(共37张PPT)
第6章
第1节 光电效应及其解释
课标要求
1.知道光电效应现象,了解光电效应的实验规律。(物理观念)
2.理解爱因斯坦光电效应方程及其意义,会用光电效应方程解决一些简单问题。(物理观念)
3.能根据实验结论说明光的波粒二象性。(科学探究)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、光电效应
1.光电效应
(1)定义:在光的照射下电子从物体表面逸出的现象,称为光电效应。这种逸出的电子称为 。
(2)实验规律
①存在极限频率:当入射光的频率低于某一频率时,光电流消失,不会产生光电效应,这一频率称为 。极限频率与 有关。只有当入射光的频率 极限频率,才会产生光电效应;若入射光的频率小于极限频率,即使增加光的强度或照射时间,也不能产生光电效应。
光电子
极限频率
金属的种类
大于或等于
②光电效应具有瞬时性:从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间 ,通常在 内。
③存在着饱和电流:产生光电效应时,在光照强度不变的情况下,光电流随电压的增大而增大,当光电流增大到一定值时,即使电压再增大,电流也不再增加,达到一个饱和值,即为 。在光频率不变的情况下,入射光越 ,单位时间内逸出的电子数也越 ,饱和电流越 。
④阴极逸出的光电子具有初动能,因此在外加电压调到零时仍有光电流。如果施加反向电压,在电压较低时也还有光电流,只有当反向电压大于某一值时,光电流才为零,这一电压称为 。遏止电压Uc与光电子最
大初动能满足的关系为 。光电子最大初动能与___________ 有关,与入射光的强度无关。入射光的频率越高,光电子的最大初动能越大。
很短
10-9s
饱和电流
强
多
大
遏止电压
入射光的频率
2.光电效应的解释
(1)光子说:看似连续的实际上由数量有限的、分立的光子组成的,每个光子的能量是 。
(2)爱因斯坦光电效应方程
表达式: 。 是一个光子的能量; 为一个电子从金属表面逸出而必须做的功,称为逸出功; 为电子离开金属表面的最大初动能。
(3)光电效应的应用:光电开关、光电成像。
hν
hν
W
二、光的波粒二象性
1.波粒二象性:光既具粒子的特征,又有波的特征,光具有 。
2.光是一种 ,光子出现在哪个位置,受概率支配。单个光子出现在哪个位置是随机的,因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时,概率大的位置出现的光子多,形成亮条纹;概率小的位置出现的光子少,形成暗条纹。
3.当光的波长较长时,光子的能量和动量很小,个别光子难以显示出可观测效应,人们观察到的是大量光子的集体行为,因此波动性比较明显,波长越长,波动性越明显。光在与电子等物质相互作用时更多地表现为 ,在传播过程中更多地表现为 。
波粒二象性
概率波
粒子性
波动性
想一想如图所示,将锌板和验电器连在一起,然后用紫外线灯照射锌板,会发生一个奇妙的现象,验电器的金属箔片张开一个角度,这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了。为什么会这样呢 验电器上带何种电荷
提示 锌板在紫外线的照射下,向外逸出电子,所以锌板带电;锌板剩余正电荷,验电器也带有正电荷。
易错辨析 判一判
(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。( )
(2)光子数量越大,其粒子性越明显。( )
(3)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。( )
(4)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )
(5)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )
(6)入射光照射到金属表面上时,光电子几乎是瞬时发射的。( )
√
×
提示 光子数量越大,其波动性越明显。
√
×
提示 只有频率大于或等于极限频率的光照射到金属上才能发生光电效应。
×
提示 金属表面是否发生光电效应与入射光的频率有关。
√
即学即用 练一练
一验电器与锌板相连(如图所示),用一紫外线灯照射锌板,关灯后,验电器指针保持一定偏角。
(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灯照射锌板,可观察到验电器指针 (选填“有”或“无”)偏转。
减小
无
解析 (1)当用紫外线灯照射锌板时,锌板发生光电效应,锌板逸出光电子而带上正电,此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电,故指针发生了偏转。当带负电的金属小球与锌板接触后,中和了一部分正电荷,从而使验电器的指针偏角减小。
(2)使验电器指针回到零,用钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转,说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率,而红外线比黄光的频率还要低,更不可能使锌板发生光电效应。能否发生光电效应与入射光的强弱无关。
重难探究·能力素养全提升
探究一 光电效应的实验规律
情境探究
当我们走到自动门前时,光电池电子眼探测到有人到来,门就会自动打开,这种传感器可以对光响应。当光的强度变化时,传感器产生的电流大小将发生改变,与相应的电路耦合,就可以触发开关将门打开。
你知道其中的道理吗
要点提示 这种传感器代表了光电效应的一种应用,当发生光电效应时,光照在金属上使电子从金属中逸出,这种现象爱因斯坦给出了合理的解释并将其理论化,他阐明了光与粒子流有相似的行为。
