2017-2018学年高二物理粤教版选修3-5教师用书：第2章 第1节 光电效应 第2节 光子

第一节　光电效应
第二节　光子
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道什么是光电效应现象．
2．知道光电流、极限频率、遏止电压的概念，掌握光电效应的实验规律．(重点)
3．理解经典电磁理论在解释光电效应时的困难．
4．知道普朗克提出的能量量子假说．
5．理解爱因斯坦的光子说．(重点、难点)
6．会用光电效应方程解释光电效应．(重点、难点)
光电效应、光电流及其变化
1．光电效应：金属在光的照射下发射电子的现象称为光电效应，发射出来的电子称为光电子．
2．光电管：光电管是由密封在玻璃壳内的阴极和阳极组成．阴极表面涂有碱金属，容易在光的照射下发射电子．
3．光电流：阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流．
4．发生光电效应时，入射光的强度增大，则光电流随之增大．
1．光电子是光照射下发射出来的电子，因此光电子仍然是电子．(√)
2．入射光的频率较高时，会发生光电效应现象，光电流随着光照强度的增强而增大．(√)
3．入射光的频率较低时，无论光照强度多大，都不会发生光电效应．(√)
　你对光电效应中的“光”是怎样认识的？
【提示】　这里的光，可以是可见光，也可以是紫外线、X光等．
1．在发生光电效应的条件下，光电流的大小或单位时间内逸出的光电子数目由光的强度决定．
2．存在着饱和电流．入射光强度一定，单位时间内阴极K发射的光电子数一定．入射光越强，饱和电流越大．表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．
1．(多选)如图2-1-1所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是 (　　)
图2-1-1
A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
B．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转
C．锌板带的是负电荷
D．锌板带的是正电荷
【解析】　将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A、D正确，C错误．红光不能使锌板发生光电效应，故B错误．
【答案】　AD
2．当某种单色光照射到金属表面时，金属表面有光电子逸出，如果光的强度减弱，频率不变，则单位时间内逸出的光电子数________．
【答案】　减少
1．光电效应中的光包括不可见光(如：紫外线等)．
2．光电效应的实质：光现象→电现象．
极限频率和遏止电压
1．极限频率
对于每一种金属，只有当入射光的频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流，ν0称为极限频率(也叫截止频率)．
2．遏止电压
在强度和频率一定的光照射下，当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压．用符号U0表示．
3．遏止电压与光电子最大初动能的关系
mv＝eU0.
4．经典电磁理论解释的局限性
按照光的电磁理论，只要光足够强，任何频率的光都应该能够产生光电子，出射电子的动能也应该由入射光的能量即光强决定．但是实验结果却表明，每种金属都对应有一个不同的极限频率，而且遏止电压与光的频率有关，与光的强度无关．
1．发生光电效应一定要用可见光．(×)
2．遏止电压与入射光的强弱无关，与入射光的频率有关．(√)
3．光电子的最大初动能只与入射光的频率有关．(√)
在光电效应实验中如果入射光的频率一定而强度增加，将会产生什么结果？如果入射光的频率增加，又将会产生什么结果？
【提示】　当入射光频率高于金属的极限频率时，光强增加，发射的光电子数增多；当入射光频率低于金属的极限频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来．入射光的频率增加，发射的光电子最大初动能增大．
1．遏止电压随光的频率的增大而增大，与光的强度无关，说明光电子的最大初动能随光的频率的增大而增大，与光的强度无关．
2．随反向电压的增大，光电流逐渐减小，说明金属中逸出的光电子的初动能是不同的，而遏止电压对应光电子的最大初动能．
3．电磁理论解释光电效应的三个困难
电磁理论认为：光的能量是由光的强度决定，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关．
电磁理论
光电效应实验结果
困难1
按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应
如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不能发生光电效应
困难2
光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大．即出射电子的动能应该由入射光的能量即光强来决定
遏止电压与光强无关，与频率有关
困难3
光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长
当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎瞬时就产生了光电子
3．光电效应实验中，下列表述正确的是(　　)
A．光照时间越长光电流越大
B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率无关
D．入射光频率大于极限频率才能产生光电子
【解析】　在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小，故A、B错误，D正确．遏止电压与入射光频率ν有关，即C错误．
【答案】　D
4．(多选)利用光电管研究光电效应实验如图2-1-2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 (　　)
图2-1-2
A．用紫外线照射，电流表一定有电流通过
B．用红光照射，电流表一定无电流通过
C．用红外线照射，电流表可能有电流通过
D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过
【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正确．因不知阴极K的截止频率，所以用红光照射时，也可能发生光电效应，所以选项B错误，C正确．即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项D错误．
【答案】　AC
关于光电效应的三点提醒
1．发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的极限频率，即ν＞ν0.
