第四章　2　第1课时　光电效应 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

2　光电效应
第1课时　光电效应
[学习目标]　
1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律，知道光电效应与电磁理论的矛盾(重点)。
2.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题(难点)。
一、光电效应的实验规律
如图所示，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。
(1)观察到验电器指针如何变化？
(2)这个现象说明什么？
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1．光电效应现象
(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_______________________________________。
2．光电效应的实验规律
(1)存在____________或极限频率νc：当入射光的频率________某一数值νc时不发生光电效应。
实验表明，不同金属的截止频率________。换句话说，截止频率与金属________有关。
(2)存在____________：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流________。
这表明对于一定频率(颜色)的光，入射光________，单位时间内发射的光电子数________。
(3)存在____________：使光电流减小到______的反向电压Uc，且满足mevc2＝eUc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的________。
同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时遏止电压也会________。这意味着对于同一种金属，光电子的能量只与入射光________有关，而与光的________无关。
(4)光电效应具有________：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会________产生光电流。
3．光电效应经典解释中的疑难
(1)逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的________值，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小________(填“相同”或“不相同”)。
(2)光电效应经典解释
①不应存在________频率。
②遏止电压Uc应该与光的强弱______关。
③电子获得逸出表面所需的能量需要的时间____________实验中产生光电流的时间。
如图是研究光电效应的电路图。请结合装置图及产生的现象回答下列问题。
(1)保持入射光的强度不变，滑动变阻器的滑片向右滑动(增加电压)时，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？
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(2)若将电源的正负极对调，当光强增大时，遏止电压不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？
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例1　如图所示，在演示光电效应的实验中，某同学分别用a、b两种单色光照射锌板。发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度；用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动。下列说法正确的是(　　)
A．增大b光的照射强度，验电器的指针有可能张开一定角度
B．a光在真空中的波长大于b光在真空中的波长
C．a光的频率大于b光的频率
D．若用b光照射另一种金属能发生光电效应，则用a光照射该金属时可能不会发生光电效应
例2　(2022·镇江市高二期末)利用如图所示的电路研究光电效应现象，滑片P的位置在O点的正上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率，且光的强度较大，则(　　)
A．减弱入射光的强度，遏止电压变小
B．P不移动时，微安表的示数为零
C．P向a端移动，微安表的示数增大
D．P向b端移动，光电子到达阳极A的最大动能增大
二、爱因斯坦的光电效应理论
1．光子：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________，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为______。
2．爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式：hν＝____________或Ek＝________。
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是________，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的________。其中Ek为光电子的________初动能。
3．光电效应方程对光电效应实验现象的解释
(1) 只有当hν____W0时，才有光电子逸出，νc＝________就是光电效应的截止频率。
(2) 光电子的最大初动能Ek与___________________________________________
有关，而与光的________无关。这就解释了遏止电压和光强无关。
(3) 电子________吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。
(4)对于同种颜色(频率ν相同)的光，光________时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
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ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc，怎样得到Uc与ν、W0的关系？
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(1)“光子”就是“光电子”的简称。(　　)
(2)逸出功的大小与入射光无关。(　　)
(3)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　)
(4)光电子的最大初动能与入射光的强度成正比。(　　)
例3　(2022·南京市高二期末)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.6 eV的光照射到光电管阴极上时，电流表G有读数。移动滑动变阻器的滑片，当电压表的示数大于或等于0.9 V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是(　　)
A．光电子的初动能可能为0.8 eV
B．光电管阴极的逸出功为0.9 eV
C．开关S断开后，电流表G示数为0
D．改用能量为2 eV的光子照射，电流表G有示数
例4　波长λ＝0.071 nm的伦琴射线使金箔发射光电子，发生光电效应。光电子在磁感应强度为B的匀强磁场区域内做最大半径为r的匀速圆周运动，已知r·B＝1.88×10－4 T·m。电子的质量m＝9.1×10－31 kg，e＝1.6×10－19 C，c＝3.0×108 m/s，h＝6.63×10－34 J·s。试求：
(1)光电子的最大初动能；
(2)该金属的逸出功；
(3)该电子的物质波的波长。
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2　光电效应
第1课时　光电效应
[学习目标]　1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律，知道光电效应与电磁理论的矛盾(重点)。2.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题(难点)。
一、光电效应的实验规律
如图所示，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。
(1)观察到验电器指针如何变化？
(2)这个现象说明什么？
答案　(1)指针张角变小
