第5章 波與粒子 第1講光電效應(yīng) 目標(biāo)定位1 了解光電效應(yīng)和光電效應(yīng)的實驗規(guī)律及應(yīng)用 2 知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義 并會用來解決簡單的問題 預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)梳理 識記 點(diǎn)撥 一 光電效應(yīng)的產(chǎn)生1 光電效應(yīng)現(xiàn)象在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為 從金屬表面逸出的電子叫做 2 光電效應(yīng)實驗規(guī)律 1 每一種金屬對應(yīng)一種光的最小頻率 又稱 只有當(dāng)光的頻率這個最小頻率時 才會產(chǎn)生光電效應(yīng) 光電效應(yīng) 光電子 極限頻率 大于或等于 2 產(chǎn)生光電效應(yīng)時 單位時間內(nèi)逸出金屬表面的電子數(shù)與有關(guān) 光的強(qiáng)度越大 單位時間內(nèi)逸出的電子數(shù) 3 從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)的時間間隔 通?？稍?0 9s內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng) 光的強(qiáng)度 越多 很短 想一想紫外線燈照射鋅板 為什么與鋅板相連的驗電器指針張開一個角度 答案紫外線燈照射鋅板 發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象 鋅板上的電子飛出鋅板 使鋅板帶正電 與鋅板相連的驗電器也會因而帶正電 使得驗電器指針張開一個角度 二 光電效應(yīng)的理論解釋1 光子說 光由個數(shù)有限 分立于空間各點(diǎn)的組成 頻率為 的光子能量為 2 愛因斯坦光電效應(yīng)方程 1 表達(dá)式 2 各量的意義 h 表示一個光子的 w表示金屬的 mv2表示光電子的 h 光子 h w mv2 能量 逸出功 最大初動能 三 光電效應(yīng)的應(yīng)用1 光電開關(guān) 控制電路的或 2 光電成像 原理是利用光電效應(yīng)將轉(zhuǎn)化成 然后再將轉(zhuǎn)化成 例如 紅外線成像 3 光電池 硅半導(dǎo)體太陽電池 接通 斷開 光信號 電信 號 電信號 光信號 想一想電子的最大初動能與入射光的頻率成正比嗎 課堂講義理解 深化 探究 一 光電效應(yīng)現(xiàn)象1 光電效應(yīng)的實質(zhì) 光現(xiàn)象電現(xiàn)象 2 光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光 3 光電子 光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子 其本質(zhì)是電子 例1一驗電器與鋅板相連 如圖1所示 用一紫外線燈照射鋅板 關(guān)燈后 驗電器指針保持一定偏角 1 現(xiàn)用一帶負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸 則驗電器指針偏角將 選填 增大 減小 或 不變 2 使驗電器指針回到零 再用相同強(qiáng)度的鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板 驗電器指針無偏轉(zhuǎn) 那么 若改用強(qiáng)度更大的紅外線燈照射鋅板 可觀察到驗電器指針 選填 有 或 無 偏轉(zhuǎn) 圖1 解析當(dāng)用紫外線燈照射鋅板時 鋅板發(fā)生光電效應(yīng) 鋅板放出光電子而帶上正電 此時與鋅板連在一起的驗電器也帶上了正電 故指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn) 當(dāng)帶負(fù)電的小球與鋅板接觸后 中和了一部分正電荷 從而使驗電器的指針偏角減小 使驗電器指針回到零 用鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板 驗電器指針無偏轉(zhuǎn) 說明鈉燈發(fā)出的黃光的頻率小于鋅的極限頻率 而紅外光比黃光的頻率還要低 更不可能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng) 能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱無關(guān) 答案 1 減小 2 無 二 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律1 光電效應(yīng)的三個規(guī)律 1 任何一種金屬都有一個極限頻率 c 入射光的頻率必須大于或等于 c 才能產(chǎn)生光電效應(yīng) 與入射光的強(qiáng)度及照射時間無關(guān) 2 當(dāng)產(chǎn)生光電效應(yīng)時 單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度有關(guān) 3 光電效應(yīng)幾乎是瞬時的 發(fā)生的時間一般不超過10 9s 2 掌握三個概念的含義 1 入射光頻率決定著能否發(fā)生光電效應(yīng)和光電子的最大初動能 2 入射光的強(qiáng)度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù) 3 飽和光電流決定于單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù) 3 逸出功使電子脫離某種金屬表面所做功的最小值 用w表示 不同金屬的逸出功不同 4 光電效應(yīng)與光的電磁理論的矛盾按光的電磁理論 應(yīng)有 1 光越強(qiáng) 光電子的初動能越大 遏止電壓與光的強(qiáng)弱有關(guān) 2 不存在極限頻率 任何頻率的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng) 3 在光很弱時 放出電子的時間應(yīng)遠(yuǎn)大于10 9s 例2利用光電管研究光電效應(yīng)實驗 如圖2所示 用頻率為 的可見光照射陰極k 電流表中有電流通過 則 a 用紫外線照射 電流表不一定有電流通過b 用紅光照射 電流表一定無電流通過c 用頻率為 的可見光照射k 當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭移到m端時 電流表中一定無電流通過d 用頻率為 的可見光照射k 當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭向n端滑動時 電流表示數(shù)可能不變 圖2 