第59講 光電效應(yīng) 波粒二象性研讀考綱明方向重讀教材定方法(對(duì)應(yīng)人教版選修35的頁碼及相關(guān)問題)1P31結(jié)合圖17.22閱讀“光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律”一段。從圖17.23中各圖線能得出什么規(guī)律？提示：由圖可知，隨著正向電壓增大，光電流趨于飽和值，且光的顏色一定時(shí)(黃光)，光越強(qiáng)飽和光電流越大；加反向電壓時(shí)，光電流逐漸減小到零，即存在遏止電壓，且遏止電壓與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)，頻率越大，遏止電壓越大。2P33思考與討論推導(dǎo)Uc與、W0的關(guān)系。提示：由meveUc，EkhW0，Ekmev，聯(lián)立得eUchW0。3P34例題體會(huì)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出圖象的方法，圖17.24中圖象的斜率、截距分別有什么物理意義？提示：由EkhW0，EkeUc得Uc，故Uc 圖象的斜率為，令Uc0，得橫截距c，即截止頻率，縱截距即5.51014 Hz時(shí)的遏止電壓。4P37閱讀教材：哪些現(xiàn)象說明光具有粒子性？哪些現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性？提示：粒子性：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)；波動(dòng)性：光的干涉、衍射、偏振。5P58圖18.42思考：一群氫原子處于量子數(shù)為3的激發(fā)態(tài)時(shí)，可發(fā)出幾種頻率的光子？提示：3種6P69問題與練習(xí)T6，Cu里有多少質(zhì)子？多少中子？提示：29個(gè)質(zhì)子，37個(gè)中子。7P71閱讀教材：衰變中出現(xiàn)的電子來源于哪里？提示：核內(nèi)中子轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子。8P73問題與練習(xí)T6，鉍210的半衰期是5天，經(jīng)過多少天后，20 g鉍還剩1.25 g?提示：mm0，代入數(shù)據(jù)得t20天。9P82圖19.53思考：重核裂變時(shí)比結(jié)合能變大還是變??？輕核聚變時(shí)呢？提示：都變大。第59講光電效應(yīng)波粒二象性考點(diǎn)一光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和光電效應(yīng)方程1光電效應(yīng)現(xiàn)象在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在著飽和光電流：即光照條件不變時(shí)，隨著電壓增大，光電流趨于一個(gè)飽和值。對(duì)于一定顏色(頻率)的光，入射光越強(qiáng)，飽和光電流越大，即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。(2)存在著遏止電壓Uc：即存在使光電流減小到零的反向電壓。這說明光電子有初速度且初速度的最大值vc滿足meveUc。遏止電壓只與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無關(guān)，這表明光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)。(3)存在截止頻率c：當(dāng)入射光的頻率小于截止頻率c(又叫極限頻率)時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。不同金屬的截止頻率不同。(4)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：光照射到金屬表面時(shí)，產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過109 s，即光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的。3愛因斯坦光電效應(yīng)方程(1)光子說：空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子。光子的能量為h，其中h是普朗克常量，其值為6.631034 Js。(2)光電效應(yīng)方程：EkhW0。其中h為入射光的能量，Ek為光電子的最大初動(dòng)能，即逸出光電子初動(dòng)能的最大值；W0是金屬的逸出功即電子從金屬中逸出所需做功的最小值。4愛因斯坦光電效應(yīng)方程對(duì)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程表明光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無關(guān)，即規(guī)律(2)。(2)只有當(dāng)hW0時(shí)，才有Ek0，從而有光電子逸出，c就是光電效應(yīng)的截止頻率，即規(guī)律(3)。(3)頻率一定的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間照射的光子數(shù)較多，產(chǎn)生的光電子數(shù)較多，因而飽和光電流較大，即規(guī)律(1)。(4)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，即光電流幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的，即規(guī)律(4)。5幾組重要概念的理解(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子。