2．光电子的最大初动能与照射光的频率及金属有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少．
3．在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．
能量量子假说与光子假说
1．能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν称为一个能量量子，其中ν是辐射频率，h称为普朗克常量．
2．普朗克常量：h＝6.63×10－34 J·s.
3．光子假说：光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子．一个光子的能量为ε＝hν.
4．黑体：(1)能够全部吸收所有频率的电磁辐射的理想物体．绝对的黑体实际上是不存在的．
(2)普朗克利用能量量子化的思想和热力学理论，才完美地解释了黑体辐射谱．
1．1900年，德国物理学家普朗克首次提出了能量量子假说．(√)
2．1905年，在普朗克能量量子假说的启发下，爱因斯坦提出了光子假说．(√)
3．光子说中的光子就是光电子．(×)
4．能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体．(√)
1．如何解释测量一杯水温的温度计的温度示数连续变化而不是一份一份的？
【提示】　每一份能量量子很小(微观量)，温度计示数变化1 ℃对应变化的能量很大(宏观量)，由于温度计的精度不够，所以观察到的温度计温度不是一份一份地变化的．
2．黑体是指黑颜色的物体吗？
【提示】　黑体不是指黑颜色的物体，是指能完全吸收电磁波的物体.
光电效应方程及其解释
1．逸出功：电子能脱离离子的束缚而逸出金属表面时所需做的最小功．用W0表示．
2．光电效应方程：hν＝mv＋W0.
式中hν表示入射光子的能量，ν为入射光的频率．
3．光电效应的条件：光子的能量ε＝hν必须大于或至少等于逸出功W0.即ν≥.
4．遏止电压对应着光电子的最大初动能，它们的关系为eU0＝mv.
1．同一频率的光照射不同的金属表面，光电子的最大初动能可能相同．(×)
2．对于某种金属，也就是逸出功W0一定的情况下，出射光电子的最大初动能只与入射光频率有关，与光的强弱无关．(√)
3．物体内部的一个电子一般只吸收一个光子的能量．(√)
按照光的经典电磁理论，如果入射光很弱，电子需要一段时间才能获得逸出金属表面所需的能量．而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的，这又如何解释？
【提示】　光子的能量是一份份的．当光照射到金属表面时，表面的金属电子一次性吸收了一个光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电子几乎是瞬间产生的．
1．光电效应方程的理解
(1)光电效应方程Ek＝hν－W0中，Ek为光电子的最大初动能，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)光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关．
(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝就是金属的极限频率．
(4)光电效应方程实质上是能量守恒方程．
(5)逸出功W0：电子从金属中逸出所需要克服原子核的束缚而消耗的能量的最小值，叫做金属的逸出功．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．
2．光子说对光电效应的解释
(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．
(2)当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ek＝mv＝hν－W0，其中W0为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的最大初动能越大．而遏止电压U0对应着光电子的最大初动能，即eU0＝mv.所以当W0一定时，U0只与入射光的频率ν有关，与光照强弱无关．
(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，所以光电效应的发生几乎是瞬时的．
(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，光电流也就越大．
5．(多选)已知能使某金属产生光电效应的截止频率为ν0，则(　　)
A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0
C．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大
D．金属的逸出功与照射光的频率无关
【解析】　根据截止频率跟逸出功的关系W0＝hν0，光电效应方程mv＝hν－W0，判断A、B、D正确．
【答案】　ABD
6．紫光在真空中的波长为4.5×10－7m，问：
(1)紫光光子的能量是多少？
(2)用它照射极限频率为ν0＝4.62×1014 Hz的金属钾时能否产生光电效应？
(3)若能产生，则光电子的最大初动能为多少？(h＝6.63×10－34 J·s)
【解析】　(1)紫光光子的能量
E＝hν＝h＝4.42×10－19 J.
(2)紫光频率
ν＝＝6.67×1014 Hz，
因为ν>ν0，所以能产生光电效应．
(3)光电子的最大初动能为
Ekm＝hν－W＝h(ν－ν0)
＝1.36×10－19 J.
【答案】　(1)4.42×10－19 J　(2)能
(3)1.36×10－19 J
1．极限频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W＝hν0.
2．某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比．