知识归纳
1.光电效应的实质:光现象 电现象。
2.光电效应中的光包括不可见光和可见光。
3.光电子:光电效应中发射出来的电子,其本质还是电子。
4.入射光的频率决定了能否发生光电效应。
5.发生光电效应时,产生的光电子数与入射光的强度有关。
应用体验
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
D
解析 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错误;因不知阴极K的极限频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,选项B错误;即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,选项C错误;当滑动触头向B端滑动时,UAK增大,阳极A吸收光电子的能力增强,光电流会增大,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么即使增大UAK,光电流也不会增大,选项D正确。
规律方法 关于光电效应的三个理解误区
误区1:认为光电效应中,只要光强足够大,就能发生光电效应。
产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清。实际上,能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强度无关。
误区2:认为光电流的强度与入射光的强度一定成正比。
出现该误区是由于混淆了光电流和饱和电流。实际上,光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,只有同种频率的光的饱和电流的强度才与入射光的强度成正比。
误区3:认为入射光越强,产生的光电子数一定越多。
这是对光强的概念理解不全面造成的。实际上,入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量,是由入射的光子数和入射光子的频率决定的,可用E=nhν表示,其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下,光强度与光子数成正比。换用不同频率的光,即使光强度相同,光子数目也不同,因而逸出的光电子数目也不同。
针对训练1
(多选)如图所示,电路中所有元件完好,但光照射到光电管上,灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是( )
A.入射光太弱
B.入射光波长太长
C.光照时间太短
D.电源正、负极接反
BD
解析 金属存在极限频率,频率不低于极限频率的光照射金属时才会有光电子逸出,逸出的光电子的最大初动能随频率的增大而增大,动能小时不能克服反向电压,也不会有光电流。入射光的频率低于极限频率,不能产生光电效应,与光照强弱无关,选项B正确,A错误;电路中电源正、负极接反,对光电管加了反向电压,若该电压超过了遏止电压,也没有光电流产生,选项D正确;光电效应的产生与光照时间无关,选项C错误。
探究二 光电效应方程的理解及应用
情境探究
研究光电效应现象的装置图如图甲所示,研究光电效应的电路图如图乙所示。请结合装置图及产生的现象回答下列问题:
(1)在图甲中发现,利用紫光照射锌板无论光的强度如何变化,验电器都有张角;而用红光照射锌板,无论光的强度如何变化,验电器始终无张角。这说明了什么
(2)在图乙中给光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增加电压,电流表示数不变,而光强增加时,保持所加电压不变,电流表示数会增大,这说明了什么
要点提示 (1)金属能否发生光电效应,决定于入射光的频率,与入射光的强度无关。
(2)发生光电效应时,饱和电流的强度与光的强度有关。
知识归纳
1.光电效应方程实质上是能量守恒方程
(1)能量为ε=hν的光子被电子所吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。
(2)如果克服吸引力做功最少为W,电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W。
2.光电效应规律中的两条线索、两个关系
(1)两条线索
(2)两个关系
光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大;
光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。
3.在理解光电效应方程的基础上,把其数学关系式与数学函数图像结合起来,经分析、推导得出图像的斜率以及在图像横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量,从而理解它们的物理意义,有效提高自身应用数学解决物理问题的能力。
关系 图像 解释
最大初动能与入射光频率的关系图像 该图像对应的函数式为Ek=hν-W,图像与横轴的交点为极限频率,图像是相互平行的,因为图线的斜率就是普朗克常量
关系 图像 解释
光电流与电压的关系图像 从图线①③可看出同种光照射同种金属板对应的遏止电压相同,而饱和电流随入射光强度增大而增大;从图线①②可知,对于同种金属,入射光的频率越高,遏止电压越大
遏止电压与入射光频率的关系 该图像的对应函数式为 ,故从图像可以直接读出金属的极限频率,由斜率可算出普朗克常量,由纵轴截距可推算出金属的逸出功
应用体验
典例2 图甲为光电效应实验的电路图,利用不同频率的光进行光电效应实验,测得光电管两极间所加电压U与光电流I的关系如图乙中a、b、c、d四条曲线所示。用νa、νb、νc、νd表示四种光的频率,下列判断正确的是
