资源简介

6.2　光电效应
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道光电效应的实验规律,掌握探究装置及探究方法。(科学探究)
2.通过任务2及其活动,知道光电效应经典理论解释中的疑难,掌握爱因斯坦的光电效应方程。(物理观念、科学思维)
3.通过任务3及其活动,知道康普顿效应及光子的动量公式,体会光子粒子性的一面。(物理观念、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考:一光电管电路图如图所示,滑动变阻器滑片P位于AB上某点,用光照射光电管阴极,电表无偏转,要使电表指针偏转,可采取什么措施

正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)光子与光电子是同样的一种物质。 (　　)
(2)逸出功和截止频率均由金属本身决定,与其他因素无关。 (　　)
(3)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　光电效应的实验规律
　　如图1所示,把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带负电,验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板,观察验电器指针的变化。
1.此时会看到验电器的薄片张角逐渐减小,这个现象说明了什么问题


2.图2是研究光电效应的电路图,为什么要加正向电压


3.在光电效应实验中,如果入射光的波长不变而强度增加,将产生什么结果 如果入射光的频率增加,将产生什么结果


4.在光电效应实验中,如果入射光的频率小于某一个值νc时,光电流消失,这说明什么 如果换作不同的金属重复上述实验,有何现象 说明什么


5.在光电效应实验中,保持光照条件不变,逐渐增大正向电压,有何现象 说明什么


6.饱和光电流跟什么因素有关

1.光电效应
在光(包括不可见光)的照射下物体发射出①　　的现象叫作光电效应,发射出来的②　　叫作光电子。
2.光电效应的实验规律
(1)存在饱和电流: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③　　。若光的颜色不变,入射光越强,饱和电流④　　,饱和电流与光强成正比。即入射光越强,单位时间内发射的光电子数⑤　　。
(2)存在遏止电压和截止频率(或极限频率)
遏止电压:使光电流减小到零的反向电压Uc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的⑥　　,即me=eUc。
截止频率:当入射光的频率减小到某一数值νc时,即使不加反向电压也没有光电流,这表明已经没有光电子了,νc称为截止频率。入射光的频率⑦　　截止频率时不发生光电效应。
(3)光电子的最大初动能与入射光的强度⑧　　,只随入射光频率的增大而⑨　　。
(4)光电效应具有⑩　　,光照在金属上,产生光电流的时间不超过10-9s。
应用　发生光电效应时金属的带电性质
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
归纳总结 　　光电效应规律中的两条线索
任务2　光电效应经典解释的疑难　爱因斯坦的光电效应理论
　　光电效应实验规律与经典电磁理论的矛盾导致爱因斯坦提出光量子假说;基于光量子假说得出的光电效应方程圆满解释了光电效应并得到密立根实验的进一步支持,迈出了真正说明物质世界量子性的科学脚步。
1.什么是逸出功


2.光电效应的一些重要现象是经典理论无法解释的,请列举光电效应与经典电磁理论的矛盾。


3.爱因斯坦为了解释光电效应,在普朗克的能量子假说的基础上进一步提出了什么样的观点 并因此提出的光电效应方程的内容是什么


1.逸出功
定义:要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的　　叫作这种金属的逸出功,用W0 表示,　　。
2.发生光电效应的条件
入射光的频率　　金属的极限频率,即　　,或光子能量　　,与入射光的强度　　,与照射时间的长短　　。
3.光电效应方程
(1)光子说:光在空间的传播是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子;光子的能量ε=　　(ν是光的频率)。
(2)爱因斯坦的光电效应方程　　　　　　。式中W0叫作逸出功,当初动能为零时,可得截止频率为　　　　。
问题讨论
爱因斯坦的光电效应方程Ek=hν-W0中各符号的含义是什么 Ek为什么是最大初动能


