人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：4 2 光電效應(yīng)

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1第2節(jié)光電效應(yīng)〖學(xué)習(xí)目標(biāo)要求〗1.知道光電效應(yīng)現(xiàn)象，了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2.知道光電效應(yīng)與電磁理論的矛盾。3.理解愛因斯坦光子說及對(duì)光電效應(yīng)的解釋，會(huì)用光電效應(yīng)方程解決一些簡(jiǎn)單問題。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這個(gè)現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。2.光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子。3.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在截止頻率：當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時(shí)，光電流消失，這表明已經(jīng)沒有光電子了。νc稱為截止頻率或極限頻率。這就是說，當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，不同金屬的截止頻率不同。換句話說，截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。(2)存在飽和電流：在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。這表明對(duì)于一定頻率(顏色)的光，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度。同一種金屬對(duì)于一定頻率的光，無(wú)論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓都是一樣的。(4)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：當(dāng)頻率超過截止頻率νc時(shí)，無(wú)論入射光怎樣微弱，照到金屬時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生光電流。精確測(cè)量表明產(chǎn)生電流的時(shí)間很快，即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。4.逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。不同金屬的逸出功不同?！寂幸慌小?1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。(×)(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。(×)(3)入射光照射到金屬表面上時(shí)，光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。(√)二、愛因斯坦的光子說與光電效應(yīng)方程1.光的波動(dòng)說的困難：按照光的波動(dòng)說，當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子會(huì)從入射光中吸收能量，只有當(dāng)能量積累到一定量時(shí)，電子才能從金屬表面逃逸出來，這無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2.光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子被稱為光子。3.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(2)物理意義：金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能Ek。〖判一判〗(1)“光子”就是“光電子”的簡(jiǎn)稱。(×)(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比。(×)(3)入射光若能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則入射光的強(qiáng)度越大，照射出的光電子越多。(√)三、康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性1.康普頓效應(yīng)(1)光的散射光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫作光的散射。(2)康普頓效應(yīng)美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)λ0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。(3)康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動(dòng)量，深入揭示了光的粒子性的一面。(4)光子的動(dòng)量①表達(dá)式：p＝eq\f(h,λ)。②說明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動(dòng)量變小。因此，有些光子散射后波長(zhǎng)變大。2.光的波粒二象粒(1)光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。(2)光子的能量ε＝hν，光子的動(dòng)量p＝eq\f(h,λ)。(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性。探究1光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象eq\o(→,\s\up7(轉(zhuǎn)化為))電現(xiàn)象。2.光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光。3.光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)還是電子。4.能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。5.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)越多。6.光的強(qiáng)度與飽和電流：飽和電流與光強(qiáng)有關(guān)，與所加的正向電壓大小無(wú)關(guān)。飽和電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對(duì)頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的。對(duì)于不同頻率的光，由于每個(gè)光子的能量不同，飽和電流與入射光強(qiáng)度之間不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。