高中物理选择性必修三 同步导学案 4.2.1 光电效应

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4.2.1 光电效应
一、自主学习
（一）光电效应的实验规律
1.光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的______从表面逸出的现象。
2.光电子：光电效应中发射出来的______。
3.光电效应的实验规律：
(1)存在着饱和______：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流就越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(2)存在着遏止电压和截止______：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。
(3)光电效应具有______：光电效应几乎是瞬间发生的，从光照射到产生光电流的时间极短。
（二）光电效应经典解释中的疑难
逸出功：使电子脱离某种金属所做功的______。不同金属的逸出功不同。
（三）爱因斯坦的光电效应理论
1.光子说：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,这些能量子被称为________。
2.爱因斯坦的光电效应方程：
(1)表达式：________=Ek+W0或Ek=________-W0。
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的________,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。
二、课堂探究
[情景设问]把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。
这个现象说明了什么问题？
结论1：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为_________，这种电子常称为_________。
（一）光电效应的实验规律
[思考]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）等物理量之间是什么关系呢？
研究光电效应的电路图
[思考]保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会怎样变化？
结论2：
存在饱和电流
在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个_________。也就是说，在电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会再进一步_________了。
[思考]保持光照条件不变，对调电源的正负极，逐渐加大两极之间的电压，大家分析光电流会怎样变化？
结论3：
存在截止电压：如果施加_________，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为_________。使光电流减小到_________的反向电压Uc称为截止电压。
[思考]对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？
结论4：存在截止频率
当入射光的频率减小到某一数值vc 时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。vc称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率_________截止频率时不发生光电效应。
[讨论]尝试对比光子与光电子的区别
结论5：
光子指光在空间传播时的每一份能量，光子________；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是________，光照射金属是因，产生光电子是果。
[思考]光电子的初动能与光电子的最大初动能分别是什么？
结论6：光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的________；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有________。光电子的初动能________光电子的最大初动能。
[思考]光子的能量与入射光的强度有什么关系？
结论7：光子的能量即每个光子的能量，其值为ε=________(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积。即光强等于________。
光电效应解释中的疑难
[讨论]人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
结论8：温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到_________的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的_________。
[情景设问]爱因斯坦对于光电效应的解释的解释是怎样的呢？
纪念爱因斯坦光电效应理论的邮票
爱因斯坦的光电效应理论
结论9：爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为________，h 为普朗克常量。这些能量子后来被称为________。
[思考]按照爱因斯坦的理论，一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。根据以上论述，尝试用方程表示这一关系。
结论10：爱因斯坦光电效应方程：________________。
[讨论]根据以上所学，谈谈你对光电效应方程的理解。
结论11：
对光电效应方程的理解
（1）光电子的动能
方程 Ek = hν － W0 中，Ek 为光电子的________初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值。
（2）方程实质
方程 Ek = hν － W0 实质上是________________方程。
（3）产生光电效应的条件