( )
A.νb>νc>νd>νa
B.νd>νb>νc>νa
C.νd>νc>νb>νa
D.νa>νc>νb>νd
A
解析 光电效应实验I-U图像中,横坐标的截距的绝对值表示遏止电压,根据光电效应方程,照射光的频率越大,遏止电压越大。
针对训练2
(多选)如图所示是某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,由图像可知( )
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hνc
C.入射光的频率为νc时,产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为2νc时,产生的光电子的最大初动能为2E
AB
解析 题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W,知当入射光的频率恰为该金属的极限频率νc时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有hνc=W,即该金属的逸出功等于hνc,选项B正确;根据图线的物理意义,有W=E,故选项A正确,C、D错误。
学以致用·随堂检测全达标
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1.(多选)在做光电效应的实验时,某金属被光照射发生了光电效应,实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示,由实验图线可求出( )
A.该金属的极限频率和极限波长
B.普朗克常量
C.该金属的逸出功
D.单位时间内逸出的光电子数
ABC
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2.如图所示,N为钨板,M为金属网,它们分别和电池两极相连,各电池的极性和电动势在图中标出。钨的逸出功为4.5 eV。现分别用能量不同的光子照射钨板(各光子的能量在图上标出)。那么,下列图中有光电子到达金属网的是( )
A.①②③
B.②③
C.③④
D.①②
B
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解析 入射光的光子能量小于逸出功,则不能发生光电效应,故①错误;入射光的光子能量大于逸出功,能发生光电效应;电场对光电子加速,故有光电子到达金属网,故②正确;入射光的光子能量大于逸出功,能发生光电效应,根据光电效应方程Ekm=hν-W=3.5 eV,因为所加的电压为反向电压,反向电压为2 V,知光电子能到达金属网,故③正确;入射光的光子能量大于逸出功,能发生光电效应,根据光电效应方程Ekm=hν-W=3.5 eV,所加的反向电压为4 V,根据动能定理知,光电子不能够到达金属网,故④错误。故选B。
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3.用波长为300 nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19 J。已知普朗克常量为6.63×10-34 J·s,真空中的光速为3.00×108 m/s。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为 Hz。(结果保留一位有效数字)
8×1014
解析 根据爱因斯坦光电效应方程 ,代入数据解得ν0=8×1014 Hz。(共28张PPT)
第6章
第1节 光电效应及其解释
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A 级 必备知识基础练
1.用如图所示装置做光电效应实验,下述正确的是( )
A.光电效应现象是由爱因斯坦首先发现的
B.实验现象揭示了光具有波动性
C.实验中,光电子从锌板逸出,验电器带正电
D.实验中,若用可见光照射锌板,也能发生光电效应
C
解析 光电效应是由赫兹首先发现的,故A错误;光电效应现象揭示了光具有粒子性,故B错误;光电效应现象中,光电子从锌板逸出,验电器带正电,故C正确;光电效应中应该用紫外线照射锌板,当用可见光时,频率降低,小于极限频率,则不满足光电效应发生条件,故D错误。
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2.(多选)对光电效应的理解正确的是( )
A.金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子,当它积累的动能足够大时,就能逸出金属
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应
C.发生光电效应时,入射光越强,光子的能量就越大,光电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功是不相同的,因此使不同金属产生光电效应,入射光的最低频率也不同
BD
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解析 按照爱因斯坦的光子说,光子的能量由光的频率决定,与光强无关,入射光的频率越大,发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大;但要使电子离开金属,电子必须具有足够的动能,而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量,且一个电子只能吸收一个光子,不能同时吸收多个光子,所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象;电子只有从金属表面向外逸出时,电子才只克服原子核的引力做功。综上所述,选项B、D正确。