(2)光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能：光照射到金屬表面時(shí)，電子吸收光子的全部能量，可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，需克服原子核和其他原子的阻礙作用而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動(dòng)能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于或等于光電子的最大初動(dòng)能。(3)光電流與飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，這個(gè)飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。(4)入射光強(qiáng)度與光子能量：入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量。所以光的強(qiáng)度Inh，n是單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)。從此式可以看出飽和光電流正比于n，所以只有當(dāng)光的頻率一定時(shí)，飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比；對(duì)于不同頻率的光，由于每個(gè)光子的能量不同，飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。1(多選)如圖所示，用導(dǎo)線把驗(yàn)電器與鋅板相連接，當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí)，發(fā)生的現(xiàn)象是()A有光子從鋅板逸出B有電子從鋅板逸出C驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度D鋅板帶負(fù)電答案BC解析由于光電效應(yīng)，在光的照射下鋅板中的電子從鋅板表面逸出，A錯(cuò)誤，B正確；驗(yàn)電器與鋅板相連，鋅板因失去電子帶正電，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，C正確，D錯(cuò)誤。2教材母題(人教版選修35 P36T4)鋁的逸出功是4.2 eV，現(xiàn)在將波長(zhǎng)200 nm的光照射鋁的表面。(1)求光電子的最大初動(dòng)能。(2)求遏止電壓。(3)求鋁的截止頻率。變式子題(多選)用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)用光子能量為3.2 eV的光照射到光電管上時(shí)，電流表G的讀數(shù)為0.2 mA。移動(dòng)變阻器的觸點(diǎn)c，當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于0.8 V時(shí)，電流表讀數(shù)為0，則()A光電管陰極的逸出功為2.4 eVB開關(guān)S斷開后，電流表G示數(shù)不為0C光電子的最大初動(dòng)能為0.8 eVD改用能量為2 eV的光子照射，電流表G也有電流，但電流較小答案ABC解析該裝置所加的電壓為反向電壓，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于0.8 V時(shí)，電流表示數(shù)為0，則光電子的最大初動(dòng)能為0.8 eV，根據(jù)光電效應(yīng)方程EkmhW0，W03.2 eV0.8 eV2.4 eV，故A、C項(xiàng)正確；用光子能量為3.2 eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)，有光電子逸出，開關(guān)S斷開后，沒有反向電壓，則有電流流過電流表，故B項(xiàng)正確；改用能量為2 eV的光子照射，由于光子的能量小于逸出功，不能發(fā)生光電效應(yīng)，無光電流，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。3(2017全國卷)(多選)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，分別用頻率為a、b的單色光a、b照射到同種金屬上，測(cè)得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動(dòng)能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確的是()A若ab，則一定有Uab，則一定有EkaEkbC若UaUb，則一定有Ekab，則一定有haEkahbEkb答案BC解析光電效應(yīng)中遏止電壓與最大初動(dòng)能之間的關(guān)系為eUEk，根據(jù)光電效應(yīng)方程可知EkhW0，若ab，則EkaEkb，UaUb，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；若UaUb，則EkaEkb，選項(xiàng)C正確；由光電效應(yīng)方程可得W0hEk，則haEkahbEkb，選項(xiàng)D錯(cuò)誤?？键c(diǎn)二光電效應(yīng)的圖象問題1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置(1)甲圖是光電管正常工作的電路，光電流未達(dá)到最大值之前其大小與光強(qiáng)、電壓有關(guān)，達(dá)到最大值后，光電流與光強(qiáng)成正比(頻率一定)。(2)乙圖是光電管加反向電壓的電路圖，可以研究光電管的遏止電壓。