〖例1〗(2021·云南曲靖市高二月考)關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是()A.光電效應(yīng)是原子核吸收光子向外釋放電子的現(xiàn)象B.飽和光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，且隨入射光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)C.金屬的逸出功與入射光的頻率成正比D.用不可見光照射某金屬，比用可見光照射同種金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能大〖答案〗B〖解析〗光電效應(yīng)是原子吸收光子向外釋放電子的現(xiàn)象，A錯(cuò)誤；飽和光電流的強(qiáng)度隨入射光強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，B正確；逸出功與金屬本身的特點(diǎn)有關(guān)，與外界因素?zé)o關(guān)，C錯(cuò)誤；由于不可見光的頻率有的比可見光大，有的比可見光小，由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0知產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能無(wú)法比較，D錯(cuò)誤。探究2光電效應(yīng)方程和圖像■情境導(dǎo)入用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)，電流表的示數(shù)不為零；移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于1.7V時(shí)，電流表示數(shù)為0。(1)光電子的最大初動(dòng)能是多少？遏止電壓為多少？(2)光電管陰極的逸出功又是多少？(3)當(dāng)滑片向a端滑動(dòng)時(shí)，光電流變大還是變?。?4)當(dāng)入射光的頻率增大時(shí)，光電子最大初動(dòng)能如何變化？遏止電壓呢？〖答案〗(1)1.7eV1.7V(2)W0＝hν－Ek＝2.75eV－1.7eV＝1.05eV(3)變大(4)變大變大■歸納拓展1.三個(gè)關(guān)系(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動(dòng)能Ek可以利用光電管實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓，即光電流剛好為0時(shí)的反向電壓。(3)光電效應(yīng)方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關(guān)系是W0＝hνc。

2.四類圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率(極限頻率)：橫軸截距②逸出功：縱軸截距的絕對(duì)值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：橫軸截距②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc：橫軸截距②飽和電流Im：電流的最大值③最大初動(dòng)能：Ekm＝eUc顏色不同時(shí)，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和電流③最大初動(dòng)能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2〖例2〗(多選)(2021·黑龍江鐵人中學(xué)高二期末)如圖是某金屬在光的照射下逸出的光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，由圖像可知()A.該金屬的逸出功等于E－h(huán)ν0B.該金屬的逸出功等于hν0C.入射光的頻率為2ν0時(shí)，逸出的光電子的最大初動(dòng)能為hν0D.當(dāng)入射光的頻率ν大于ν0時(shí)，若ν增大一倍，則光電子的最大初動(dòng)能也增大一倍〖答案〗BC〖解析〗根據(jù)Ek＝hν－W0得金屬的截止頻率等于ν0，縱軸截距的絕對(duì)值等于金屬的逸出功，逸出功等于E，則E＝W0＝hν0，故B正確，A錯(cuò)誤；根據(jù)Ek′＝2hν0－W0而E＝W0＝hν0，故Ek′＝hν0＝E，故C正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率是線性關(guān)系，不是成正比，所以若ν增大一倍，則光電子的最大初動(dòng)能不是增大一倍，故D錯(cuò)誤?！祭?〗(2021·廣東深圳市高二月考)如圖所示，甲圖為演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置；乙圖為a、b、c三種光照射下得到的三條電流表與電壓表讀數(shù)之間的關(guān)系曲線。下列說法正確的是()A.a、b、c三種光的頻率各不相同B.b、c兩種光的光強(qiáng)可能相同C.若b光為綠光，a光可能是紫光D.圖甲中的滑動(dòng)變阻器的滑片向右滑動(dòng)，電流表的讀數(shù)可能增大〖答案〗D〖解析〗由光電效應(yīng)方程及遏止電壓與光的頻率間的關(guān)系可得eUc＝Ek＝hν－W0，b、c兩種光的遏止電壓相同，故頻率相同，a光的遏止電壓較小，頻率較低，A錯(cuò)誤；光的頻率不變時(shí)，最大光電流與光強(qiáng)成正比，對(duì)比乙圖可知，b光較強(qiáng)，B錯(cuò)誤；由以上分析可知，a光頻率較低，若b光為綠光，a光不可能是紫光，C錯(cuò)誤；圖甲中的滑動(dòng)變阻器的滑片向右滑動(dòng)，增大光電管兩端電壓，且為正向電壓，電流表的讀數(shù)可能增大，但不會(huì)超過飽和光電流，D正確?！坚槍?duì)訓(xùn)練1〗(多選)(2021·江蘇星海實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二期中)圖甲是研究光電效應(yīng)的電路圖，圖乙是用a、b、c光照射光電管得到的I－U圖線，Uc1、Uc2表示遏止電壓，下列說法正確的是()A.在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流一直會(huì)增大B.a光的頻率小于b光的頻率C.光電子的能量只與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)，而與入射光的頻率無(wú)關(guān)D.c光照射光電管發(fā)出光電子最大的初動(dòng)能一定小于b光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動(dòng)能〖答案〗BD〖解析〗隨著所加電壓的增大，電流增大，當(dāng)達(dá)到飽和電流后，再增大電壓電流也不會(huì)增大，A錯(cuò)誤；光電流恰為零，此時(shí)光電管兩端加的電壓為遏止電壓，對(duì)應(yīng)的光的頻率為截止頻率，根據(jù)eUc＝Ek＝hν－W0知，入射光的頻率越高，對(duì)應(yīng)的遏止電壓Uc越大。