和，使指針帶正電，B正確，A錯誤；紅光和黃光的頻率都小于紫外線的頻率，都可能不發(fā)生光電效應，C正確，D錯誤．]2．在如圖所示的光電效應的實驗中，發(fā)現(xiàn)用一定頻率的單色光A照射光電管時，電流表指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而另一定頻率的單色光B照射時不發(fā)生光電效應，則下列說法正確的是()A．增大B光光強，電流表指針可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)B．延長B光照時間，電流表指針可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)C．用A光照射光電管時，流過電流表G的電流方向是a流向bD．用B光照射光電管時，增大電源電壓電流表指針一定發(fā)生偏轉(zhuǎn)C[用單色光B照射時不發(fā)生光電效應，知B的頻率小于截止頻率，能否產(chǎn)生光電效應，是看入射光的頻率，與光的強度、照射的時間都無關，故A項錯誤，B項錯誤；發(fā)生光電效應時，電子從光電管右端運動到左端，而電流的方向與電子定向移動的方向相反，所以流過電流表G的電流方向是a流向b，故C項正確；用單色光B照射時不發(fā)生光電效應，增大電源電壓仍然不能發(fā)生光電效應，電路中不能出現(xiàn)電流，故D項錯誤．]3．下列關于光電效應現(xiàn)象的表述中，錯誤的是()A．光電效應是指照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象B．光電效應存在截止頻率C．照射光光強太弱時不可能發(fā)生光電效應D．光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的C[光電效應是指照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，選項A正確，不符合題意；光電效應存在截止頻率，當入射光的頻率大于截止頻率時才能發(fā)生光電效應，選項B正確，不符合題意；能否發(fā)生光電效應與入射光的強度無關，只與光的頻率有關，選項C錯誤，符合題意；光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的，不需要時間積累，選項D正確，不符合題意．故選C．]4．光照在某金屬表面上發(fā)生了光電效應．若只減弱光的強度，而保持頻率不變，則()A．有可能不發(fā)生光電效應B．該金屬可能帶負電C．單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少D．從光照射到金屬表面到有光電子逸出的時間明顯增加C[入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應，若入射光的強度減弱，頻率保持不變，可知仍然可以發(fā)生光電效應，A錯誤；該金屬發(fā)生光電效應，向外發(fā)射光電子，故一定帶正電，B錯誤；入射光的強度減弱，則單位時間內(nèi)入射光的光子數(shù)減少，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少，C正確；發(fā)生光電效應的時間與光的強度無關，D錯誤．]5．如圖所示，用綠光照射一