2四類圖象(2018南寧模擬)某同學(xué)采用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，分別用a、b、c三束單色光照射圖甲中的光電管的陰極，得到光電管兩端的電壓與相應(yīng)的光電流的關(guān)系如圖乙所示，其中a、c兩束光照射時(shí)對(duì)應(yīng)的遏止電壓相同，均為Ua，則下列論述正確的是()Aa、c兩束光的光強(qiáng)相同Ba、c兩束光的頻率相同Cb光束光子的能量最小Db光束的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，遏止電壓最大解析由圖可知，a、c兩束光的遏止電壓相同，則頻率相同，a的飽和電流較大，因此a光束照射時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)量較大，光強(qiáng)較大，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確；根據(jù)eUhW，入射光的頻率越高，對(duì)應(yīng)的遏止電壓U越大，所以b光的頻率最大，能量最大，且對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)最短，故C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案B方法感悟研究光電效應(yīng)的兩條線索1愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋了光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光頻率的關(guān)系如圖所示，其中c為極限頻率。從圖中可以確定的是()A逸出功與有關(guān)BEkm與入射光強(qiáng)度成正比C當(dāng)c時(shí)，會(huì)逸出光電子D圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)答案D解析逸出功是由金屬自身決定的，與無關(guān)，A錯(cuò)誤。Ekm隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關(guān)系，與入射光強(qiáng)度無關(guān)，B錯(cuò)誤。當(dāng)a，能發(fā)生光電效應(yīng)，最大初動(dòng)能Ekmh2aW0haEk，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。5(多選)用某單色光照射金屬鈦表面，發(fā)生光電效應(yīng)，從鈦表面放出光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系如圖，則下列說法正確的是()A鈦的逸出功為6.671019 JB鈦的極限頻率為1.01015 HzC光電子的最大初動(dòng)能為1.01018 JD由圖線可求得普朗克常量為6.671034 JsE光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比答案ABD解析根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0知，圖線的斜率等于普朗克常量，則h Js6.671034 Js，故D正確；當(dāng)光電子最大初動(dòng)能為零時(shí)，入射光的頻率等于金屬的極限頻率，則01.01015 Hz，可知逸出功W0h06.67103411015 J6.671019 J，故A、B正確；入射光的頻率越大，光電子的最大初動(dòng)能越大，根據(jù)該圖無法得出光電子的最大初動(dòng)能，故C錯(cuò)誤；由圖可知，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系，不是正比關(guān)系，故E錯(cuò)誤。6如圖甲所示是研究光電效應(yīng)規(guī)律的光電管。用波長(zhǎng)0.50 m的綠光照射陰極K，實(shí)驗(yàn)測(cè)得流過表的電流I與AK之間的電勢(shì)差UAK滿足如圖乙所示規(guī)律，取h6.631034 Js。結(jié)合圖象，求：(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(1)每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極K時(shí)的最大動(dòng)能；(2)該陰極材料的極限波長(zhǎng)。答案(1)4.01012 個(gè)9.61020 J(2)0.66 m解析(1)光電流達(dá)到飽和時(shí)，陰極發(fā)射的光電子全部到達(dá)陽極A，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個(gè)數(shù)：n(個(gè))4.01012(個(gè))。光電子的最大初動(dòng)能為：EkmeUc1.610190.6 J9.61020 J。(2)設(shè)陰極材料的極限波長(zhǎng)為0，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：EkmhW0hh，代入數(shù)據(jù)得00.66 m。真題模擬練7(2018全國卷)用波長(zhǎng)為300 nm的光照射鋅板，電子逸出鋅板表面的最大初動(dòng)能為1.281019 J。已知普朗克常量為6.631034 Js，真空中的光速為3.00108 ms1，能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為()A11014 Hz B81014 HzC21015 Hz D81015 Hz答案B解析由光電效應(yīng)方程EkhW0，得W0hEkhEk。剛好發(fā)生光電效應(yīng)的臨界條件是最大初動(dòng)能Ek0時(shí)，入射光的頻率為0，則W0h0，代入數(shù)據(jù)可得：081014 Hz，故B正確。