2019-2020学年高中物理 第二章 波粒二象性 第一节 光电效应学案 粤教版选修3-5

第一节光电效应1.通过实验了解光电效应及极限频率和遏止电压的概念2.理解光电效应与电磁理论的矛盾一、光电效应与光电流1光电效应现象：金属在光的照射下发射电子的现象称为光电效应，发射出来的电子叫做光电子2光电管可以把光信号转变成为电信号3光电流：光电管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(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应()(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关()(3)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：(1)(2)(3)二、光电流的变化实验表明：频率不变的情况下，入射光的强度越强，光电流越大；光的强度保持不变，入射光的频率越高，光电流越大三、极限频率对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率0时，才会产生光电流，将0称为极限频率，其对应的波长称为极限波长它们之间的关系0.四、遏止电压1在强度和频率一定的光的照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，并且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，光电子的最大初始动能与遏止电压的关系mveu02实验表明：遏止电压只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关，也就是说光电子的最大初动能只与入射光的频率有关五、经典电磁理论解释的局限性经典物理学里光的电磁理论在解释光电效应实验时遇到了根本性的困难光电效应的实验规律1每种金属都有一定的极限频率，当入射光的频率低于极限频率时，不管入射光的强度多大、照射时间多长都不会产生光电子，一旦入射光的频率超过极限频率，则不管光有多么弱都会产生光电效应，发出光电子2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3光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关遏止电压随光的频率的增大而增大，与光的强度无关4从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在109 s内发生光电效应遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关(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；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小综上所述，选项b、d正确答案bd(多选)用紫光照射某金属恰可发生光电效应，现改用较弱的太阳光照射该金属，则()a可能不发生光电效应b逸出光电子的时间明显变长c逸出光电子的最大初动能不变d单位时间逸出光电子的数目变小解析：选cd.由于太阳光含有紫光，所以照射金属时发生光电效应且逸出光电子的最大初动能不变，又因为光强变弱，所以单位时间逸出光电子的数目变小，c、d正确，a错误；产生光电效应的时间几乎是瞬时的，b错误经典电磁理论与光电效应的矛盾1矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光频率决定，与光强无关2矛盾之二：存在极限频率按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在极限频率而实验表明：不同金属有不同的极限频率，入射光频率高于极限频率时才会发生光电效应3矛盾之三：光电效应具有瞬时性按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出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关于光电效应，下列几种表述正确的是()a光电流的强度与入射光的频率成正比b光电流的强度与入射光的强度无关c用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能要大d对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应解析光电流的强度与入射光强度成正比，与频率无关，选项a、b错误不可见光既包括频率比可见光大的紫外线、x射线、射线，也包括频率比可见光小的红外线、无线电波，选项c错误正确选项为d.答案d光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态)因为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，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比 随堂检测1关于光电效应现象，下列说法正确的是()a只有入射光的波长大于该金属的极限波长，才会发生光电效应b光电流的产生与否和入射光强度有关c光电流的产生与否和入射光频率有关d只有可见光才能使金属发生光电效应解析：选c.入射光波长大，对应频率小；光电效应有无和入射光频率有关，和光的强度无关；不是可见光也可使金属发生光电效应2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，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，指针带正电d锌板带负电，指针带负电解析：选b.锌板原来不带电，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在弧光灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针亦带正电故选b项3(多选)在光电效应实验中，分别用频率为a、b的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为ua和ub、光电子的最大初动能分别为eka和ekb.h为普朗克常量下列说法正确的是()a若ab，则一定有uaubb若ab，则一定有ekaekbc若uaub，则一定有ekaekb d若ab，则一定有haekahbekb解析：选bc.设该金属的逸出功为w，根据爱因斯坦光电效应方程有ekhw，同种金属的w不变，则逸出光电子的最大初动能随的增大而增大，b项正确；又ekeu，则最大初动能与遏止电压成正比，c项正确；根据上述有euhw，遏止电压u随增大而增大，a项错误；又有hekw，w相同，则d项错误4.研究光电效应的电路如图所示用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极k)，钠极板发射出的光电子被阳极a吸收，在电路中形成光电流下列光电流i与a、k之间的电压uak的关系图象中，正确的是()解析：选c.