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2　光电效应
学习任务一　光电效应的实验规律
[科学探究] 如图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图.请结合装置图和电路图及产生的现象回答下列问题:
(1)在甲图中发现,利用紫外线照射锌板时,无论光的强度如何变化,验电器指针都有张角,而用红光照射锌板时,无论光的强度如何变化,验电器指针总无张角,这说明了金属能否发生光电效应,取决于入射光的　　　　,与入射光的　　　　无关.
(2)在乙图中光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增大电压,电流表示数不变,而光强增大时,电压不变,电流表示数会增大,这说明了保持入射光频率不变,发生光电效应时飞出的光电子个数只与　　　　　　有关.
(3)若在乙图中加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增大时,遏止电压却增大,这一现象说明了光电子的能量与　　　　　　　有关,与　　　　　　无关.
[教材链接] 阅读教材“光电效应的实验规律”相关内容,完成下列填空:
(1)光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的　　　　从表面逸出的现象.
(2)光电子:光电效应中发射出来的　　　　.光电子不是光子,而是电子.
(3)光电效应的实验规律
①存在截止频率:当入射光的频率低于截止频率时,　　　　发生光电效应.
②存在饱和电流:光电效应实验中,在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个　　　　　.在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大,说明入射光越强,单位时间内发射的光电子数目越多.
③存在　　　　电压:使光电流减小到零的反向电压Uc.且满足me=eUc.
④光电效应具有　　　　　:光电效应几乎是瞬时发生的.
例1 [2024·江西九江一中月考] 如图所示,在演示光电效应现象的实验中,某同学分别用a、b两种单色光照射锌板.发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度;用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动.下列说法正确的是 (　)
A.增大b光的照射强度,验电器的指针有可能张开一定角度
B.增大a光的照射强度,光电子的最大初动能增加
C.a光的频率大于b光的频率
D.若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时可能不会发生光电效应
变式1 [2024·福建福州一中月考] 研究光电效应的电路图如图所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(K极),钠极板发射出的光电子被A极吸收,在电路中形成光电流.在选项中,光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像正确的是 (　)
[反思感悟]







【要点总结】
饱和电流与遏止电压规律图像
图像名称 图线形状 由图线直接(间接) 得到的物理量
入射光颜色相同、强度不同时,光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc:图线与U轴的交点的横坐标 ②饱和电流Im1、Im2:电流的最大值 ③最大初动能:Ek=eUc
入射光颜色不同时,光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和电流 ③最大初动能 Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
学习任务二　光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
[教材链接] 阅读教材“光电效应经典解释中的疑难”和“爱因斯坦的光电效应理论”相关内容,完成下列填空:
(1)逸出功:要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的最小值叫作这种金属的逸出功.不同种类的金属,其逸出功的大小　　　　,逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关.
(2)爱因斯坦的光电效应理论
①光子:光本身是由一个个不可分割的　　　　　组成的,这些能量子称为　　　　,频率为ν的光的能量子为hν.其中h为普朗克常量.
②爱因斯坦光电效应方程
表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0.
物理意义:金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν,在这些能量中,一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属,剩下的是电子逸出后的初动能Ek.
[科学推理] 光子说对光电效应的解释
(1)若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,hν>W0,ν>=νc,而νc=恰好是光电效应的　　　　　　.
(2)由爱因斯坦光电效应方程知光电子的最大初动能与　　　　　　　有关,与光强无关.对于确定的金属,遏止电压Uc与ν、W0的关系为Uc=ν-,所以遏止电压由　　　　　　　决定,与光强无关.
(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是瞬时的.
(4)饱和电流与光照强度的关系:同种频率的光,光照强度越大,包含的光子数　　　　,照射金属时产生的　　　　　越多,因而饱和电流越大.
例2 [2024·山西太原五中月考] 某同学用如图所示的装置研究光电效应现象,开始时,滑动变阻器滑片c在最右端b点.用光子能量为4.2 eV的光照射到光电管上,此时电流表G有示数.向左移动变阻器的滑片c,当电压表的示数大于或等于1.5 V时,电流表示数为0,则以下说法正确的是 (　)
A.光电子最大初动能为2.7 eV
B.光电管阴极的逸出功为1.5 eV
C.当电流表示数为零时,断开开关,电流表示数不再为零
D.将电源的正负极调换,变阻器滑片从b移到a,电流表的示数一直增大
[反思感悟]

变式2 [2024·山西大同一中月考] 体温枪的工作原理是:利用光电效应,将光信号转化为电信号,从而显示出物体的温度.已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线,如图乙所示,用该红外光线照射光电管的阴极K时,电路中有光电流产生,光电流随电压变化的图像如图丙所示,另一种金属铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图丁所示,已知光在真空中传播的速度为3×108 m/s.则(　)
A.在真空中波长为10 μm的红外线,其频率为5×1013 Hz
B.将阴极K换成金属铷,体温枪仍然能正常使用
C.由图丙可知,该光电管的遏止电压为2×10-2 V
D.当人体温度升高,辐射红外线的强度将增大,饱和电流将减小
学习任务三　康普顿效应和光子的动量
[教材链接] 阅读教材“康普顿效应和光子的动量”相关内容,完成下列填空:
(1)光的散射:光在介质中与物质微粒相互作用,使光的传播方向　　　　　　的现象.