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3.(多选)一真空光电管的应用电路如图所示,其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014 Hz,则以下判断正确的是( )
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.用λ=0.5 μm的光照射光电管时,电路中有光电流产生
D.光照射时间越长,电路中的光电流越大
BC
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解析 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,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A、D错误,B正确;波长λ=0.5 μm的光子的频率 Hz =6×1014 Hz>4.5×1014 Hz,可发生光电效应,故C正确。
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4.(多选)一束绿光照射某金属恰好发生了光电效应,对此,以下说法正确的是( )
A.若增加绿光的照射强度,则单位时间内逸出的光电子数目增多
B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加
C.若改用紫光照射,则逸出光电子的最大初动能增加
D.若改用红光照射,则仍有可能使其发生光电效应
AC
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解析 光的强度增大,则单位时间内逸出的光电子数目增多,故A正确;根据光电效应方程Ekm=hν-W知,光电子的最大初动能不变,故B错误;因为紫光的频率大于绿光的频率,根据光电效应方程Ekm=hν-W知,光电子的最大初动能增加,故C正确;若改用红光照射,红光的频率小于绿光的频率,能量比较小,小于金属的逸出功,所以不能产生光电效应,故D错误。
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5.在光电效应实验中,飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲、乙、丙),如图所示,则可判断出( )
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.甲光的频率大于丙光的频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的
光电子最大初动能
B
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6.用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应,可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图像。已知钨的逸出功是3.28 eV,锌的逸出功是3.24 eV,若将二者的图线画在一个Ek-ν坐标图中,用实线表示钨,用虚线表示锌,则正确反映这一过程的图是( )
B
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解析 依据光电效应方程Ek=hν-W可知,Ek-ν图线的斜率代表了普朗克常量h,因此钨和锌的Ek-ν图线应该平行,图线的横轴截距代表了截止频率νc,而νc= ,因此钨的νc大些。综上所述,B正确。
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7.如图所示,将一个光电管正确连接到电路中,电源的a端是 (选填“正”或“负”)极。若在光电管正常工作时,增大照射光强度,电路中电流将
(选填“变大”“变小”或“不变”)。
正
变大
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解析 为了能够吸收更多的光电子,阳极应该带正电,即a端应是电源的正极;当照射光的强度增大时,单位时间内射向阴极的光子数将增加,电路中的光电流变大。
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8.如图所示装置,阴极K用极限波长为λ0=0.66 μm的金属制成。若闭合开关S,用波长为λ=0.50 μm的绿光照射阴极,调整两个极板间的电压,使电流表的示数最大为0.64 μA。
(1)求阴极每秒逸出的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。
(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍,求阴极每秒发射的光电子数和光电子逸出阴极时的最大初动能。
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答案 (1)4.0×1012个 9.6×10-20 J (2)8.0×1012个
9.6×10-20 J
解析 (1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时,光电流达到饱和。由电流可知每秒到达阳极的电子数,即阴极每秒逸出的光电子个数为