解析因紫外線的頻率比可見光的頻率高 所以用紫外線照射時 電流表中一定有電流通過 選項a錯誤 因不知陰極k的極限頻率 所以用紅光照射時 不一定發(fā)生光電效應(yīng) 所以選項b錯誤 即使uak 0 電流表中也有電流 所以選項c錯誤 當(dāng)滑動觸頭向n端滑動時 uak增大 陽極a吸收光電子的能力增強(qiáng) 光電流會增大 當(dāng)所有光電子都到達(dá)陽極a時 電流達(dá)到最大 即飽和電流 若在滑動前 電流已經(jīng)達(dá)到飽和電流 那么即使增大uak 光電流也不會增大 所以選項d正確 答案d 針對訓(xùn)練1入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng) 若入射光的強(qiáng)度減弱 而頻率保持不變 那么 a 從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加b 逸出的光電子的最大初動能將減小c 單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少d 有可能不發(fā)生光電效應(yīng) 解析發(fā)生光電效應(yīng)幾乎是瞬時的 選項a錯誤 入射光的強(qiáng)度減弱 說明單位時間內(nèi)的入射光子數(shù)目減少 頻率不變 說明光子能量不變 逸出的光電子的最大初動能也就不變 選項b錯誤 入射光子的數(shù)目減少 逸出的光電子數(shù)目也就減少 故選項c正確 入射光照射到某金屬上發(fā)生光電效應(yīng) 說明入射光頻率不低于這種金屬的極限頻率 入射光的強(qiáng)度減弱而頻率不變 同樣能發(fā)生光電效應(yīng) 故選項d錯誤 答案c 三 光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用1 光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程能量為e h 的光子被電子吸收 電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引做功 另一部分就是電子離開金屬表面時的動能 如果克服吸引力做功最少為w0 則電子離開金屬表面時動能最大為ek 根據(jù)能量守恒定律可知 ek h w0 3 ek 曲線如圖3所示是光電子最大初動能ek隨入射光頻率 的變化曲線 這里 橫軸上的截距是極限頻率 縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值 斜率為普朗克常量 圖3 例3如圖4所示 當(dāng)開關(guān)k斷開時 用光子能量為2 5ev的一束光照射陰極p 發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零 合上電鍵 調(diào)節(jié)滑動變阻器 發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0 60v時 電流表讀數(shù)仍不為零 當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0 60v時 電流表讀數(shù)為零 由此可知陰極材料的逸出功為 a 1 9evb 0 6evc 2 5evd 3 1ev 圖4 解析由題意知光電子的最大初動能為ek euc 0 60ev 所以根據(jù)光電效應(yīng)方程ek h w0可得w0 h ek 2 5 0 6 ev 1 9ev 答案a 針對訓(xùn)練2如圖5所示是某金屬在光的照射下 光電子最大初動能ek與入射光頻率 的關(guān)系圖象 由圖象可知 a 該金屬的逸出功等于eb 該金屬的逸出功等于h 0c 入射光的頻率為 0時 產(chǎn)生的光電子的最大初動能為ed 入射光的頻率為2 0時 產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2e 圖5 解析題中圖象反映了光電子的最大初動能ek與入射光頻率 的關(guān)系 根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程ek h w0 知當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的極限頻率 0時 光電子的最大初動能ek 0 此時有h 0 w0 即該金屬的逸出功等于h 0 選項b正確 根據(jù)圖線的物理意義 有w0 e 故選項a正確 而選項c d錯誤 答案ab 對點(diǎn)練習(xí)鞏固 應(yīng)用 反饋 光電效應(yīng)現(xiàn)象1 當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時 產(chǎn)生了光電效應(yīng) 這時 a 鋅板帶負(fù)電b 有正離子從鋅板逸出c 有電子從鋅板逸出d 鋅板會吸附空氣中的正離子 解析當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時 產(chǎn)生了光電效應(yīng) 有電子從鋅板逸出 鋅板帶正電 選項c正確 a b d錯誤 答案c 光電效應(yīng)規(guī)律2 用某種單色光照射某種金屬表面 發(fā)生光電效應(yīng) 現(xiàn)將該單色光的光強(qiáng)減弱 則下列說法中正確的是 光電子的最大初動能不變 光電子的最大初動能減小 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少 可能不發(fā)生光電效應(yīng)a b c d 解析由光電效應(yīng)規(guī)律知 光電子的最大初動能由入射光的頻率和金屬的逸出功共同決定 與入射光的強(qiáng)度無關(guān) 故 對 單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比 光強(qiáng)減弱 則單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少 即 也正確 答案a 3 某單色光照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng) 則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是 a 延長光照時間b 增大光的強(qiáng)度c 換用波長較短的光照射d 換用頻率較低的光照射 答案c 光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用4 在光電效應(yīng)實驗中 用頻率為 的光照射光電管陰極 發(fā)生了光電效應(yīng) 下列說法正確的是 a 增大入射光的強(qiáng)度 光電流增大b 減小入射光的強(qiáng)度 光電效應(yīng)現(xiàn)象消失c 改用頻率小于 的光照射 一定不發(fā)生光電效應(yīng)d 改用頻率大于 的光照射 光電