应用　光电效应的图像问题
(原创)(多选)以下各图均与光电效应有关,下列说法正确的是 (　　)
A.若图1中的锌板最初带正电,则在紫外线灯的持续照射下验电器的指针张角会先变小后变大
B.若先后使用强度不同的紫外线照射锌板,则强光照射时光电流图像为a
C.若使用频率可调的光源照射锌板,则图3中的ν2为金属锌的截止频率
D.若使用频率可调的光源照射锌板,则图4中的斜率为普朗克常量h
归纳总结 　　利用图像处理光电效应问题 在理解光电效应方程的基础上,把其数学关系式与数学函数图像结合起来,经分析、推导得出图像的斜率及图像横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量,从而理解它们的物理意义,可以有效提高自身应用数学解决物理问题的能力。 1.光电流与电压的关系图像。 从图线①、③可看出同种光照射同种金属板对应的反向遏止电压相同,而饱和光电流强度随入射光强度增大而增大;由图线①、②可知,对于同种金属,入射光的频率越高,反向遏止电压越大。 2.反向遏止电压与入射光频率的关系。 该图像的对应函数式为Uc=,故从图像可以直接读出金属的截止频率,由截止频率可算出普朗克常量,由纵轴截距可推算出金属的逸出功。 3.最大初动能与入射光频率的关系。 该图像对应的函数式为Ek=hν-W0,图线与横轴的交点坐标为截止频率,图线平行是因为图线的斜率表示普朗克常量。
4.光电效应中应区分的几个概念 (1)光子与光电子 光本身是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子被称为光子。 光电子是金属表面在受到光照射时吸收光子的能量后从金属表面逸出的电子。 (2)光电子的动能与光电子的最大初动能 光照射到金属表面时,电子吸收光子的能量,可能向各个方向运动,除了脱离金属需要的最小能量(逸出功)外,还要克服原子的其他束缚力做功,剩余的能量为光电子的动能;处于金属表面的电子直接向外逸出时,具有最大初动能。 (3)光电流与饱和电流 从金属表面逸出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流会趋于一个饱和值,这个饱和值就是饱和电流,在一定的光照条件下,饱和电流与所加电压的大小无关,与入射光的强度有关。 在相同频率的光照下,入射光的强度越大,饱和电流越大。 (4)入射光强度与光子能量 入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上光子的总能量,光子能量即每个光子的能量,光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积。
任务3　(发展空间)康普顿效应和光子的动量
　　1918—1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
1.经典理论能解释康普顿效应吗


