光电效应 光子二 人教版

1、光电效应 光子二【学习目标】1知道光电效应现象及其规律2知道光电效应现象与经典电磁理论的主要矛盾3知道光子说的主要内容，并能用其解释光电效应现象4了解光电效应方程及逸出功【学习障碍】1理解障碍如何理解光电效应现象及其规律；如何理解光电效应的规律与经典的光的波动理论的矛盾2解题障碍理解光子说及其对光电效应的解释；理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题【学习策略】1理解障碍(1)演示观察法，理解光电效应现象肉眼直接看不见电子，那么怎样才能知道金属表面有电子逸出呢？如图2111所示的就是光电效应的实验装置，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，说明验电器带了电用带正电的玻璃棒靠近验电

2、器，验电器指针张开的角度会进一步增大，说明验电器带的是正电，这就说明在弧光灯的照射 下，锌板中有一部分自由电子从表面飞了出去图2111说明：现在做这个实验时大多用紫外线灯管代替弧光灯光电效应主要是紫外线引起的，但是紫外线灯管也能发出淡蓝色的可见光，所以实验时不必强调紫外线的作用光电效应演示器有厂制的成套仪器，效果不错为了改善演示效果，也可以先使验电器带负电，指针张开，光照后锌板失去电子，指针张角变小实验时注意，不要使光源离锌板太近，以免在紫外线照射下电离的空气对实验产生干扰(2)并列比较法理解光电效应现象和静电感应现象如图2111，把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

3、电器的指针就张开一个角度，此时锌板由于发射出光电子而带正电而验电器与锌板相连成一个整体，故验电器指针上也带正电,如果是静电感应,验电器指针虽然也会张开一个角度，但静电感应时没有电子逸出，只是自由电子在锌板与指针间的定向移动，因此指针和锌板所带电的电性是相反的另外，当发生光电效应时，由于连续照射使光电子不断地逸出，验电器指针张开的角度会逐渐变大，而静电感应是使指针瞬时张开一定的角度(3)层析法理解光电效应的规律光电效应的规律可分为以下几个层面理解：任何一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发生光电效应，低于这个极限频率不能产生光电效应，不同金属的极限频率不同光电子的最大初

4、动能与入射光强度无关，只随入射光的频率的增大而增大从入射光照射到光电子发射几乎是瞬时的，一般不超过109 s发生光电效应时光电流强度与入射光强度成正比上述规律可总结为以下两个方面：照射光频率决定着照射光强度决定着单位时间内发射出来的光子数例1入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么A从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B逸出的光电子的最大初动能将减小C单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D有可能不发生光电效应解析：光电效应几乎是瞬时发生的，与入射光强度无关，A不对由于已经发生光电效应，说明入射光的频率大于该金属的极限频率，当频率保

5、持不变时，一定仍能发生光电效应，D选项不对但入射光的强度减弱，说明单位时间内入射到金属表面的光子数减少，所以单位时间内从金属表面逸出的光电子数目也将成正比地减少，C选项正确逸出的光电子的最大初动能与入射光频率有关，与入射光强度无关，B不对答案：C(4)现象推理法理解光电效应的规律与经典的光的波动理论的矛盾光电效应的三条规律都无法用经典的电磁理论来解释矛盾之一：按光的波动理论，光的强度由光振动的振幅决定，光的强度与频率无关，因此不论频率如何，只要照射时间长或光的强度大就可以产生光电效应， 但实验结果表明：产生光电效应的条件却是入射光频率大于某一极限频率矛盾之二：光电效应的最大初动能与入射光频率成

6、线性关系，与光强无关根据能量的观点，电子要从物体中飞出，必须使之具有一定的能量，而这一能量只能来源于照射光，为什么实验表明发射电子的能量与照射光的光强无关，而与光的频率有关？这个问题曾使物理界大为困惑，使经典的光的波动理论面临挑战矛盾之三：光电效应产生的时间极短因为一束很细的光照射到物体上时，它的能量将分布到大量的原子上，怎么可能在极短的时间内把足够的能量集中到电子上而使之从物体中逸出?2解题障碍(1)层析法理解光子说光子说可分为以下几个层面理解1900年，德国物理学家普朗克在研究电磁波的辐射规律时发现：只有假设电磁波的能量不是连续的，是一份一份地进行，每一份能量为 h，其中是电磁波的频率，h

7、是普朗克常量，数值为6.63×1034 J·s，这样才能使理论计算结果和实际相符在普朗克学说的启发下，爱因斯坦于1905年提出光子说，即空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，一个光子的能量为Eh,为光的频率，h就是上面讲的普朗克恒量爱因斯坦的光子说与牛顿的微粒说有本质区别牛顿微粒说中的“微粒”是宏观概念中的弹性小球；而光子不是宏观概念中的弹性小球，它不能“静止”，只能以光速运动，它的能量E与它的频率成正比，Eh，而不是mv2，当光从真空进入介质时，光速要变小，但其光子能量是不变的学习过光的干涉、衍射现象和光电效应现象以及光子的能量Eh都充分显现了光