方程 Ek = hν － W0 包含了产生光电效应的条件， 即要产生光电效应，须 Ek = hν － W0 > 0，亦即 hν > W0，ν > W0 /h，而 νc = W0 /h 就是金属的________频率。
（4）截止频率 νc
方程 Ek = hν － W0 表明，光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率 ν 存在线性关系（如图所示），与光强有关。图中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，图线的斜率为________。
[思考与讨论]爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率 v 的关系。
但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc。那么，怎样得到截止电压 Uc 与光的频率 v 和逸出功 W0 的关系呢？
结论12：利用光电子的初动能 Ek ＝eUc和爱因斯坦光电效应方程Ek ＝ hv － W0， 可以消去Ek，从而得到________ 与v、W0 的关系，即：________________。
[思考与讨论]观察某金属的 Uc -v 图像，你能得出什么结论？
某金属的 Uc -v 图像
结论13：对于确定的金属，其逸出功W0 是确定的，电子电荷e 和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc 与光的频率v之间是________关系，Uc-v图像是一条斜率为________的直线。
[讨论]根据以上学习，尝试总结光电效应的规律。
结论14：
(1)两条线索:
(2)两个关系:
光强→光子数目多→发射光电子多→________大；
光子频率高→光子能量大→产生光电子的________大。
三、典题精讲
【例题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,电流表不一定有电流通过
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
D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,电流表示数可能不变
【例题2】利用如图所示的装置观察光电效应现象，将光束照射在金属板上，发现验电器指针没有张开。欲使指针张开，可（　　）
A．改用逸出功更大的金属板材料
B．改用频率更大的入射光束
C．增加该光束的照射时间
D．增大该光束的强度
核心素养专练
1．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属发生光电效应的措施是（　　）
A．改用频率更小的紫外线照射
B．改用X射线照射
C．改用强度更大的原紫外线照射
D．延长原紫外线的照射时间
2．下列说法正确的是（　　）
A．“光电效应”现象表明光具有波动性
B．电子的发现揭示了原子不是构成物质的最小微粒
C．天然放射现象表明原子可以再分
D．卢瑟福根据“α粒子散射”实验建立原子结构“枣糕模型”
3．下列四幅图中所涉及物理知识的论述中，错误的是（　　）
A．图甲中，电流能使下方的小磁针发生偏转，说明了电流具有磁效应
B．图乙中，电子秤应用了压力传感器来称重
C．图丙中，变压器的铁芯由薄硅钢片叠压而成，是为了减小涡流，提高效率
D．图丁中，紫外线照射锌板发生了光电效应，如换用红外线，也一定能发生光电效应
4.用强度相同的黄光和紫光分别照射同一种金属，都能使该金属发生光电效应。下列判断正确的是（　　）
A．用黄光照射时该金属的逸出功小，用紫光照射时该金属的逸出功大
B．用黄光照时，逸出的光电子最大初动能小，用紫光照时，逸出的光电子最大初动能大
C．用黄光照时，逸出的光电子所需时间短，用紫光照时，逸出的光电子所需时间长
D．用两种光照时，产生的光电流强度相同
5.下列关于光电效应现象的表述中，错误的表述是（　　）
A．光电效应是指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
B．光电效应存在截止频率
C．照射光光强太弱时不可能发生光电效应
D．光电效应几乎是瞬时发生的
6.如图A、B为a、b两束单色光分别经过同一双缝干涉装置后在屏上形成的干涉图样，则（　　）
A．在真空中，a光的传播速度大于b光的传播速度
B．在相同条件下，a光比b光更容易发生明显的衍射现象
C．若a光照射某金属能发生光电效应，则b光照射该金属不一定能发生光电效应
D．两束光与声波本质上是相同的波，只是频率不同
7.分别用a、b两束单色光照射某金属的表面，用a光照射能发生光电效应，而用b光照射不能发生，则下列说法正确的是（　　）
A．a光比b光的频率低
B．在真空中，a光的波长较短
C．a光比b光的光子能量小
D．在真空中，b光的速度较大
8．在研究光电效应实验时，如果绿光刚好可以发生光电效应，那么换成黄光时，（　　）
A．一定能发生光电效应
B．只要时间足够长就会发生光电效应
C．能否发生光电效应取决于照射黄光的强度
D．不能发生光电效应
9.当光照射到光电管的阴极K时，电路中产生的电流流过电流表G的方向是______（选填“a流向b”或“b流向a”）若照射光的频率增大，强度不变，电流表G的读数____________（选填“增大”“减小”或“不变”）.
10.若用绿、黄、红、紫四种颜色的光做双缝干涉实验，在所产生的干涉条纹中相邻明条纹间距最宽的是____________色条纹。若用黄光照射某金属能有光电效应现象，那换用其中的______色的光一定也能。
参考答案
自主学习
电子 电子 光电流 频率 瞬时性
最小值
光子 hν hν 逸出功W0
课堂探究
结论1：光电效应 光电子
结论2：饱和值 增大
结论3：反向电压 0 0
结论4：低于
结论5：不带电 电子
结论6：初动能 最大初动能 小于或等于
结论7：hν nhν
结论8：金属表面层 逸出功
结论9：hν 光子
结论10：
结论11：最大 能量守恒 极限 普朗克常量
结论12：Uc Uc=hv/e－W0/e
结论13：线性 h/e
结论14：光电流 最大初动能
典题精讲
【例题1】D
【例题2】B
核心素养专练
1.B
2.B
3.D
4.B
5.C
6.C
7.B
8.D
9.a流向b；减小
10.红，绿或紫
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