资源简介

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c时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。
c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_________________。
，可以理解为：光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。
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， 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】
一、单选题
1．根据爱因斯坦光子说，光子能量E等于（h为普朗克常量，c、λ为真空中的光速和波长）（ ）
A． B． C． D．
2．图甲是"探究光电效应"的实验电路图，光电管截止电压U0随入射光频率ν的变化规律如图乙所示。下列判断正确的是（　　）
A．入射光的频率ν不同时，截止电压Uc不同
B．入射光的频率ν不同时，Uc-ν图像的斜率不同
C．图甲所示电路中，当电压增大到一定数值时，电流表的示数将达到饱和电流
D．只要入射光的光照强度相同，光电子的最大初动能就一定相同
3．下表为四种金属逸出功的值，已知普朗克常量为h＝6.6×10－34 J·s，e＝1.6×10－19 C，如图所示为某金属的遏止电压Uc随入射光频率ν变化的图像，该金属为（　　）
金属 钨 钙 钾 铷
逸出功W0/eV 4.54 3.20 2.25 2.13
A．钨 B．钙 C．钾 D．铷
4．利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　）
A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过
B．用红光照射，电流表一定无电流通过
C．用频率为的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过
D．用频率为的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变
5．新冠病毒疫情防控工作中额温枪被广泛使用。有一种额温枪的工作原理是采集人体辐射出的红外线，并将红外线照射到温度传感器上，发生光电效应，从而将光信号转化为电信号显示出人体的温度。已知人体在正常体温时辐射的红外线波长约为，用该波长的红外线照射图甲电路中阴极K，电路中的光电流随电压变化的图像如图乙所示，已知，，。下列说法正确的是（ ）
A．真空中波长的红外线的频率约为
B．由图乙可知，该光电管的阴极金属逸出功约为
C．人体温度升高，辐射的红外线强度增大，饱和光电流减小
D．对于某种金属，无论照射光的频率多小，只要强度足够大、光照时间足够长就可以产生光电效应现象
6．“微光夜视仪”是利用光电效应原理工作的一种仪器。被视物体反射的红外辐射照射在“银氧铯”阴极上激发出光电子，电子的电荷量大小为e，下列说法正确的是（　　）
A．红外辐射的频率可以很低，但辐射强度必须足够大才能发生光电效应
B．向右调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数将随电压表示数的增大而增大
C．保持红外辐射强度不变，提高红外辐射的频率，则饱和电流值将减小
D．调换电源正负极，调节滑动变阻器，电压表示数为时，电流表示数恰为零，则光电子逸出金属表面时的初动能为
二、解答题
7．某红光的波长为，求其能量子的值。
8．当波长的紫外线照射到金属上时，逸出的光电子最大初动能。已知普朗克常量，光在真空中的传播速度。求：
（1）紫外线的频率；
（2）金属的逸出功。
9．糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，可利用聚光到纳米级的激光束进行治疗。一台功率为10W的氩激光器，能发出波长λ＝500nm的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要2×10-3J的能量，（普朗克常量h＝6.6×10-34J·s）求：
（1）每次“点焊”视网膜的时间；
（2）在这段时间内发出的激光光子的数量。（保留1位有效数字）
10．图甲为研究光电效应现象的实验电路图。现用频率为ν0的光照射阴极K，其光电流与光电管两端电压的关系图线如图乙所示，遏止电压大小为Uc，饱和光电流大小为I0。已知电子电量为e，普朗克常量h。求：
（1）阴极K中逸出的光电子的最大初动能Ekm；
（2）阴极材料的逸出功W0；
（3）照射到阴极上的光的最小功率P。
试卷第1页，共3页
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．A
2．A
3．A
4．D
5．B
6．C
7．
8．（1）；（2）4.3×10-19J
9．（1）2×10-4s；（2）5×1015个
10．（1）eUc；（2）hν0 - eUc；（3）
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