8、的波粒二象性例2(2000年上海)下列关于光的说法中正确的是A在真空中红光波长比紫光波长短B红光光子能量比紫光光子能量小C红光和紫光相遇时能产生干涉现象D红光照射某金属时有电子向外发射，紫光照射该金属时一定也有电子向外发射解析：光的颜色由光的频率所决定，红光的频率比紫光的频率低，真空中光的速度是c3×108 m/s，而c，因红紫，故红紫，A选项错光子能量Eh，故红光光子能量比紫光小，B选项正确不同频率的光不能发生干涉，C错红光照射某金属发生光电效应，紫光的频率比红光高，一定也能发生光电效应，D 选项也对答案：BD(2)分析综合法破解涉及光子能量的题目例3已知每秒钟从太阳射到地球的垂直

9、于太阳光的每m2截面上的辐射能为1.4×103 J ,其中可见光部分约占45%,假如认为可见光的波长为0.55 um,日地间距离R1.5×1011 m ,普朗克常量h6.6×1034 J·s,因此可估算出太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数约为_(只要求两位有效数字)解析：太阳向各个方向辐射能量，实质上是以太阳中心为球心的球面向前推进，在地球所在的球面上，太阳每秒钟辐射出来的总能量E4R2×1.4×103 (J)每个可见光的光子能量Eh，,E0设每秒钟辐射出的是可见光的光子数为n ,依题意有n·E×45%n4.9

10、15;1044说明：此题考查有关光子能量以及波速、波长、频率之间关系的综合分析计算，考查的重点在于利用基础知识进行综合分析的能力和计算能力，相当一部分考生不能从复杂的数据运算中得出准确的结论，这是值得注意的另外还要注意题目要求保留两位有效数字这一细节(3)能量观点法理解光电效应表现出的基本规律a极限频率的存在：发生光电效应时，光子要打击出光电子，这是发生光电效应现象的基本着眼点为了把电子从原子核的束缚下解脱出来，就要使电子获得足够的能量，在数值上至少等于电子在摆脱束缚时克服原子核的库仑力等所做的功(称为脱出功或逸出功)根据光子能量Eh可知，恰使电子脱出时对应的光子的频率0就是极限频率如果光子频

11、率0，即Ehh0，则光子传给电子的能量不足以使电子摆脱原子核的束缚,不能发生光电效应如果0，即Ehh0,就可以使电子摆脱原子核的束缚，成为光电子，也就是可以发生光电效应极限频率是发生光电效应的光子的最低频率，根据c可知，对应于极限频率0的波长0，为发生光电效应的光的最长波长，称为极限波长b光电子的最大初动能：由于光子和电子都是微观粒子，在光子的能量传递给电子的过程中，只能是一个光子对一个电子的行为，很难发生两个光子同时打到同一个电子上或一前一后打在电子上的事情从能量角度上，一个光子的能量传递给电子后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，其剩余能量以光电子的动能形式存在这样，光电子的最大初动能Ekmm

12、vkm2hW(此式称为爱因斯坦光电效应方程)可见，光子的频率越大，光子能量Eh越大，减去逸出功W后剩余的能量越多，从而电子的初动能越大说明：光电效应反映的是微观粒子的相互作用问题，是入射光中一个光子与金属中逸出的一个光电子间的一对一的关系，从能量角度理解光电效应中呈现的规律，就比较容易记忆和运用例4用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应对于这两个过程，下列四个物理量中，一定相同的是_,可能相同的是_,一定不同的是_A照射光子的能量B光电子的逸出功C光电子的动能D光电子的最大初速度解析：光子的能量由光频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量Eh相同，逸出功等于电子

13、脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此，只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功W一定不相同，由光电方程mv2hW知，照射光子能量h 相同，逸出功W不同，则电子最大初动能必不相同，光电子质量m相同，所以最大初速度一定不同又由于电子吸收光子后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动并不出来，向金属表面运动的电子经过的路径不同,损失的能量也不同,因此从同一金属表面出来的光电子的初动能可能相同也可能不同同样，从锌片和银片中出来的光电子的动能就有可能相同也可能不同答案：A；C；B、D说明：要明确光子的能量、逸出功、光电子的最大初动能与哪些因素有关，还应注意光电子的最大初动能和初动能的区别(4)

