1、第四章 | 波粒二象性第一、二節(jié)光電效應(yīng)光電效應(yīng)方程及其意義核心素養(yǎng)點(diǎn)擊 物理觀念(1)知道光電效應(yīng)現(xiàn)象，了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。(2)初步了解能量子假說和光子假說。(3)理解掌握光電效應(yīng)方程?？茖W(xué)思維應(yīng)用光電效應(yīng)方程解決實(shí)際問題。科學(xué)探究通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)光電效應(yīng)和量子化知識(shí)對(duì)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的影響，領(lǐng)會(huì)科學(xué)是不斷發(fā)展永無止境的。發(fā)射電子光電子飽和截止遏止eUc(3)經(jīng)典電磁理論解釋的困難無法解釋_頻率的存在。無法解釋遏止電壓只與入射光的_有關(guān)，與入射光的_無關(guān)。2判一判(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。( )(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與

2、入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。( )(3)當(dāng)頻率超過截止頻率c時(shí)，入射光照射到金屬表面上時(shí)，光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。( )截止頻率強(qiáng)度3選一選當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時(shí)，發(fā)生了光電效應(yīng)，這時(shí)()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(huì)吸附空氣中的正離子解析：鋅板在紫外線的照射下發(fā)生了光電效應(yīng)，鋅板上有電子逸出，所以鋅板帶正電，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案：C二、光電效應(yīng)方程及其意義1填一填(1)能量子假說：物體熱輻射所發(fā)出的電磁波的能量是_的，只能是_的整數(shù)倍。(2)普朗克常量：h_。(3)量子化：物理量_的現(xiàn)象。(4)光量子：_指出，光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的光量子，后來被稱為_

3、。一個(gè)光子的能量_。不連續(xù)h6.631034 Js分立取值愛因斯坦光子hEkW0逸出功2判一判(1)看似連續(xù)的光實(shí)際上是由分立的光子組成的。( )(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比。( )(3)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。( )3想一想不同頻率的光照射到同一金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能是否相同？提示：由于同一金屬的逸出功相同，而不同頻率的光的光子能量不同，由光電效應(yīng)方程可知，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，逸出的光電子的最大初動(dòng)能是不同的。探究(一)能量的量子化和光電效應(yīng)問題驅(qū)動(dòng)在第二十一屆的高交會(huì)上，薛定諤計(jì)算機(jī)的現(xiàn)身讓很多人都感到震撼，這是中國(guó)第一款數(shù)字“量子計(jì)算機(jī)”，薛

4、定諤量子計(jì)算機(jī)在量子糾纏和量子測(cè)量誤差方面處于領(lǐng)先地位。量子這個(gè)概念最早是誰(shuí)提出來的？提示：普朗克。 重難釋解1能量子和量子數(shù)(1)內(nèi)涵：振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，En，當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收，這個(gè)不可再分的最小能量值叫作能量子，n就是量子數(shù)。(2)特點(diǎn)：輻射或吸收能量時(shí)以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收，即只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過渡到另一狀態(tài)，而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài)。2能量子的能量公式：h，其中是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量。h6.631034 Js。3能量子假說的意義(1)普朗

5、克的能量子假說，使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征，架起了電磁波的波動(dòng)性與粒子性的橋梁。4光電效應(yīng)的五組概念(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，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。(2)光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能。光照射到金屬表面時(shí)，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，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

6、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)光子的能量與入射光的強(qiáng)度：光子的能量即每個(gè)光子的能量，其值為h (為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。入射光的強(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，入射光的強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)光子能量h與入射光子數(shù)n的乘積。即光強(qiáng)等于nh。(4)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽(yáng)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)。(5)光的強(qiáng)度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是

7、對(duì)頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的。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。典例1 如圖所示為一個(gè)真空光電管的應(yīng)用電路，其陰極金屬材料的極限頻率為4.51014 Hz，則以下判斷正確的是 ()A無論用怎樣頻率的單色光照射光電管，只要照射足夠的時(shí)間都能在電路中產(chǎn)生光電流B用0.5 m的光照射光電管時(shí)，電路中有光電流產(chǎn)生C發(fā)生光電效應(yīng)后，增加照射光電管的入射光的頻率，電路中的飽和光電流就一定增加D發(fā)生光電效應(yīng)后，增加電源電壓，電路中的光電流一定增加解析入射光的頻率小于極限頻率時(shí)，無論照射多長(zhǎng)時(shí)間也不能產(chǎn)生光電流，A錯(cuò)誤；根據(jù)c，當(dāng)0.5 m時(shí)，

8、6.01014 Hz，大于極限頻率，能發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電流，B正確；飽和光電流和入射光的頻率無關(guān)，C錯(cuò)誤；增加電源電壓，光電流不一定增加，D錯(cuò)誤。答案B光電效應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用(1)入射光的頻率相同，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能相同，故遏止電壓相同。(2)光電流未達(dá)到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)，只有在光電流達(dá)到飽和值以后才和入射光的強(qiáng)度成正比。素養(yǎng)訓(xùn)練1(多選)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，則下面說法中正確的是 ()A用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)B用綠色光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)C鋅板帶的是負(fù)電荷

9、D使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷解析：用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，說明鋅板帶了電。在紫外線的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來，鋅板中缺少電子，于是帶正電荷，選項(xiàng)A、D正確，C錯(cuò)誤；綠光不一定能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，B錯(cuò)誤。答案：AD2(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)生解析：根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律，保持入