(2)康普顿效应:在散射的光中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长　　　　的成分.
(3)光子的动量表达式:　　　　.
例3 如图所示是教材上解释康普顿效应的示意图,下列说法正确的是 (　)
　　　　　　　　　　　　　　　
A.图中光子与电子不是正碰,故不遵循动量守恒定律
B.图中碰撞后光子频率可能等于碰撞前光子频率
C.图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度
D.图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长
例4 (多选)X射线的穿透量受物质吸收程度的影响,吸收程度与物质的密度等因素有关.密度越小,吸收X射线的本领越弱,透过人体的量就越多,呈现的图片就越暗,如空气等.密度越大,吸收X射线的本领越强,透过人体的量就越少,呈现的图片为白色,如骨骼等.X射线被物质吸收主要产生两种效应:光电效应和康普顿效应.依据以上信息,下列说法正确的是 (　)
A.光电效应现象是爱因斯坦最先发现的
B.X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象,属于光电效应,说明X射线具有粒子性
C.光电效应中,X射线频率越高,从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大
D.X射线光子只被电子部分吸收,电子能量增大,光子被散射出去,散射光子波长变长,这说明光子既具有能量又具有动量,这属于康普顿效应,说明了X射线具有粒子性
【要点总结】
1.光子不仅具有能量hν,还具有动量.
(1)关系式:ε=hν,p= .
(2)意义:能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量.因此ε=hν和p=揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系.
2.对康普顿效应中散射光波长变化的解释:散射光波长的变化是光子与物质中电子碰撞的结果,光子与电子作用的过程中将部分能量和动量传给了电子,故光子的能量和动量减少,频率减小,波长变长,同时,光子还使电子获得一定的动量.
3.康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.
学习任务四　光的波粒二象性
[物理观念] 对光的波粒二象性的理解
从数量上看 个别光子的作用效果粒子性更明显;大量光子的作用效果波动性更明显
从频率上看 频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强
波动性与粒 子性的统一 由光子的能量ε=hν、光子的动量表达式p=也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ
例5 下面关于光的波粒二象性的说法中,正确的是　　 (　)
A.光不可能既具有波动性,又具有粒子性
B.频率越小的光其粒子性越显著,频率越大的光其波动性越显著
C.光在传播时往往表现出粒子性,光在跟物质相互作用时往往表现出波动性
D.大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性
[反思感悟]


1.(光的波粒二象性)(多选)对于光的认识,以下说法正确的是 (　)
A.有的光是波,有的光是粒子
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下,光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
2.(康普顿效应)(多选)1918~1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现,有些散射波的波长比入射波的波长略大.下列说法中正确的是 (　)
A.有些X射线的能量传给了电子,因此X射线的能量减小了
B.有些X射线吸收了电子的能量,因此X射线的能量增大了
C.X射线的光子与电子碰撞时,动量守恒,能量也守恒
D.X射线的光子与电子碰撞时,动量不守恒,能量守恒
3.(光电效应现象)如图所示,把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带上负电,验电器指针会张开角度θ.接着,用高频短波紫外线灯(波长范围为100~280 nm)持续照射锌板,已知锌的截止频率为8.06×1014 Hz、真空中光速为3.0×108 m/s,观察验电器指针的变化,则　　 (　)
　　　　　　　　　　　　　　　
A.验电器指针张开的角度θ会一直变大
B.验电器指针张开的角度θ先变大后变小
C.验电器指针张开的角度θ先变小后变大
D.验电器指针张开的角度θ不会发生变化
4.(光电效应的图像)[2024·辽宁抚顺一中月考] 从1907年起,美国物理学家密立根就开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量.他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν,作出如图乙所示的Uc-ν图像,图像与横轴的交点坐标为(a,0),其反向延长线与纵轴的交点坐标为(0,-b),由此算出普朗克常量h.并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较,以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性.下列说法正确的是(　)
A.入射光的频率越大,a的值越大
B.入射光的频率越大,b的值越大
C.图甲中极板A连接电源的正极
D.由乙图可求出普朗克常量h=e
5.(光电效应方程的应用)[2024·河北邯郸一中期末] 光电传感器是智能技术领域不可或缺的关键器件,而光电管又是光电传感器的重要元件.如图所示,某光电管K极的逸出功W0=hν,若分别用频率为2ν的a光和频率为5ν的b光照射该光电管,则下列说法正确的是　 (　)
A.a光和b光的波长之比为2∶5
B.用a光和b光分别照射该光电管,逸出光电子的最大初动能之比为2∶5
C.加反向电压时,对应的遏止电压之比为1∶4
D.加正向电压时,对应形成的饱和电流之比为1∶4
2　光电效应
[科学探究] (1)频率　强度　(2)光的强度　(3)入射光频率　光的强度
[教材链接] (1)电子　(2)电子　(3)①不能　②饱和值　③遏止　④瞬时性
例1　C　[解析] 入射光频率低于截止频率时无法产生光电效应,增大b光的照射强度,仍不会发生光电效应,增大a光的照射强度,光电子的最大初动能保持不变,故A、B错误;根据a光照射锌板能够发生光电效应可知,a光的频率大于锌板的截止频率,根据b光照射锌板不能发生光电效应可知,b光的频率不大于锌板的截止频率,则a光的频率大于b光的频率,故C正确;根据光电效应实验规律可知,若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时一定也能发生光电效应,故D错误.