14、运用公式法和图象法解决简单问题例5某种金属的逸出功是3 eV，用波长500 nm的绿光照射该金属能否发生光电效应？用波长400 nm的紫光照射能否发生光电效应？光电子的最大初动能是多少？解析：思路1金属逸出功Wh0(0为极限频率)，若07.24×1014 Hz,由c得出,绿光频率绿6×1014 Hz紫光频率紫7.5×1014 Hz绿0，,所以绿光照射不能发生光电效应紫0，所以紫光照射能够发生光电效应EkhW6.63×1034×7.5×10143×1.6×10190.17×1019 J0.11 eV紫光照射

15、产生的光电子的最大初动能为0.11 eV思路2入射光子能量大于金属的逸出功就可以发生光电效应根据光电效应方程EkhW，光电子的最大初动能等于入射光子能量减去金属逸出功绿光光子能量E绿h绿h663×1034×398×1019 J2.49 eV紫光光子能量E紫h紫h6.63×1034×4.97×1019 J3.11 eV由题意知,W3 eV，E绿W,所以绿光不能发生光电效应E紫W,所以紫光能够发生光电效应且光电子最大初动能EkhW3.11 eV3 eV0.11 eV例6在做光电效应实验中，某金属被光照射发生了光电效应，实验测出了光电子的最

16、大初动能Ek与入射光的频率的关系如图2112所示，由实验图象可求出图2112A该金属的逸出功B该金属的极限频率C单位时间内逸出的光电子数D普朗克常量解析:根据爱因斯坦光电效应方程EkhW,任何一种金属的逸出功W一定,说明Ek随的变化而变化,且是线性关系(与yaxb类似),直线的斜率等于普朗克常量,D选项正确直线与纵轴的截距OC表示若0时的光电子逸出克服金属引力所做的功，即为该金属的逸出功，A选项正确直线与横轴的截距OA表示Ek0时的频率0，即为金属的极限频率，B选项正确答案：ABD说明：处理此类问题，一定要先确定横纵两轴分别代表什么，然后再确定图线斜率及图线与横纵轴截距的物理意义，注意将有关的

17、物理知识和数学的图线联系起来，培养用数学知识解决物理问题的能力【同步达纲练习】1在演示光电效应的实验中，原来不带电的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2113所示，这时图2113A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，则下列说法正确的是A若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加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，则可能不会发生光电效应D若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加3光电效应的四条规律中，波动说不能解释的有A入射

18、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109 sD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4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，就能逸出金属表面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所需做的最小功，便不能发生光电效应C发生光电效应，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

19、也不同5一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光，分别照射到相同的金属板a、b、c上，如图2114所示，已知金属板b有光电子放出，则可知图2114A板a一定不放出光电子 B板a一定放出光电子C板c一定不放出光电子 D板c一定放出光电子6(2000年北京、安徽春季高考)某种金属在单色光照射下发射出光电子，这光电子的最大初动能A随照射光强度的增大而增大B随照射光频率的增大而增大C随照射光波长的增大而增大D与照射光的照射时间无关7功率为1 W的普通灯泡有5%的电能转化为可见光能，则可估算1 s 内释放的可见光的光子数约多少个？(取1位有效数字)8已知铯的极限频率为4.545×1

20、014 Hz，钠的为6.000×1014 Hz，银的为1.153×1015 Hz，铂的为1.529×1015 Hz当用波长为0.375 m的光照射它们时，可发生光电效应的是_9在绿色植物光合作用中，每放出一个氧分子要吸收8个波长为6.88×107 m的光子，同时每放出1 mol氧气，植物储存469 kJ的能量，绿色植物能量转换效率为(普朗克常量h6.63×1034 J·s)A29%B34%C37%D40%参考答案【同步达纲练习】1答案：B解析：弧光灯照射锌板，将产生光电效应，即锌板逸出电子，锌板因失掉电子而带正电，与之相连的验电器也带

21、正电2答案：AD解析：光电效应的规律表明：入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能大小，当入射光频率增加后，产生的光电子最大初动能也增加；而照射光的强度增加，只使单位时间内的逸出光电子数增加，紫光频率高于绿光，故上述选项正确的有A、D3答案：ABC解析：按经典光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必须吸收足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度大，单位时间内辐射到金属表面的光子数愈多，被电子吸收的光子数自然也多，这样产生的光电子数也多，但光子不一定全部形成光电流，故上述选项中正确的是A、B、C

22、4答案：BD解析：按照爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率决定的，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，须使电子具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，但电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子，否则只要光的频率低，而照射时间足够长，也会发生光电效应电子从金属中逸出时只有在从金属表面向外逃出的电子克服原子核的引力所做的功最小，这个功称为逸出功，不同金属的逸出功不同，故上述选项中正确的有B、D5答案：D解析：本题考查光的色散和光电效应的极限频率两个知识点，入射光进入玻璃介质中，介质对不同频率的单色光折射率不同，频率越大的光通过三棱镜后偏折的越多，由图知，照射到a、b、