频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大只有图象c正确课时作业一、单项选择题1光电效应的实验规律中，经典电磁理论能解释的是()a入射光的频率必须大于被照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强度无关，只与入射光的频率有关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109sd当入射光频率大于极限频率时，光电流强度与入射光强度成正比解析：选d.解决这类问题的关键是理解光电效应的产生条件、规律，还要知道经典电磁理论解释的局限性2某不可见光照射到钠银锌的合金光电管表面上发生了光电效应，若入射光的强度减弱且时间缩短，但频率保持不变，那么以下说法正确的是()a光照射到光电管表面到发射出光电子之间的时间间隔明显增加b逸出的光电子到达阳极的困难增大c单位时间内从金属表面逸出的光电子的数目减少d有可能不再产生光电效应解析：选c.由光电效应的基本规律知，光的频率不变，逸出的光电子的最大初动能不变；入射光的强度减弱，单位时间内照射到金属上的光子数减少，因而单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少；只要入射光的频率大于金属的极限频率，就能产生光电效应，并且是瞬时的，不会因入射光的强度减弱而延长时间3在光电效应实验中，如果需要增大光电子到达阳极时的速度，可采用的方法是()a增加光照时间b增大入射光的波长c增大入射光的强度 d增大入射光的频率解析：选d.在正向电压一定的情况下，光电子到达阳极的速度应取决于光电子逸出金属表面时的最大初动能，与入射光的强度和光照时间无关，所以选项a、c错误而最大初动能与入射光的频率有关，频率越大，最大初动能越大，所以选项b错误，选项d正确4当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时()a锌板带负电b有正离子从锌板逸出c有电子从锌板逸出d锌板会吸附空气中的正离子解析：选c.锌板在紫外线的照射下产生了光电效应，说明锌板上有光电子飞出，所以锌板带正电，c正确，a、b、d错误5一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是()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不变b若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子将具有更大的动能c若改用紫光照射，则逸出的光电子将具有更大的动能d若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目增加解析：选c.在光电效应中，入射光的频率决定能否发生光电效应在能产生光电效应时，入射光的强度影响单位时间内逸出的光电子数目，入射光的频率影响逸出的光电子的初动能的大小，选项c正确6用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是()a改用频率更小的紫外线照射b改用x射线照射c改用强度更大的原紫外线照射d延长原紫外线的照射时间解析：选b.金属发生光电效应必须使光的频率大于极限频率，x射线的频率大于紫外线的频率7如图所示为一光电管电路，滑动变阻器滑动触头p位于ab上某点，用光照射光电管阴极，电表无偏转，要使电表指针偏转，可采取的措施有()a加大照射光强度b换用波长短的光照射c将p向b滑动d将电源正负极对调解析：选b.由光电管电路图可知阴极k电势低，阳极a电势高，如果k极有电子飞出，则它受到的电场力必向左，即将向左加速，然而现在g中电表指针无偏转，说明没有发生光电效应，这仅能说明照射光频率太低这与光强、外加电压的大小及方向均无关可见要使指针发生偏转需增大照射光频率即缩短照射光的波长二、多项选择题8光电效应实验的装置如图所示，则下面说法中正确的是()a用紫外光照射锌板，验电器指针会发生偏转b用绿色光照射锌板，验电器指针会发生偏转c锌板带的是正电荷d使验电器指针发生偏转的是正电荷解析：选acd.将擦得很亮的锌板连接验电器，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光的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出去，锌板中缺少电子，于是带正电，a、c、d选项正确绿光不能使锌板发生光电效应9如图所示，电路中所有元件完好，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电源正负极接反解析：选bd.光电管电路中形成电流的条件：一是阴极在光的照射下有光电子逸出，二是逸出的光电子应能在电路中定向移动到达阳极其中有无光电子逸出决定于入射光的频率是否高于阴极材料的极限频率，与入射光的强弱、照射时间长短无关；光电子能否到达阳极，应由光电子的初动能大小和光电管两极间所加电压的正负和大小共同决定一旦电源正负极接反，如果具有最大初动能的光电子也不能到达阳极，即使发生了光电效应，电路中也不能形成光电流故该题的正确选项是b、d.10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4.51014 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0.5 m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，电路中的电流越大解析：选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据此可判断a、d错误波长0.5 m的光子的频率 hz61014 hz4.51014 hz，可发生光电效应，所以选项b、c正确三、非选择题11太阳能光电直接转换的基本原理是利用光电效应，将太阳辐射直接转换成电能如图所示是测定光电流的电路简图，光电管加正向电压(1)判断电源和电流表的正、负极；(2)入射光应照射在_极上；(3)若电流表读数是10 a，则每秒钟从光电管阴极发射出的光电子至少_个解析：(1)要形成光电流，应加正向电压，即电源左边是正极，右边是负极电流表是上正下负(2)由题图可以看出，光电管的b极为阴极，所以光应照在b极上(3)qit101061 c105 c，而n，所以含有6.251013个光电子答案：(1)电源左边是正极，右边是负极电流表是上正下负(2)b(3)6.25101312如图所示，一静电计与锌板相连，在a处用一弧光灯照射锌板，关灯后，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，则静电计指针偏角将_(填“增大”“减小”或“不变”)(2)使静电计指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，静电计