代入数据可得Ek=9.6×10-20 J。
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(2)如果照射光的频率不变,光强加倍,则每秒发射的光电子数加倍,饱和电流增大为原来的2倍。根据光电效应实验规律可得阴极每秒逸出的光电子个数为
n'=2n=8.0×1012
光电子的最大初动能仍然为
Ek=hν-W=9.6×10-20 J。
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B 级 关键能力提升练
9.某种火灾报警装置的工作电路图如图甲所示,它的核心部件为紫外线光电管,其中A为阳极,K为阴极,发生火灾时c、d端有输出电压实施报警。已知地表附近太阳光中紫外线光子能量介于3.1~3.9 eV之间,明火中的紫外线光子能量介于4.4~6.2 eV之间。几种金属单质的逸出功如表所示,则下列说法正确的是( )
金属单质 钙 锌 铝 钨
逸出功/eV 3.20 3.38 4.21 4.54
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甲
乙
A.明火中紫外线波长越长,光电子的最大初动能越大
B.若用太阳光和明火分别去照射锌板,得到的I-U图像如图乙所示,则a图线表示明火照射,b图线表示太阳光照射
C.太阳光照射光电管时,c、d端有输出电压
D.明火照射光电管时,c、d端有输出电压
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答案 D
解析 由 可知明火中紫外线波长越长,光电子的最大初动能越小,故A错误;由图乙可知,b图线的遏止电压大于a图线的,由 ,可知,b图线表示明火照射,a图线表示太阳光照射,故B错误;结合太阳光与明火中的紫外线光子能量与金属单质的逸出功可知,明火照射光电管时,c、d端有输出电压,故C错误,D正确。
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10.(多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是( )
A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和电流变大
B.入射光的频率变高,饱和电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生
AC
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解析 根据光电效应规律,保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,则饱和电流变大,故A正确;由爱因斯坦光电效应方程知,入射光的频率变大,产生的光电子最大初动能变大,而饱和电流与入射光的频率和光强都有关,故B错误,C正确;保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,当入射光的频率小于极限频率时,就不能发生光电效应,没有光电流产生,故D错误。
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11.如图所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极,发现电流表读数不为零。合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.6 V时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于0.6 V时,电流表读数为零。由此可知,阴极材料的逸出功为( )
A.1.9 eV B.0.6 eV
C.2.5 eV D.3.1 eV
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12.某广播电台发射功率为10 kW,在空气中波长为187.5 m的电磁波。(保留一位有效数字)
(1)该电台每秒钟从天线发射多少个光子
(2)若发射的能量子各个方向视为均匀的,试求在离天线2.5 km处直径为2 m的环状天线每秒钟接收的光子个数以及接收功率。
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答案 (1)9×1030个 (2)4×1023个 4×10-4 W
解析 (1)每个能量子的能量
(2)设环状天线每秒钟接收的光子数为n个,以电台发射天线为中心,则半径为R=2.5 km的球面积S=4πR2,而环状天线的面积S'=πr2,所以
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13.从1907年起,美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν作出Uc-ν的图像,由此算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。图乙中频率ν1、ν2,遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知,求:
(1)普朗克常量h;
(2)该金属的极限频率ν0。
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13第1节 光电效应及其解释
A级 必备知识基础练
1.用如图所示装置做光电效应实验,下述正确的是( )
A.光电效应现象是由爱因斯坦首先发现的