2.康普顿如何解释康普顿效应


1.康普顿效应
(1)光的散射:光通过介质时,因与物质微粒相互作用,使传播方向发生　　,从侧面可以看到光的现象叫作光的散射。
(2)康普顿效应:美国物理学家康普顿研究X射线通过物质时的散射现象发现,在散射的射线中,除了有与入射波长λ0相同的成分外,还有　　的成分,这一现象称为康普顿效应。
2.光子的动量
光子既有能量,又有动量,其动量表达式为　　　　。
应用　认识康普顿效应
物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,部分波长发生改变,这个现象称为康普顿效应,我国物理学家吴有训进一步证实了该效应的普遍性。如图所示,一个光子和一个静止的电子相互碰撞后,电子向某一个方向运动,光子沿另一个方向散射出去,下列说法正确的是 (　　)
A.散射光子的速度变小
B.散射光子的速度可能变大
C.散射光子的频率变小
D.散射光子的波长变短
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是 (　　)
A.保持入射光的频率不变,入射光的强度变大,饱和光电流变大
B.入射光的频率变高,饱和光电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.保持入射光的强度不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生
2.(任务1)光电管的原理图如图所示,如果用波长为λ0的光照射到阴极K上时,电路中有光电流,则下列说法正确的是 (　　)
A.换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K,电路中一定没有光电流
B.换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K,电路中一定有光电流
C.增大电路中电源的电压时,电路中的光电流一定增大
D.当将电源极性反接时,电路中一定没有光电流产生
3.(任务2)(原创)用同一束单色光,在同一条件下先后照射锌板和银板,都能产生光电效应。关于以上两次实验,下列说法错误的是(　　)
A.光子的能量一定相同
B.光电子的最大初动能一定不同
C.光电子的动能一定不同
D.逸出功一定不同
4.(任务2)研究光电效应的电路图如图1所示。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间的电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图2所示。则下列说法正确的是 (　　)
A.甲光照射光电管发出的光电子的最大初动能一定大于丙光照射光电管发出的光电子的最大初动能
B.单位时间内甲光照射光电管发出的光电子比乙光照射光电管发出的光电子少
C.用强度相同的甲、丙光照射该光电管,则单位时间内逸出的光电子数相等
D.对于不同种金属,若照射光频率不变,则逸出光电子的最大初动能与金属的逸出功为线性关系
5.(任务3)(原创)(多选)X射线的光子与晶体中的电子碰撞会改变传播方向。碰撞前后示意图如图所示,以下说法正确是 (　　)
A.碰后光子的频率不变
B.实验证实光子不仅具有粒子性还具有动量
C.光子与电子碰撞后,光子的动量减小
D.进一步表明了光的波动性
答案与解析
自主预习·悟新知
思考:由光电管电路图可知阴极K电势低,阳极A电势高,若K极有电子飞出,则电子受到的电场力向左,即将向左加速,然而现在中指针无偏转,说明没有发生光电效应,这仅能说明照射光频率太低,与光强、外加电压的大小及方向均无关,可见要使指针发生偏转须增大照射光频率。
判断　(1)×　(2)√　(3)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.这现象说明紫外光照射后的锌板会失去电子,即有电子从锌板表面逸出。
2.光束照在阴极K上会发生光电效应现象,但只有极少的电子能到达阳极A,电路中电流很小。加了正向电压后,大量的电子在电场力的作用下向阳极运动,形成较大电流,即加正向电压的目的是放大实验效果,增强实验“可见性”。
3.入射光频率低于截止频率时,无论光强怎么增加,都不会有光电子发射出来;当入射光频率高于金属截止频率时,光强增加,发射的光电子数增多。当入射光的频率高于截止频率时,入射光的频率增加,发射的光电子最大初动能增大。
4.当入射光的频率小于νc 时,光电流消失,这表明当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。νc 称为截止频率。换不同金属进行实验可以得出不同金属的截止频率不同,也就是说,截止频率与金属自身的性质有关。
5.保持光照条件不变,逐渐增大正向电压,光电流逐渐增大,当正向电压增大到一定值时,光电流不再增大,即存在饱和光电流。这说明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。
6.饱和光电流跟入射光的强度及入射光的频率有关。在光的频率一定时,入射光越强,饱和光电流越大。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。
知识生成　①电子　②电子　③饱和值　④越大　⑤越多　⑥初速度　⑦低于　⑧无关　⑨增大　⑩瞬时性
应用探究
例1　B
任务2
问题引领
1.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。
2.光电效应实验结果与经典电磁理论存在3处矛盾,具体见下表。
项目 经典电磁理论 光电效应实验结果
矛盾1 按照光的经典电磁理论,不论入射光的频率是多少,只要入射光足够强,总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应 如果光的频率小于金属的极限频率,无论入射光多强,都不会发生光电效应