10、射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，則飽和光電流變大，選項(xiàng)A正確；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程知，入射光的頻率變高，產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能變大，飽和光電流與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，C正確；保持入射光的光強(qiáng)不變，不斷減小入射光的頻率，當(dāng)入射光的頻率小于極限頻率時(shí)，就不能發(fā)生光電效應(yīng)，沒有光電流產(chǎn)生，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案：AC3激光器是一個(gè)特殊的光源，它發(fā)出的光便是激光，紅寶石激光器發(fā)射的激光是不連續(xù)的一道一道的閃光，每道閃光稱為一個(gè)光脈沖，現(xiàn)有一紅寶石激光器，發(fā)射功率為1.01010 W，所發(fā)射的每個(gè)光脈沖持續(xù)的時(shí)間t1.01011 s，波長(zhǎng)為793.4 nm，問每列光脈沖的長(zhǎng)度L是多少？其中含有光子

11、數(shù)n是多少？答案：3.0103 m3.991017個(gè)探究(二)光電效應(yīng)方程及應(yīng)用問題驅(qū)動(dòng)光電效應(yīng)是物理學(xué)中一個(gè)重要而神奇的現(xiàn)象，在光的照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛因斯坦所提出?？茖W(xué)家們對(duì)光電效應(yīng)的深入研究對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性的作用。光電效應(yīng)在現(xiàn)代科技中有哪些應(yīng)用呢？提示：應(yīng)用光電效應(yīng)的產(chǎn)品有很多，主要是兩個(gè)方面：太陽(yáng)能電池和光電傳感器，使用光電傳感器的設(shè)備，常見的有：光控路燈、數(shù)碼照相機(jī)、光敏電阻、二極管、三極管等。 重難釋解1對(duì)光電效應(yīng)方程hEkW0的四點(diǎn)理解(1)式中的Ek是光電子的最大初動(dòng)

12、能，就某個(gè)光電子而言，其離開金屬時(shí)剩余動(dòng)能大小可以是0Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。(2)光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程。能量為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(duì)它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能。如果克服吸引力做功最少，為W0，則電子離開金屬表面時(shí)動(dòng)能最大，為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：EkhW0。2光電效應(yīng)規(guī)律中的兩條線索、兩個(gè)關(guān)系(1)兩條線索(2)兩個(gè)關(guān)系光強(qiáng)大光子數(shù)目多發(fā)射光電子多光電流大；光子頻率高光子能量大光電子的最大初動(dòng)能大。典例2在研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光電管的陰極材料為銫(Cs)，用某一頻率的光照射，實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電流隨電壓變化的圖像如圖所示。已知

13、銫的逸出功為3.01019 J。(1)銫發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率是多少？(2)本次實(shí)驗(yàn)的入射光頻率是多少？答案(1)4.521014 Hz(2)1.061015 Hz遷移發(fā)散上述實(shí)驗(yàn)中，若用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射光電管的陰極形成光電流，那么在下列光電流與電壓的關(guān)系圖像中，正確的是()答案：C 素養(yǎng)訓(xùn)練1. 如圖所示是某金屬在光的照射下，光電子最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖像，由圖像可知，下列說法不正確的是 ()A圖線的斜率表示普朗克常量hB該金屬的逸出功等于EC該金屬的逸出功等于h0D入射光的頻率為20時(shí)，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為2E解析：根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0，知圖線的斜率表

14、示普朗克常量h，故A正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0，當(dāng)0時(shí)，EkW0，由圖像知縱軸截距E，所以W0E，即該金屬的逸出功等于E，故B正確；圖線與橫軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)是0，該金屬的逸出功等于h0，故C正確；當(dāng)入射光的頻率為20時(shí)，根據(jù)光電效應(yīng)方程可知，Ekh20h0E，故D錯(cuò)誤。答案：D2如圖所示，陰極K用極限波長(zhǎng)00.66 m的金屬線制成，用波長(zhǎng)0.50 m的綠光照射陰極K，調(diào)整兩個(gè)極板電壓，當(dāng)A板電壓比陰極高出2.5 V時(shí)，光電流達(dá)到飽和，電流表示數(shù)為0.64 A。求：(h6.631034 Js)(1)每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能；(2)如果把照射陰極綠光的光強(qiáng)增大為原

15、來的2倍，每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極的最大初動(dòng)能。答案：(1)4.01012個(gè)9.61020 J(2)8.01012個(gè)9.61020 J一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維(選自魯科版新教材課后練習(xí)) 在某次光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率的關(guān)系如圖所示。若該直線的斜率和縱軸截距分別為k和b，電子電荷量的絕對(duì)值為e，試用上述物理量表示普朗克常量和所用材料的逸出功大小。答案kebe二、注重學(xué)以致用和思維建模1太陽(yáng)輻射到地球表面單位面積的電磁波的功率P0約為1 400 W/m2。其中包含了各種波長(zhǎng)的紅外線、可見光、紫外線等，以可見光部分最強(qiáng)。為了研究方便，我們認(rèn)為太陽(yáng)光輻射到地球表面的電磁波全部是波長(zhǎng)0約為600 nm(1 nm109 m)的可見光，每秒至少有5個(gè)這樣的光子進(jìn)入人眼才能引起視覺，人眼睛的瞳孔面積約為S010 mm2，則人眼能看到的最遠(yuǎn)的與太陽(yáng)相同的恒星與地球的距離R與日地距離r的比值約為(已知光速c3108 m/s，普朗克常量h6.631034 Js)()A9104B9107C91010 D91014答案：B2(202