2.1 光电效应 学案（粤教版选修3-5）

2.1 光电效应 学案
【学习目标】
（1）了解光电效应的规律及光电管的工作原理。
（2）知道并理解极限频率、遏制电压的概念。
（3）理解光电效应与光的电磁理论的矛盾。21世纪教育网
【学习重点】
光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验
【知识要点】
1、光电效应
实验演示1：用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电 器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电.
概念：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。21世纪教育网
[来源:21世纪教育网]
2、光电效应的实验规律
（1）光电效应实验
如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。光电子在电场作用下形成光电流。
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。
【问题探究】
问题1.怎样理解金属存在极限频率的原因？
解答：光电效应是金属中的自由电子吸收了光子的能量后，其动能大到足以克服金属离子的引力而逃逸出金属表面，成为光电子。对一定的金属来说，逸出功是一定的。照射光的频率越大，从金属中逸出的光电子的初动能就越大。如果如射光子的频率较低，它的能量小于金属的逸出功，就不能产生光电效应，这就是存在极限频率的原因。
问题2.怎样理解光电效应的瞬时性？
解答：由爱因斯坦的光电效应方程可知
hν=mv2-W，只要电子获得的动能大于逸出功，就可产生光电效应，并且每个电子只吸收一个光子。电子吸收光子的能量是瞬间的，故产生光电效应也是瞬时的，不需要时间的积累。
【典型例题】
例1、如图所示为一真空光电管的应用电路,其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014Hz,则下列判断中正确的是( )
(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=0.5μm的光照射光电管时,电路中有光电流产生
(D)光照射的时间越长,电路中的光电流越大
答案:BC
例2、如图所示,一验电器与锌板相连,现用一弧光灯照射锌板,关灯后,指针保持一定偏角,下列判断中正确的是( ).
(A)用一带负电(带电量较少)的金属小球与锌板接触,则验电器指针偏角将增大
(B)用一带负电(带电量较少)的金属小球与锌板接触,则验电器指针偏角将减小
(C)使验电器指针回到零后,改用强度更大的弧光灯照射锌板,验电器指针偏角将比原来大
(D)使验电器指针回到零后,改用强度更大的红外线灯照射锌板,验电器指针一定偏转
答案:BC
例3、已知某金属表面接受波长为λ和2λ的单色光照射时，释放出光电子的最大初动能分别为30eV和10eV，求能使此种金属表面产生光电效应的入射光的极限波长为多少
解析：Ek1=hc/λ-W，Ek2=hc/2λ-W，hc/λ0=W ，解以上三式得：λ0=4λ
注意：爱因斯坦光电效应方程(Ekm= hυ-W)是教学大纲的新要求且为Ⅱ级，一定要重视．
【规律总结】
分析光电效应问题的关键：
（1）深刻理解极限频率和逸出功的概念，从能量转化角度理解最大初动能。
（2）必须掌握光电效应的规律：①产生条件：每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大；③光电效应的产生几乎是瞬时的，一般不超过10-9s。
【当堂反馈】
1．对光电效应的解释，正确的是[ ]
A．金属内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逸出时需要做的最小功，光电效应便不能发生了
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的入射光的最低频率也不相同
2．下列哪些说法是正确的是[ ]
A．光子说完全否定了波动说
B．光的波粒二象性是指光与宏观概念中的波与粒子很相似
C．光的波动说和光子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有不能解释的实验现象
D．光的波粒二象性才是对光的本性的正确认识
3．用光照射金属表面，没有发射光电子，这可能是( )
（A）入射光强度太小 （B）照射的时间太短
（C）光的波长太短 （D）光的频率太低
4．光照射到某金属表面，金属表面有光电子逸出，则( )
（A）若入射光的频率增加，光的强度减弱，那么逸出电子的最大初动能可能不变
（B）若入射光的频率不变，光的强度减弱，那么单位时间内逸出电子数目减少
（C）若入射光的频率不变，光的强度减弱到不为零的某一数值时，可能不再有电子逸出
（D）若入射光的频率增加，而强度不变，那么单位时间内逸出电子数目不变，而光电子的最大初动能增大
5．用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是（ ）
（A）有电了从锌板飞出 （B）有光子从锌板飞出
（C）验电器内的金属箔带正电 （D）验电器内的金属箔带负电
6．如图所示，用一束光照射光电管时，电流表A中有一定读数，下列措施中有可能使电流表的示数增大的是（ ）
（A）增大入射光的频率
（B）增大入射光的强度
（C）滑片P向右移动
（D）滑片P向左移动
7．如图所示，a、b是两束频率不同的单色光，当它们从真空中以相同的入射角射入玻璃中，发生了如图所示的折射，则下面说法中正确的是（ ）
（A）玻璃对光束a的折射率大
（B）若光从玻璃射向空气，光束a的临界角比光束b的临界角大
（C）光束a中的光子的能量较小
（D）在玻璃中光束a的波长较长
8．已知铯的极限频率4.545×1014Hz．钠的极限频率为6.000×1014Hz，银的极限频率为1.153×1015Hz，铂的极限频率为1.529×1015Hz．当用波长为0.375μm的光照射它们时，可发生光电效应的物质是________
9．用频率为6.00×1014Hz的光照射钠片，恰可使钠发生光电效应，现改用频率为8.00×1014Hz的紫外线照射，飞出的光电子的最大初动能应该为多少？
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【参考答案】
1．BC 2．CD 3.D 4.BD 5.AC 6 .BD 7 .BC
8．铯和钠 9．1.33×10-19J
【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，验电器的指针就张开一个角度，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，指针带正电； D、锌板带负电，指针带负电。
2、一束绿光照射某金属发生了光电效应，则以下正确的是：
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不变；21世纪教育网
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，则逸出的光电子的最大初动能增加；
D、若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目一定增加。
3、光电效应的四条规律中，波动说仅能解释的一条规律是
A、入射光的频率必须大于、等于被照射金属的极限频率才能产生光电效应；21世纪教育网
B、发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比；21世纪教育网21世纪教育网
C、光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大；
D、 光电效应发生的时间极短，一般不超过10-9s 。
4、对于光电效应的解释，正确的是：
A、金属内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逸出时需要做的最小功，光电效应便不能发生了；
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；21世纪教育网
D、由于不同的金属的逸出功是不同的，因此，使不同的金属产生光电效应的入射光的最低频率也不相同。
5、某介质中光子的能量是E，波长是λ，则此介质的折射率是：（C为真空中传播的速度）
A、λE/h ； B、λE/ch ； C、ch/λE ； D、h/λE 。21世纪教育网
【达标训练参考答案】
1、B 2、C 3、B 4、BD 5、C
【反思】
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疑问