矛盾2 光越强,电子可获得的能量越多,光电子的最大初动能也应该越大,所以遏止电压与光强有关 遏止电压与光强无关,与频率有关
矛盾3 光越强时,电子能量积累的时间就越短,光越弱时,能量积累的时间就越长 当入射光照射到光电管的阴极时,无论光强怎样微弱,几乎在一开始就产生了光电子,可认为不需要时间积累
3.爱因斯坦不仅接受了普朗克的“电磁波辐射和吸收是不连续的”观点,而且进一步提出认为电磁波本身就是不连续的,是由一个个不可分割的“能量子”即光子组成,在光电效应中,金属的电子吸收一个光子的能量hν,这些能量一部分用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek,其关系可以用光电效应方程Ek=hν-W0来表达。
知识生成　最小值　W0=hνc　大于　ν>νc　hν>W0　无关　无关　hν　Ek=hν-W0　νc=
应用探究
活动　Ek为光电子的最大初动能,h是普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s,ν是入射光子的频率,hν表示入射光子的能量;W0为电子逸出金属表面所需做的功,称为逸出功。
金属表面层内存在一种力,阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来,必须获得一些能量,以克服这种阻碍。为使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的最小值即这种金属的逸出功。金属的逸出功是个“最小值”,实际电子溢出时克服阻碍做功大于等于这个值,所以Ek=hν-W0,式中的Ek是光电子可能的最大初动能。
例2　BCD　【解析】图1中,先让锌板带正电,再用紫外线灯照射锌板,由于光电效应激发电子,锌板上的电子减少,所以验电器的张角会一直增大,A项错误;由图2可知,电压相同时,光照越强,饱和光电流越大,说明饱和光电流与光的强度有关,B项正确;根据光电效应方程有Ek=hν-W0,根据动能定理可得-eUc=0-Ek,联立解得Uc=-=,可知Uc-ν图像中的ν2为金属锌的截止频率,C项正确;根据光电效应方程可得Ek=hν-W0,可知Ek-ν图线的斜率为普朗克常量h,D项正确。
任务3
问题引领
1.按照经典电磁理论,振动频率等于入射光频率,也等于散射光频率。所以散射出来的射线不应该有波长大于λ0的成分,因此,康普顿效应无法用经典物理学解释。
2.康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是:光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系为p=,按照这个理论,光子与电子相互作用,使得电子动量增加。根据动量守恒,光子的动量就要减少,而这个动量可以用p=计算。动量减少就意味着波长变长,这就是反射光波长变长的原因。
知识生成　改变　大于λ0　p=
应用探究
例3　C　【解析】散射后的光子速度不变,但能量减小,根据ε=hν可知光子的频率变小,根据c=λν可知光子的波长变长,C项正确。
随堂检测·精评价
1.AC　
2.B　【解析】用波长为λ0的光照射阴极K时,电路中有光电流,可知发生了光电效应。换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K时,由于光频率变小,不一定发生光电效应,电路中不一定有光电流,A项错误;换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K时,光频率变大,一定能发生光电效应,电路中一定有光电流,B项正确;增加电路中电源的路端电压,当达到饱和电流时,光电流不再增大,C项错误;将电路中电源的极性反接,光电子做减速运动,还可能到达阳极,所以还可能有光电流,D项错误。
3.C　【解析】光子的能量由光的频率决定,同一束单色光频率相同,因此光子的能量也一定相同,A项正确;电子脱离某种金属,外界对它做功的最小值叫作这种金属的逸出功,不同的金属,逸出功一定不同,D项正确;根据题意和爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可知光电子的最大初动能一定不同,但是光电子的动能可能相同,B项正确,C项错误。
4.D　【解析】由题图2可知Uc2>Uc1,则根据Ek=eUc可知,甲光照射光电管发出的光电子的最大初动能小于丙光照射光电管发出的光电子的最大初动能,A项错误。对于甲、乙两束频率相同的光来说,入射光越强,光电管K极单位时间内发射的光电子数越多,B项错误。对甲、丙两束不同频率的光来说,光强相同时单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,由于丙光的光子频率较高,每个光子的能量较大,所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数就较少,单位时间内逸出的光电子数较少,C项错误。对于不同种金属,若照射光频率不变,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,知Ek与金属的逸出功W0为线性关系,D项正确。
5.BC　【解析】康普顿效应证实了光具有粒子性,还表明光子具有动量,B项正确,D项错误;当X射线的光子与晶体中的电子碰撞时,系统的动量守恒,光子把一部分动量转移给电子,则光子动量减小,C项正确;根据λ=,可知部分射线波长变长,又ν=,则光子的频率减小,A项错误。

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