8(2016全國卷)(多選)現(xiàn)用某一光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用某一頻率的光入射時(shí)，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是()A保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，飽和光電流變大B入射光的頻率變高，飽和光電流變大C入射光的頻率變高，光電子的最大初動(dòng)能變大D保持入射光的光強(qiáng)不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生E遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的光強(qiáng)無關(guān)答案ACE解析保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子個(gè)數(shù)增加，則飽和光電流變大，故A正確；飽和光電流的大小與入射光的頻率無直接關(guān)系，故B錯(cuò)誤；由EkhW0，可知C正確；當(dāng)入射光的頻率小于金屬的極限頻率時(shí)，光電效應(yīng)不能發(fā)生，故D錯(cuò)誤；由eUmv2hW0得eUhW0，可見，遏止電壓U隨的增大而增大，與入射光的光強(qiáng)無關(guān)，故E正確。9.(2018湖北武漢聯(lián)考)(多選)在X射線管中，由陰極發(fā)射的電子(不計(jì)初速度)被加速后打到陽極，會(huì)產(chǎn)生包括X光在內(nèi)的各種能量的光子，其中光子能量的最大值等于電子的動(dòng)能。已知陽極與陰極之間的電勢(shì)差U、普朗克常量h、電子電荷量e和光速c，則可知該X射線管發(fā)出的X光的()A最短波長(zhǎng)為 B最長(zhǎng)波長(zhǎng)為C最小頻率為 D最大頻率為答案AD解析根據(jù)動(dòng)能定理知電子到達(dá)陽極的動(dòng)能為eU，設(shè)X光的能量為E，依題意有eUE，再根據(jù)光速與波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系公式c、光子能量Eh，則可得，故A、D正確。10(2018廣州市高中畢業(yè)綜合測(cè)試)已知普朗克常量h6.631034 Js,1 eV1.61019 J。在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，金屬鈀的逸出功為1.9 eV，要使鈀表面發(fā)出的光電子的最大初動(dòng)能為1.0 eV，入射光的頻率約為()A2.21014 Hz B4.61014 HzC4.61015 Hz D7.01014 Hz答案D解析根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0，又Ek1.0 eV1.61019 J，W01.9 eV1.91.61019 J3.041019 J，代入已知量，注意都取國際單位，可得7.01014 Hz。故D正確。11(2018銀川模擬)如圖甲所示是研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的電路。當(dāng)用強(qiáng)度一定的黃光照射到光電管上時(shí)，測(cè)得電流表的示數(shù)隨電壓變化的圖象如圖乙所示。下列說法正確的是()A若改用紅光照射光電管，一定不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)B若照射的黃光越強(qiáng)，飽和光電流將越大C若用頻率更高的光照射光電管，則光電管中金屬的逸出功越大D若改用藍(lán)光照射光電管，圖象與橫軸交點(diǎn)在黃光照射時(shí)的右側(cè)答案B解析根據(jù)光電效應(yīng)方程知，EkmhW0，紅光的頻率小于黃光的頻率，紅光照射不一定發(fā)生光電效應(yīng)，但不是一定不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，故A錯(cuò)誤；增加入射光的強(qiáng)度，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目增加，飽和光電流將增大，故B正確；光電管中金屬的逸出功的大小是由材料本身決定的，與入射光的頻率無關(guān)，故C錯(cuò)誤；根據(jù)光電效應(yīng)方程知，EkmhW0，藍(lán)光的頻率大于黃光的頻率，則光電子的最大初動(dòng)能增大，所以反向遏止電壓增大，圖象與橫軸交點(diǎn)在黃光照射時(shí)的左側(cè)，故D錯(cuò)誤。12(2018衡水中學(xué)5月沖刺模擬考試)用圖甲所示的電路研究光電效應(yīng)中電子發(fā)射的情況與照射光的強(qiáng)弱、光的顏色(頻率)等物理量間的關(guān)系，電流計(jì)G測(cè)得的光電流I隨光電管兩端電壓U的變化如圖乙所示，則()A通過電流計(jì)G的電流方向由d到cB電壓U增大，光電流I一定增大C用同頻率的光照射K極，光電子的最大初動(dòng)能與光的強(qiáng)弱無關(guān)D光電管兩端電壓U為零時(shí)一定不發(fā)生光電效應(yīng)答案C解析電流方向與逃逸出來的光電子運(yùn)動(dòng)方向相反，所以通過電流計(jì)G的電流方向由c到d，故A錯(cuò)誤；在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓U增大，光電流先增大，最后趨于飽和值不變，故B錯(cuò)誤；用同頻率的光照射K極，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0，光電子的最大初動(dòng)能與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無關(guān)，故C正確；光電管兩端電壓U為零時(shí)，光電效應(yīng)照樣發(fā)生，故D錯(cuò)誤。13.(2018太原模擬)2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主威拉德博伊爾和喬治史密斯主要成就是發(fā)明了電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。他們的發(fā)明利用了愛因斯坦的光電效應(yīng)原理。如圖所示電路可研究光電效應(yīng)規(guī)律。圖中標(biāo)有A和K的為光電管，其中A為陽極，K為陰極。理想電流計(jì)可檢測(cè)通過光電管的電流，理想電壓表用來指示光電管兩端的電壓?，F(xiàn)接通電源，用光子能量為10.5 eV的光照射陰極K，電流計(jì)中有示數(shù)，若將滑動(dòng)變阻器的