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第四章 波粒二象性
第一节 光电效应
粤教版（2019）高中物理选择性必修第三册
一、光电效应
19世纪80年代，人们发现某些金属材料在光的照射下会带电。例如，把锌片放在紫外线下照射，用验电器检验锌片，可以发现锌片带正电。后来人们明白，这是由于锌片在紫外线的照射下发射电子的缘故。这种金属在光的照射下发射电子的现象被称为光电效应，发射出来的电子被称为光电子。这看似简单的现象，却引发了物理学思想上的一次飞跃，也成就了光电技术在各领域的广泛应用。
光电管是利用光电效应制成的一种常见的光电器件，它可以把光信号转变成电信号。光电管主要由密封在真空玻璃壳内的阴极和阳极组成，如图4-1-1(a)所示。阴极表面通常涂有碱金属，如锂、铯等。碱金属对电子的束缚能力比较弱，所以比较容易在光的照射下发射电子。如图4-1-1(b)所示，阴极发射的光电子受到正向电压U加速，被阳极收集，在回路中形成电流，称为光电流。这样，光电管就把光信号变成电信号。
二、光电效应的实验规律
【实验·探究】
如左图所示为光电效应演示器。利用该演示器可以探究入射光强度、频率和光照时长对光电流的影响。如右图所示，在光电管上加正向电压，入射光强度可以通过改变光罩上出射孔的数目或大小来改变，入射光的频率可以用不同的滤色片来改变，电源加在阳极A与阴极K之间的电压大小可以调整。注意观察不同入射光强度、频率和光照时长对应的光电流大小。
【实验·总结】
实验发现，在光照条件不变的情况下，光电流的大小随着正向电压的增大而增大，当正向电压增加到一定值时，光电流大小不再变化，达到饱和。饱和电流的大小与入射光的强度成正比。
实验中也出现了一个“奇怪”的现象，当入射光的频率比较低时，无论入射光强度多么大，照射时间多么长，光电管都没有光电流产生。事实上，对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率v0时，才会产生光电流。我们将这个频率称为截止频率，其对应的波长称为截止波长。表4-1-1给出了部分金属的截止频率和截止波长。表4-1-1-些金属的截止频率和截止波长。
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}材料
铯Cs
钠Na
锌Zn
银Ag
铂Pt
截止频率/（×1014Hz）
4.55
5.56
8.07
11.53
15.29
截止波长/nm
660
540
372
260
190
【理论·探究】
光电管阴极射出的光电子具有一定的动能。为了测量光电子的动能，可以在光电管的两个电极上加上反向电压，如图所示，调节反向电压的大小可阻止光电子到达阳极。在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流将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Uc表示。
【总结】
光电子到达阳极要克服反向电场力所做的功W=eUc
式中e为电子的电荷。
如果光电子到达阳极的速度刚好为零，根据能量守恒定律，则光电子出射时的最大初动能
????????????????????????????????=????????????
?
式中m为电子的质量，????????????????为光电子的最大初速率。
?
【总结】
1.存在截止频率
①定义：当入射光的频率减小到某一数值vc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。vc称为截止频率或极限频率。
②特点：当入射光的频率低于金属的截止频率时，不发生光电效应。
③影响因素：截止频率与金属自身的性质有关，不同金属的截止频率不同。
2.存在饱和电流
①现象：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
②原因：在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。
③规律：对于一定频率（颜色）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和电流越大。
3.存在截止电压
①定义：使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。
②截止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限vc应满足????????????????????????????=???????????? (由动能定理得?????????????????????????????????=????????????)。
③现象：同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，截止电压都相同；而光的频率改变时，截止电压也会改变。
④规律：对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
?
