4.2 光电效应-学案

4.2光电效应【学习目标】一、知识与技能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。3．了解康普顿效应，了解光子的动量。4．了解光既具有波动性，又具有粒子性。二、过程与方法经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。三、情感、态度与价值观领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。【学习重点】光电效应的实验规律。【学习难点】爱因斯坦光电效应方程以及意义。【学习过程】一、光电效应的实验规律1．光电效应（1）在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射_________的现象叫做光电效应。（2）光电效应实验中，金属受光照射后从表面发射出来的电子叫____电子，实质上光电子是获得了光的能量的电子，并不是其它粒子。2．光电效应的实验规律（1）当入射光频率减小到某一数值νc时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。νc称为____________或____________。这就是说，当入射光的频率________截止频率时无论光的强度多大，照射时间多长都不发生光电效应。截止频率与________________的性质有关。（2）光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。即存在____________。理解：频率不变，入射光越强，饱和电流________，单位时间内发射的光电子数越多。（3）如果施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为_________________。12mevc同一种金属，截止电压只与光的_________有关。光电子的最大初动能只与入射光的____________有关，入射光的____________无关。（4）即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。即光的照射和光电子的逸出几乎是_______________。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10-9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。对以上现象进行总结：1．对于任何一种金属，都有一个____________，入射光的频率必须________这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；2．当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流________；3．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的______增大而增大；4．入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是__________的，一般不超过10-9秒。二、光电效应经典解释中的疑难逸出功W0：________________________________________________________。（1）矛盾之一：光的能量与___________有关，而不是由___________决定。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。（2）矛盾之二：光电效应产生的时间极短，电子吸收光的能量是___________完成的，而不像波动理论所预计的那样可能。三、爱因斯坦的光电效应理论1．光子说：光不是_________的，而是一份一份的，每一份光叫一个光子，一个光子的能量为_________。2．光电效应方程为______________________。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：νc=_____________。4．光电效应理论的验证美国物理学家____________，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。四、康普顿效应和光子的动量1．光的散射：光在介质中与____________相互作用，因而传播方向____________，这种现象叫做光的散射。2．康普顿效应在散射线中，除有与入射波长______________的射线外，还有波长比入射波长_______的射线，人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应。五、光的波粒二象性1．光在传播过程中表现出波动性，如_________、_________、________现象。2．光在与物质发生作用时表现出粒子性，如_______________，_______________。3．光具有_________性，又有_________性，即波粒二象性。【练习巩固】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，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，指针带负电答案：B2．一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是（）A．延长光照时间B．增大光束的强度C．换用红光照射D．换用紫光照射答案：D3．关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是（）A．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子B．光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C．光子的能量跟它的频率成正比D．光子客观并不存在，而是人为假设的答案：B4．能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6μm，则进入人眼的光子数至少为________个，恰能引起人眼的感觉。答案：35．关于光电效应下述说法中正确的是（）A．光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B．只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应C．在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关D．任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应答案：D第四章2A组·基础达标1．在X射线散射实验中若散射光波长是入射光波长的1.5倍，则入射光光子能量E0与散射光光子能量E的比为()A．2∶3 B．3∶2C．1∶1 D．4∶9【答案】B【解析】因为光子能量为E＝hν＝heq\f(c,λ)，故eq\f(E0,E)＝eq\f(λ,λ0)＝eq\f(3,2)，故选B．2．用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J．已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.0×108m·s－1，能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A．1×1014Hz B．8×1014HzC．2×1015Hz D．8×1015Hz【答案】B【解析】根据爱因斯坦光电效应方程，Ek＝eq\f(hc,λ)－W，而W＝hν0，联立并代入数据解得能够使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为8×1014Hz，B正确．3．