变式1　C　[解析] 遏止电压不会随光强而变化,光强会影响饱和电流的大小,光强越大,饱和电流越大,故C正确,A、B、D错误.
[教材链接] (1)不同　(2)①能量子　光子　
[科学推理] (1)截止频率　(2)入射光频率　入射光频率　(4)越多　光电子
例2　C　[解析] 根据题意有遏止电压Uc=1.5 V,则光电子的最大初动能Ek=1.5 eV,根据爱因斯坦光电效应方程得W0=hν-Ek=(4.2-1.5) eV=2.7 eV,故A、B错误;当电流表示数为零时,断开开关,这时没有反向电压,电流表示数不为零,故C正确;将电源的正负极调换,变阻器滑片从b移到a,当光电流达到饱和电流后,电流表的示数就不再变,故D错误.
变式2　C　[解析] 根据c=λν可得红外线的频率为ν== Hz=3×1013 Hz,故A错误;根据eUc=hν-W0,由图丁可知金属铷的截止频率为5.1×1014 Hz,发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率,而红外线的频率小于金属铷的截止频率,故不会发生光电效应,体温枪不能正常使用,故B错误;当I=0时的电压为遏止电压,由图丙可知,该光电管的遏止电压为2×10-2 V,故C正确;若人体温度升高,辐射红外线的强度增大,饱和电流将增大,故 D错误.
[教材链接] (1)发生改变　(2)大于λ0　(3)p=
例3　D　[解析] 无论正碰还是斜碰,系统所受的合外力为零,碰撞过程都遵循动量守恒定律,A错误;由于光子与电子碰撞后,光子的部分能量传递给电子,所以光子能量一定减小,根据公式E=hν=h可知图中碰撞后光子频率一定小于碰撞前光子频率,碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长,B错误,D正确;根据爱因斯坦相对论的光速不变原理,光子的速度为c,碰撞前后不变,C错误.
例4　BCD　[解析] 光电效应现象是赫兹最先发现的,故A错误;根据光电效应现象及产生原因知,B正确;根据光电效应方程Ek=hν-W0可知,光电效应中,X射线频率越高,从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大,故C正确;根据康普顿效应现象及产生原因知,D正确.
例5　D　[解析] 光的波粒二象性是指光既具有波动性,又具有粒子性,二者是统一的,故A错误;在光的波粒二象性中,频率越大的光其粒子性越显著,频率越小的光其波动性越显著,故B错误;光在传播时往往表现出波动性,光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性,故C错误;光既具有粒子性,又具有波动性,大量的光子波动性比较明显,个别光子粒子性比较明显,故D正确.
随堂巩固
1.BD　[解析] 一切光都具有波粒二象性,光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显,选项B、D正确.
2.AC　[解析] 在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,则动量减小,根据λ=可知波长增大,根据E=可知,能量变小,碰撞过程系统不受外力,故动量守恒,能量守恒,故A、C正确,B、D错误.
3.C　[解析] 锌的截止频率对应的光波波长为λ=≈0.372×10-6 m=372 nm,用高频短波紫外线灯(波长范围为100~280 nm)持续照射锌板,锌板会发生光电效应,逸出光电子,由于锌板原来带负电,可知验电器指针张开的角度θ逐渐变小,足够长时间后,锌板开始带正电且电荷量持续增加,故验电器指针张开的角度θ逐渐变大,即整个过程中验电器指针张开的角度θ先变小后变大,故选C.
4.D　[解析] 根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,又eUc=Ek,得Uc=ν-,横轴截距a=,为定值,与入射光的频率无关,故A错误;纵轴截距-b=-,为定值,与入射光的频率无关,故B错误;图甲中极板A连接电源的负极,故C错误;图像斜率k==,得h=e,故D正确.
5.C　[解析] 根据c=λν可知,a光和b光的波长之比等于频率的反比,即为5∶2,故A错误;根据Ek=hν-W0,逸出光电子的最大初动能之比==1∶4,故B错误;根据eUc=Ek,加反向电压时,对应的遏止电压之比==1∶4,故C正确;由于不知道a、b光照强度的关系,无法判断饱和电流的关系,故D错误.

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