a光、c光的遏止電壓相等，所以a光、c光的頻率相等，而b光的遏止電壓大，則頻率大，B正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程可知Ek＝hν－W0，光電子的能量，即初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，C錯(cuò)誤；根據(jù)光電效應(yīng)方程可知Ek＝hν－W0，c光的頻率小于b光的頻率，當(dāng)照射同種材料發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，c光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動(dòng)能一定小于b光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動(dòng)能，D正確。探究3康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性1.光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)粒子相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫作光的散射。2.康普頓效應(yīng)：美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)λ0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。3.用光子說解釋康普頓效應(yīng)康普頓認(rèn)為X射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動(dòng)量，X射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)要遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，求解這些方程，可以得出散射光波長(zhǎng)的變化量Δλ，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好。如圖為X射線的光子與石墨中電子碰撞前后狀態(tài)的示意圖。4.光子的動(dòng)量狹義相對(duì)論告訴我們，質(zhì)量m和能量E有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：E＝mc2,一個(gè)光子的能量是hν，所以它的質(zhì)量是m＝eq\f(hν,c2)，借用質(zhì)子、電子等粒子動(dòng)量的定義：動(dòng)量＝質(zhì)量×速度，可得光子的動(dòng)量。5對(duì)光的波粒二象性的理解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動(dòng)性干涉和衍射和衍射(1)光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小可用波動(dòng)規(guī)律來描述(2)足夠能量的光在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(1)光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的(2)光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子〖例4〗康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也具有動(dòng)量，如圖給出了光子與靜止電子碰撞后電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰撞后光子可能沿________(填“1”“2”或“3”)方向運(yùn)動(dòng)，并且波長(zhǎng)________(填“不變”“變短”或“變長(zhǎng)”)?！即鸢浮?變長(zhǎng)〖解析〗因?yàn)楣庾优c電子碰撞過程中動(dòng)量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰撞前的方向一致，可見碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，能量減少，由E＝hν知，頻率變小，再根據(jù)c＝λν知，波長(zhǎng)變長(zhǎng)?！坚槍?duì)訓(xùn)練2〗(多選)關(guān)于光的波粒二象性，下列理解正確的是()A.高頻光是粒子，低頻光是波B.大量的光子往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子往往表現(xiàn)出粒子性C.波粒二象性是光的屬性，只是有時(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著D.光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)轉(zhuǎn)變成粒子〖答案〗BC〖解析〗波粒二象性是光所具有的性質(zhì)，在不同的情況下有不同的表現(xiàn)：大量的光子往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子往往表現(xiàn)出粒子性；光在傳播過程中通常表現(xiàn)為波動(dòng)性，在與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)通常表現(xiàn)為粒子性，故選項(xiàng)B、C正確。1.(光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律)(多選)在利用光電管裝置研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，使用某一頻率的光照射光電管陰極時(shí)，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是()A.光電效應(yīng)揭示了光的粒子性B.在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率成正比C.保持入射光的頻率不變，不斷減小入射光的強(qiáng)度，遏止電壓始終不變D.保持入射光的頻率不變，增大入射光的強(qiáng)度，光電子的最大初動(dòng)能一定變大〖答案〗AC〖解析〗光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故A正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0知，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率不是正比關(guān)系，故B錯(cuò)誤；由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0及Ek＝eUc，可知入射光頻率不變，光電子的最大初動(dòng)能不變，對(duì)應(yīng)的遏止電壓不變，故C正確；由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0知，入射光的頻率不變，則對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能保持不變，