B.实验现象揭示了光具有波动性
C.实验中,光电子从锌板逸出,验电器带正电
D.实验中,若用可见光照射锌板,也能发生光电效应
2.(多选)对光电效应的理解正确的是( )
A.金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子,当它积累的动能足够大时,就能逸出金属
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应
C.发生光电效应时,入射光越强,光子的能量就越大,光电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功是不相同的,因此使不同金属产生光电效应,入射光的最低频率也不同
3.(多选)一真空光电管的应用电路如图所示,其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014 Hz,则以下判断正确的是( )
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.用λ=0.5 μm的光照射光电管时,电路中有光电流产生
D.光照射时间越长,电路中的光电流越大
4.(多选)一束绿光照射某金属恰好发生了光电效应,对此,以下说法正确的是( )
A.若增加绿光的照射强度,则单位时间内逸出的光电子数目增多
B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加
C.若改用紫光照射,则逸出光电子的最大初动能增加
D.若改用红光照射,则仍有可能使其发生光电效应
5.在光电效应实验中,飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲、乙、丙),如图所示,则可判断出( )
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.甲光的频率大于丙光的频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
6.用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应,可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图像。已知钨的逸出功是3.28 eV,锌的逸出功是3.24 eV,若将二者的图线画在一个Ek-ν坐标图中,用实线表示钨,用虚线表示锌,则正确反映这一过程的图是( )
7.如图所示,将一个光电管正确连接到电路中,电源的a端是 (选填“正”或“负”)极。若在光电管正常工作时,增大照射光强度,电路中电流将 (选填“变大”“变小”或“不变”)。
8.如图所示装置,阴极K用极限波长为λ0=0.66 μm的金属制成。若闭合开关S,用波长为λ=0.50 μm的绿光照射阴极,调整两个极板间的电压,使电流表的示数最大为0.64 μA。
(1)求阴极每秒逸出的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。
(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍,求阴极每秒发射的光电子数和光电子逸出阴极时的最大初动能。
B级 关键能力提升练
9.某种火灾报警装置的工作电路图如图甲所示,它的核心部件为紫外线光电管,其中A为阳极,K为阴极,发生火灾时c、d端有输出电压实施报警。已知地表附近太阳光中紫外线光子能量介于3.1~3.9 eV之间,明火中的紫外线光子能量介于4.4~6.2 eV之间。几种金属单质的逸出功如表所示,则下列说法正确的是( )
金属单质 钙 锌 铝 钨
逸出功/eV 3.20 3.38 4.21 4.54
甲
乙
A.明火中紫外线波长越长,光电子的最大初动能越大
B.若用太阳光和明火分别去照射锌板,得到的I-U图像如图乙所示,则a图线表示明火照射,b图线表示太阳光照射
C.太阳光照射光电管时,c、d端有输出电压
D.明火照射光电管时,c、d端有输出电压
10.(多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是( )
A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和电流变大
B.入射光的频率变高,饱和电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生
11.如图所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极,发现电流表读数不为零。合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.6 V时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于0.6 V时,电流表读数为零。由此可知,阴极材料的逸出功为( )
A.1.9 eV B.0.6 eV
C.2.5 eV D.3.1 eV
12.某广播电台发射功率为10 kW,在空气中波长为187.5 m的电磁波。(保留一位有效数字)
(1)该电台每秒钟从天线发射多少个光子
(2)若发射的能量子各个方向视为均匀的,试求在离天线2.5 km处直径为2 m的环状天线每秒钟接收的光子个数以及接收功率。
13.从1907年起,美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν作出Uc-ν的图像,由此算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。图乙中频率ν1、ν2,遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知,求:
(1)普朗克常量h;
(2)该金属的极限频率ν0。
第1节 光电效应及其解释
1.C 光电效应是由赫兹首先发现的,故A错误;光电效应现象揭示了光具有粒子性,故B错误;光电效应现象中,光电子从锌板逸出,验电器带正电,故C正确;光电效应中应该用紫外线照射锌板,当用可见光时,频率降低,小于极限频率,则不满足光电效应发生条件,故D错误。
2.BD 按照爱因斯坦的光子说,光子的能量由光的频率决定,与光强无关,入射光的频率越大,发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大;但要使电子离开金属,电子必须具有足够的动能,而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量,且一个电子只能吸收一个光子,不能同时吸收多个光子,所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象;电子只有从金属表面向外逸出时,电子才只克服原子核的引力做功。综上所述,选项B、D正确。
3.BC 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,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A、D错误,B正确;波长λ=0.5μm的光子的频率ν=Hz=6×1014Hz>4.5×1014Hz,可发生光电效应,故C正确。
4.AC 光的强度增大,则单位时间内逸出的光电子数目增多,故A正确;根据光电效应方程Ekm=hν-W知,光电子的最大初动能不变,故B错误;因为紫光的频率大于绿光的频率,根据光电效应方程Ekm=hν-W知,光电子的最大初动能增加,故C正确;若改用红光照射,红光的频率小于绿光的频率,能量比较小,小于金属的逸出功,所以不能产生光电效应,故D错误。
5.B 当光电管两端加上遏止电压光电流为零时,则由动能定理得mv2-0=eUc,所以遏止电压越大,光电子最大初动能越大,有E丙>E甲=E乙,对同一光电管逸出功W0相同,使用不同频率的光照射,有hν-W=mv2,可得hν-W=eUc,所以遏止电压越大,光照频率越大,因此ν丙>ν甲=ν乙,又λ=,可得λ丙<λ甲=λ乙。故A、C、D错误,B正确。
6.B 依据光电效应方程Ek=hν-W可知,Ek-ν图线的斜率代表了普朗克常量h,因此钨和锌的Ek-ν图线应该平行,图线的横轴截距代表了截止频率νc,而νc=,因此钨的νc大些。综上所述,B正确。
7.答案 正 变大
解析 为了能够吸收更多的光电子,阳极应该带正电,即a端应是电源的正极;当照射光的强度增大时,单位时间内射向阴极的光子数将增加,电路中的光电流变大。
8.答案 (1)4.0×1012个 9.6×10-20 J (2)8.0×1012个
9.6×10-20 J
解析 (1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时,光电流达到饱和。由电流可知每秒到达阳极的电子数,即阴极每秒逸出的光电子个数为
n==4.0×1012
根据光电效应方程,光电子的最大初动能为
Ek=hν-W=h-h
代入数据可得Ek=9.6×10-20J。
(2)如果照射光的频率不变,光强加倍,则每秒发射的光电子数加倍,饱和电流增大为原来的2倍。根据光电效应实验规律可得阴极每秒逸出的光电子个数为
n'=2n=8.0×1012
光电子的最大初动能仍然为
Ek=hν-W=9.6×10-20J。
9.D 由Ek=hν-W=h-W可知明火中紫外线波长越长,光电子的最大初动能越小,故A错误;由图乙可知,b图线的遏止电压大于a图线的,由eU=Ek=h-W,可知,b图线表示明火照射,a图线表示太阳光照射,故B错误;结合太阳光与明火中的紫外线光子能量与金属单质的逸出功可知,明火照射光电管时,c、d端有输出电压,故C错误,D正确。
10.AC 根据光电效应规律,保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,则饱和电流变大,故A正确;由爱因斯坦光电效应方程知,入射光的频率变大,产生的光电子最大初动能变大,而饱和电流与入射光的频率和光强都有关,故B错误,C正确;保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,当入射光的频率小于极限频率时,就不能发生光电效应,没有光电流产生,故D错误。
11.A 设能量为2.5eV的光子照射时,光电子的最大初动能为mv2,阴极材料的逸出功为W,根据爱因斯坦光电效应方程有mv2=hν-W,题图中光电管上加的是反向电压,据题意,当反向电压达到U=0.6V以后,具有最大初动能的光电子也不能达到阳极,因此eU=mv2,联立解得,W=hν-eU=(2.5-0.6)eV=1.9eV,故A正确。
12.答案 (1)9×1030个 (2)4×1023个 4×10-4 W
解析 (1)每个能量子的能量
ε=hν=hJ=1.06×10-27J,
则每秒钟电台发射上述波长的光子数为
N==9×1030。
(2)设环状天线每秒钟接收的光子数为n个,以电台发射天线为中心,则半径为R=2.5km的球面积S=4πR2,而环状天线的面积S'=πr2,所以n=×N=4×1023,接收功率P收=·P=4×10-4W。
13.答案 (1) (2)
解析 根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W及动能定理eUc=Ek得Uc=ν-ν0
结合题图乙有k=
解得普朗克常量h=,ν0=。
