5.1 光电效应 学案 (1)

5.1
光电效应
学案1
【学习目标】
（1）通过实验了解光电效应的实验规律。
（2）知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。
【学习重点】
光电效应的实验规律，爱因斯坦光电效应方程以及意义
【知识要点】
1、光电效应
在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。
2、光电效应的实验规律
（1）光电效应实验
概念：遏止电压，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当
K、A
间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值
Uc
时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
根据动能定理，有：
（2）光电效应实验规律
①
光电流与光强的关系：饱和光电流强度与入射光强度成正比。
②
截止频率νc
----极限频率，对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc
，当入射光频率ν>νc
时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν
<νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
③
光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间<10-9s。
3、光电效应解释中的疑难
经典理论无法解释光电效应的实验结果。
经典理论认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。
光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。
光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。
4、爱因斯坦的光量子假设
（1）内容
光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν
的光是由大量能量为
E
=hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速
c
运动。
（2）爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能
Ek
。由能量守恒可得出：
W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。Wk为光电子的最大初动能。
（3）爱因斯坦对光电效应的解释
①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。
②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。
③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系
④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
5、光电效应理论的验证
美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程，h
的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。
6．光电效应在近代技术中的应用
（1）光控继电器
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。
（2）光电倍增管
可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。
【典型例题】
例题1：两种单色光a和b，a光照射某金属时有光电子逸出，b光照射该金属时没有光电子逸出，则
(
)
A。在真空中，a光的传播速度较大
B．在水中，a光的波长较小
C．在真空中，b光光子的能量较大
D．在水中，b光的折射率较小
[解析]
根据光电效应产生的条件知道，入射光的频率必须大于或等于金属的极限频率，才能产生光电效应现象，所以a光的频率大于b光的频率。在同一种介质中a光的折射率大
于b光的折射率。根据公式n=C/v，在同一种介质中a光的传播速度小于b光，根据爱因斯坦的光子说，光子的能量E=hγ，a光光子的能量大于b光光子的能量。根据波速公式v=λν，在水中a光的波长小于b光的波长。
[答案]
BD
例题2：现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa>λb>λc，用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应。若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定
(
)
A。a光速照射时，不能发生光电效应
B．c光束照射时，不能发生光电效应
C．a光束照射时，释放出的光电子数目最多
D．c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小
．
[解析]
由a、b、c三束单色光的波长关系λa>λb>λc，及波长、频率的关系知：三束单色光的频率关系为：va[答案]
A
【达标训练】
1．在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针张开了一个角度，如图所示，这时
(
)
A。锌板带正电，指针带负电
B．锌板带正电，指针带正电
C．锌板带负电，指针带负电
D．锌板带负电，指针带正电
2．利用光子说对光电效应的解释，下列说法正确的是(
)
A．金属表面的一个电子只能吸收一个光子
B．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子
C．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出
D．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子
3．光电效应的规律中，经典波动理论不能解释的有
(
)
A。入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才能产生光电效应
B．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大
C入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10—9s
D．当入射光频率大于极限频率时，光电子数目与入射光强度成正比
4．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．光照时间短
D。电源正负极接反
5．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v变化的Ek—v图象，已知钨的逸出功是3．28eV，锌的逸出功是3．34eV，若将两者的图象分别用实线与虚线画在同一个Ek—v图上，则下图中正确的是
(
)
6．用绿光照射金属钾时恰能发生光电效应，在下列情况下仍能发生光电效应的是
(
)
A。用红光照射金属钾，而且不断增加光的强度
B．用较弱的紫外线照射金属钾
C。用黄光照射金属钾，且照射时间很长
D。只要入射光的波长小于绿光的波长，就可发生光电效应
7．在做光电效应演示实验时，，把某金属板连在验电器上，第一次用弧光灯直接照射金属板，验电器的指针张开一个角度，第二次在弧光灯和金属板之间插入一块普通玻璃，再
用弧光灯照射，验电器的指针不张开。由此可以判定，使金属板产生光电效应的是弧光灯中的
(
)
A。可见光成分
B．红外线成分
C。无线电波成分
D．紫外线成分
8．下表给出了一些金属材料的逸出功。
现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h=6．6x10—34j·s，光速c=3．0x108m／s)
(
)
A．2种
B．3种
C．4种
D．5种
9．已知金属铯的逸出功为1．9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大动能为1．0eV，则入射光的波长应为
m。
参考答案：
1.B
2.A
3.ABC
4.BD
5.A
6.BD
7.D
8.A
9.4.3x10-7
【学后反思】
收获
疑问