(2)说明紫外线会让电子从锌板表面逸出。
1．光电效应现象
(1)光电效应：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。
(2)光电子：光电效应中发射出来的电子。
2．光电效应的实验规律
(1)存在截止频率或极限频率νc：当入射光的频率小于某一数值νc时不发生光电效应。
实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。
(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，光电流趋于一个饱和值。实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。
这表明对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，且满足mevc2＝eUc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。
同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时遏止电压也会改变。这意味着对于同一种金属，光电子的能量只与入射光频率有关，而与光的强弱无关。
(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。
3．光电效应经典解释中的疑难
(1)逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的最小值，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)。
(2)光电效应经典解释
①不应存在截止频率。
②遏止电压Uc应该与光的强弱有关。
③电子获得逸出表面所需的能量需要的时间远远大于实验中产生光电流的时间。
如图是研究光电效应的电路图。请结合装置图及产生的现象回答下列问题。
(1)保持入射光的强度不变，滑动变阻器的滑片向右滑动(增加电压)时，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？
(2)若将电源的正负极对调，当光强增大时，遏止电压不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？
答案　(1)说明发生光电效应时，饱和光电流的大小与光的强度有关；入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(2)光电子的能量只与入射光频率有关，而与光的强弱无关。
例1　如图所示，在演示光电效应的实验中，某同学分别用a、b两种单色光照射锌板。发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度；用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动。下列说法正确的是(　　)
A．增大b光的照射强度，验电器的指针有可能张开一定角度
B．a光在真空中的波长大于b光在真空中的波长
C．a光的频率大于b光的频率
D．若用b光照射另一种金属能发生光电效应，则用a光照射该金属时可能不会发生光电效应
答案　C
解析　入射光频率低于极限频率时无法产生光电效应，增大b光的照射强度，仍不会发生光电效应，故A错误；根据a光照射锌板能够发生光电效应可知，a光的频率大于锌板的极限频率，根据b光照射锌板不能发生光电效应可知，b光的频率小于锌板的极限频率，则a光的频率大于b光的频率，a光在真空中的波长小于b光在真空中的波长，故C正确，B错误；根据光电效应实验规律可知，若用b光照射另一种金属能发生光电效应，则用a光照射该金属时一定能发生光电效应，故D错误。
例2　(2022·镇江市高二期末)利用如图所示的电路研究光电效应现象，滑片P的位置在O点的正上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率，且光的强度较大，则(　　)
A．减弱入射光的强度，遏止电压变小
B．P不移动时，微安表的示数为零
C．P向a端移动，微安表的示数增大
D．P向b端移动，光电子到达阳极A的最大动能增大
答案　D
解析　遏止电压仅与入射光频率有关，与入射光强度无关，故A错误；P不移动时，滑片P在O点正上方，光电管两端电压为零，由于入射光的频率大于阴极K的截止频率，则会发生光电效应，微安表应有示数，故B错误；P向a端移动，则光电管两端所加电压为负向电压，阻碍电子向A板运动，则光电流变小，微安表的示数变小，故C错误；P向b端移动，则光电管两端所加电压为正向电压，由eUAK＝EkA－Ek初，光电子到达阳极A的最大动能增大，故D正确。
二、爱因斯坦的光电效应理论
1．光子：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，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
2．爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。其中Ek为光电子的最大初动能。
3．光电效应方程对光电效应实验现象的解释
(1)只有当hν>W0时，才有光电子逸出，νc＝就是光电效应的截止频率。
(2)光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关，而与光的强弱无关。这就解释了遏止电压和光强无关。
(3)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。
(4)对于同种颜色(频率ν相同)的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
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ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc，怎样得到Uc与ν、W0的关系？
答案　由光电效应方程有Ek＝hν－W0，而遏止电压Uc与最大初动能的关系为eUc＝Ek，所以可得Uc与入射光频率ν的关系式是eUc＝hν－W0，即Uc＝ν－。
(1)“光子”就是“光电子”的简称。(　×　)
(2)逸出功的大小与入射光无关。(　√　)
(3)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　×　)
(4)光电子的最大初动能与入射光的强度成正比。(　×　)
例3　(2022·南京市高二期末)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.6 eV的光照射到光电管阴极上时，电流表G有读数。移动滑动变阻器的滑片，当电压表的示数大于或等于0.9 V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是(　　)
A．光电子的初动能可能为0.8 eV
B．光电管阴极的逸出功为0.9 eV
C．开关S断开后，电流表G示数为0
D．改用能量为2 eV的光子照射，电流表G有示数
答案　A
解析　由题意可知，当电压表的示数大于或等于0.9 V时，电流表读数为0，即遏止电压为0.9 eV，对光电子由动能定理可得－eUc＝0－Ekmax，即光电子的最大初动能为0.9 eV，所以光电子的初动能可能为0.8 eV，故A正确；由爱因斯坦光电效应方程Ekmax＝hν－W0，可得W0＝hν－Ekmax＝(3.6－0.9) eV＝2.7 eV，故B错误；由题意可知，当用光子能量为3.6 eV的光照射到光电管上时，电流表G有示数，即有光电子逸出，开关S断开后，光电子仍然能到达阳极，即能形成光电流，故C错误；由于2 eV小于阴极的逸出功，故改用能量为2 eV的光子照射，不能发生光电效应，即电流表G没有示数，故D错误。
例4　波长λ＝0.071 nm的伦琴射线使金箔发射光电子，发生光电效应。光电子在磁感应强度为B的匀强磁场区域内做最大半径为r的匀速圆周运动，已知r·B＝1.88×10－4 T·m。电子的质量m＝9.1×10－31 kg，e＝1.6×10－19 C，c＝3.0×108 m/s，h＝6.63×10－34 J·s。试求：
(1)光电子的最大初动能；
(2)该金属的逸出功；
(3)该电子的物质波的波长。
答案　(1) 4.97×10－16 J　(2) 2.3×10－15 J　(3) 2.2×10－11 m
解析　(1)电子在磁场中半径最大时对应的初动能最大。洛伦兹力提供向心力，
则有evB＝m，Ekm＝mv2
解得Ekm＝，
代入数据解得Ekm≈4.97×10－16 J
(2)由爱因斯坦光电效应方程可得
Ekm＝hν－W0，ν＝
故W0＝－Ekm，
代入数据解得W0≈2.3×10－15 J
(3)由物质波波长公式可得λ′＝
电子的动量p＝mv＝
解得λ′≈2.2×10－11 m。