4.光电效应具有瞬时性当频率超过截止频率vc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。
三、经典电磁理论解释的困难
人们通过大量的实验发现，对于那些频率高的光，随着入射光强度的增加，光电流也会增大。经典电磁理论可以对此进行解释，在光的照射下，金属内部的电子受到电磁波的作用做受迫振动。光的强度越强，电磁波的振幅越大，对电子的作用越强，电子振动得越厉害，因而，电子就越容易从物体内部逃逸出来。也就是说，单位时间到达阳极的光电子数目也就随之增多，光电流就会增大。
根据上述理论，只要入射光的强度足够强，任何频率的入射光都应该能够产生光电子，光电子的初动能也应该由入射光的强度决定。但是实验结果却表明，每种金属都对应有一个不同的截止频率，而且遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。由此可见，经典电磁理论在解释光电效应实验时遇到了根本性的困难。
【总结】
(1)逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫这种金属的逸出功，用Wo表示。不同种类的金属，其逸出功不同。
(2)光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释。
1.用甲、乙两种光照射某金属时都能产生光电效应。已知甲光的频率是乙光频率的2倍，则（　　）
A．用甲光照射时该金属的逸出功一定比用乙光照射时的大
B．用甲光照射时所逸出的光电子数目一定比用乙光照射时的更多
C．甲光光子的能量可能小于用甲光照射该金属时所逸出的光电子的最大初动能
D．乙光光子的能量一定小于用甲光照射该金属时所逸出的光电子的最大初动能
D
课堂练习
2.下列说法中正确的是（　　）
A．照相机镜头表面镀一层增透膜，镜头表面原本反射的光全部能够进入镜头
B．用肥皂膜观察光的薄膜干涉，现象是明暗相间、不等间距、上疏下密的条纹
C．拍摄橱窗内的展品，调整照相机镜头外的偏振片是让更多光线进入镜头
D．用紫外线照射锌板后，发生光电效应后的锌板应该带负电
B
课堂练习
3.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．在光电效应中，电子吸收足够能量后才可以逸出，所以发生光电效应的累积时间很长
C．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
D．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
C
4.如图所示，在演示光电效应的实验中，谷灵同学分别用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个角度；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个角度
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
C
5.下列说法不正确的是（　　）
A．奥斯特发现电流的磁效应
B．法拉第发现电磁感应现象
C．摩擦生电，说明摩擦能创造电荷
D．当光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出，这是光电效应现象
C
6.下列说法正确的是（　　）
A．麦克斯韦预言了电磁波的存在，法拉第通过实验证实了电磁波存在
B．只有高温物体才能辐射出红外线，红外线具有热效应
C．黑体由于不反射任何电磁波，所以是黑色的
D．能量子与电磁波的频率成正比
D
7.一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列说法中正确的是（　　）
A．只增大入射光的频率，金属逸出功将减小
B．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大
C．只增大入射光的强度，光电子的最大初动能将增大
D．只增加入射光的照射时间，光电子的总大初动能将增大
B
8.如图所示，图甲和图乙分别是a光和b光经相同双缝干涉实验条件下形成的干涉图样，图中白色区域为亮条纹.下列关于a、b两束单色光的说法正确的是（　　）
A．a光的光子能量较大
B．若用b光照射某金属没有光电子逸出，则a光照射该金属时也没有光电子逸出
C．玻璃对a光的折射率较大
D．在水中a光传播的速度较小
B
9.关于光电效应，下列说法不正确的是（　　）
A．极限频率越大的金属材料逸出功越大
B．只要光照射时间足够长，任何金属都能产生光电效应
C．入射光的频率越大，从金属表面逸出的光电子的最大初动能也越大
D．若发生了光电效应且入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出的光电子数就越多
B
10.如图为氢原子的能级示意图，锌的逸出功是3.34eV，那么对氢原于在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正确的是（　　）
A．普朗克第一次将“量子”引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念
B．一群处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时，能放出3种不同频率的光
C．用能量为10.3eV的光子照射，可使处于基态的氢原于跃迁到激发态
D．氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光照射锌板一定不能产生光电效应现象
B
课堂小结
1.光电效应效应
2.光电效应的实验规律
3.经典电磁理论解释的困难
课堂训练
1.如图所示，两束单色光a和b从水中射向水面的O点，它们进入空气后的光合成一束光c。根据这一现象可知，下列说法中正确的是（　　）
A．水对a光的折射率较大
B．从水射向空气时，a光全反射的临界角大于b光的临界角
C．两束光在从水进入空气时频率均保持不变
D．若a光照射到某金属上能发生光电效应，则b光照射该金属上不一定能发生光电效应
BC
课堂训练
2.题图为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n=4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光下列说法正确的是（　　）
A．频率最大的光是由n=4能级跃迁到n=1能级产生的
B．频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的
C．这些氢原子总共可辐射出6种不同频率的电磁波
D．用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为11.34eV的金属能发生光电效应
AC
课堂训练
3.光电效应实验中，下列表述正确的是（　　）
A．光照时间越长，光电子最大初动能越大
B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率有关
D．入射光频率够大才能产生光电子
CD
课堂训练
4.1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花，这就是最早发现的光电效应，在用同一光电管研究光电效应的实验规律的表述中，下列说法正确的是（???????）
A．入射光足够强就可以有光电流
B．遏止电压只与入射光的颜色有关
C．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
D．入射光频率大于极限频率时一定能产生光电子
BD
课堂训练
5.光电效应实验中，下列说法正确的是（　　）
A．在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大
B．入射光越强，光电子的初动能越大，因而遏止电压越大
C．不管入射光的频率如何，只要光足够强，就会有光电流产生
D．当入射光频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，都会瞬间产生光电流
AD
课堂训练
6.如图所示，光电管与定值电阻R并联后，再与光敏电阻R′串联后接在恒压源a、b两点之间，灵敏电流计G可测得光电流的大小，在光束1的照射下，光电管的金属板K发生了光电效应，用光束2照射光敏电阻R′，下列判断正确的是（　　）
A．若a为电源正极b为电源负极，只增大光束的强度，则G读数一定变大
B．若a为电源正极b为电源负极，只增大光束2的强度，则G读数一定变大
C．若b为电源正极a为电源负极，只增大光束1的频率，则G读数可能变为零
D．若b为电源正极a为电源负极，只增大光束2的强度，则G读数可能变为零
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