(2021年广西桂林模拟)如图所示，电路中所有元件完好，当光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，可能的原因是()A．入射光强较弱B．入射光频率太高C．电源正负极接反D．光照射时间太短【答案】C【解析】光电管能否产生光电效应只与入射光的频率有关，与入射光的强度没有关系，选项A错误；若入射光频率太高，则一定大于金属的极限频率，故一定可以发生光电效应，电流计中有电流通过，选项B错误；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，虽然发生光电效应产生光电子，但是在反向电压作用下，光电子做减速运动，可能不能到达阳极，电路中不能形成电流，选项C正确；光电管能否产生光电效应与光照时间没有关系，选项D错误．4．如图所示，在验电器上安装一个铜网，使其带电，验电器金属箔张开一定角度．用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变，再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线照射锌板时，发现金属箔张开角度减小．下列相关说法中正确的是()A．增加紫外线的强度照射铜网，金属箔张角将变大B．紫外线的频率大于金属锌的截止频率C．铜网带负电D．改用紫光照射锌板，验电器的金属箔张角也一定减小【答案】B【解析】根据用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变；再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线照射锌板时，发现金属箔张开角度减小，说明逸出的光电子跑到铜网上，导致其电量减小，当增加紫外线的强度照射铜网，金属箔张角将变更小，由此可知，铜网带正电，故A、C错误；只有紫外线的频率大于金属锌的截止频率，才会发生光电效应，故B正确；根据光电效应产生条件，当改用紫光照射，而紫光频率小于紫外线，因此可能不发生光电效应现象，则验电器金属箔不一定张开，故D错误．5．单色光B的频率为单色光A的两倍，用单色光A照射到某金属表面时，从金属表面逸出的光电子最大初动能为E1．用单色光B照射该金属表面时，逸出的光电子最大初动能为E2，则该金属的逸出功为()A．E2－E1 B．E2－2E1C．2E1－E2 D．eq\f(E1＋E2,2)【答案】B【解析】根据光电效应方程：用单色光A照射到某金属表面时E1＝hν－W逸出功，用单色光B照射到某金属表面时E2＝h·2ν－W逸出功，解得W逸出功＝E2－2E1，B正确．6．某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象，分别用a、b、c三束单色光照射图甲中的光电管的阴极，得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示，其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同，均为Ua，则下列论述正确的是()A．a、c两束光的光强相同B．a、c两束光的频率相同C．b光束光子的能量最小D．b光束的波长最长，遏止电压最大【答案】B【解析】由图可知，a的饱和电流最大，因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量大，光强大，故A错误；当光电流为零时，光电管两端加的电压为遏止电压，对应的光的频率为截止频率，根据eU＝hν－W，入射光的频率越高，对应的遏止电压U越大．a光、c光的遏止电压相等，所以a光、c光的频率相等，而b光的频率大，能量大，且对应的波长最小，故B正确，C、D错误．7．(多选)按如图的方式连接电路，当用紫光照射阴极K时，电路中的微安表有示数．则下列说法正确的是()A．如果仅将紫光的光强减弱一些，则微安表可能没有示数B．仅将滑动变阻器的触头向右滑动一些，则微安表的示数一定增大C．仅将滑动变阻器的触头向左滑动一些，则微安表的示数可能不变D．仅将电源的正负极对调，则微安表仍可能有示数【答案】CD【解析】如果仅将紫光的光强减弱一些，则单位时间内逸出的光电子数减小，则微安表示数减小，故A错误；饱和光电流与入射光的强度有关，仅将滑动变阻器的触头向右滑动，不改变光的强度，则微安表的示数不一定增大；同理仅将滑动变阻器的触头向左滑动一些，则微安表的示数可能不变，故B错误，C正确．将电路中电源的极性反接后，即加上反向电压，若光电子的动能足够大，电路中还有光电流，微安表仍可能有示数，故D正确．8．(多选)三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1>λ2>λ3)．分别用这三束光照射同一种金属．已知用光束2照射时，恰能产生光电子．下列说法正确的是()A．用光束1照射时，不能产生光电子B．用光束3照射时，不能产生光电子C．用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多D．用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大【答案】AC【解析】根据题述，用光束2照射时，恰能产生光电子，可知λ2为金属的截止波长，用光束1照射时，不能产生光电子，用光束3照射时，能产生光电子，选项A正确，B错误；用光束2照射时，光越强，说明照射的光子越多，单位时间内产生的光电子数目越多，选项C正确；根据爱因斯坦光电效应方程可知，用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能不变，选项D错误．9．(多选)如图甲所示，在光电效应实验中，某同学用相同频率的单色光，分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管，结果都能发生光电效应．图乙为其中一个光电管的遏止电压Uc随入射光频率ν变化的函数关系图像．对于这两个光电管，下列判断正确的是()A．因为材料不同，逸出功不同，所以遏止电压Uc不同B．光电子的最大初动能不同C．因为光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，饱和光电流也可能相同D．两个光电管的Uc－ν图线的斜率可能不同【答案】ABC【解析】根据光电效应方程Ek＝hν－W0和eUc＝Ek得出，相同频率，不同逸出功，则遏止电压也不同，A正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0得，相同的频率，不同的逸出功，则光电子的最大初动能也不同，B正确；虽然光的频率相同，但光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，饱和光电流可能相同，C正确；因为Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)知图线的斜率为eq\f(h,e)，即只与h和e有关，为常数，一定相同，D错误．B组·能力提升10．(多选)小宇同学参加学校科技嘉年华，设计了一个光电烟雾探测器．如图，S为光源，可以发出一束光束，当有烟雾进入探测器时，来自S的光会被烟雾散射进入光电管C，当光射到光电管中的钠表面时(钠的极限频率为6.00×1014Hz)会产生光电子，当光电流大于10－8A时，便会触发报警系统报警．下列说法正确的是()A．要使该探测器正常工作，光源S发出的光的波长不能小于0.5μmB．金属钠的最小逸出功为4eVC．光源S发出的光波能使光电管发生光电效应，那么光源越强，光电烟雾探测器灵敏度越高D．若射向光电管C的光子有5%会产生光电子，当报警器报警时，每秒射向C的钠表面的光子最少数目N＝1.25×1012个【答案】CD【解析】光源S发出的光波最大波长λmax＝eq\f(c,ν0)＝eq\f(3×108,6.00×1014)m＝5×10－7m＝0.5μm，即要使该探测器正常工作，光源S发出的光的波长不能大于0.5μm，故A错误；由于钠的极限频率为6.00×1014Hz，根据W0＝hνc＝eq\f(6.63×10－34×6×1014,1.6×10－19)eV＝2.5eV，故B错误；光源S发出的光能使光电管发生光电效应，那么光源