名師輔導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容：光電效應(yīng)光子【本課教學(xué)目標(biāo)】在20世紀(jì)，新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是與我們對微觀世界的認(rèn)識分不開的，而研究微觀世界要用到量子論．從本章起，我們就開始學(xué)習(xí)量子論的初步知識．本章在編寫上與過去的教材有所不同，它把光的波粒二象性和玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論分別從光的本性和原子、原子核這兩部分內(nèi)容中提出，合在一起成為量子論初步一章，這樣做的目的是為了在介紹物質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時更加突出微觀粒子的運動規(guī)律．學(xué)習(xí)本章要特別注意兩點：第一，要從可以直接感知的實驗現(xiàn)象經(jīng)過分析推理，得到不能直接感知的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的運動規(guī)律；第二，要建立諸如軌道量子化、能量量子化、光與實物粒子的波粒二象性，以及用概率描述粒子運動等新的概念．本章的計算并不復(fù)雜，通過計算你要進(jìn)一步體會有關(guān)概念和規(guī)律，同時對一些現(xiàn)象所涉及的物理量(如波長、能級差等)的數(shù)量級建立感性認(rèn)識．本章內(nèi)容可以分為三個單元．第一單元學(xué)習(xí)光的波粒二象性，初步接觸量子化、二象性、概率波等概念；第二單元學(xué)習(xí)原子結(jié)構(gòu)能級的概念；第三單元學(xué)習(xí)物質(zhì)波的概念．【基礎(chǔ)知識導(dǎo)引】1．理解光電效應(yīng)中極限頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾．2．知道光電效應(yīng)的瞬時性及其與光的電磁理論的矛盾．3．理解光子說及其對光電效應(yīng)的解釋．4．理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程并會用來解決簡單問題．【教材內(nèi)容全解】所謂光電效應(yīng)，就是在光(包括不可見光)的照射下從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象．發(fā)射出來的電子叫光電子，這一現(xiàn)象是由赫茲首先發(fā)現(xiàn)的．光電效應(yīng)的規(guī)律：每種金屬都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)．最初觀察到光電效應(yīng)時，人們認(rèn)為光是一種電磁波，當(dāng)它射入金屬時，金屬內(nèi)的自由電子會由于變化著的電場作用而振動，如果光足夠強，不論光的頻率高低，經(jīng)過一段時間后電子的振幅就會很大，就有可能飛出金屬表面，就好像沸騰的水．但是，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，對各種金屬都存在著極限頻率和極限波長，如果入射光的頻率比金屬的極限頻率低，那么無論光多么強，照射時間多么長，都不會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象；如果光的頻率高于金屬的極限頻率，即使光不強，當(dāng)它射到金屬表面，也會觀察到光電效應(yīng)現(xiàn)象．光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大．光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過109s．按照波動理論，如果入射光比較弱，照射時間要長一些，金屬中的電子才能積累足夠的能量，飛出金屬表面．可是事實不是如此，只要光的頻率高于金屬的極限頻率，光的強度無論強弱，光電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過10-9s.當(dāng)入射光的頻率大于金屬的極限頻率時，光電流的強度(光電子數(shù)目)與入射光的強度成正比.1900年，德國物理學(xué)家普朗克在研究中發(fā)現(xiàn)，只有認(rèn)為電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，理論計算的結(jié)果才能和實驗的事實相符.這樣的一份能量叫做能量子.普朗克還認(rèn)為，每一份能量等于hv,其中V是輻射電磁波的頻率,h是一個常量，叫做普朗克常量，實驗測得：h二6.63x10-34J?s.愛因斯坦在普朗克的啟發(fā)下提出在空間傳播的光也不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，光子的能量E,跟光的頻率成正比，即：E=hv(h為普朗克常量)，這個學(xué)說就是光子說．理解：每個光子的能量只決定于光的頻率，而光的強弱則反應(yīng)了單位時間內(nèi)射到單位面積上的光子數(shù)的多少．用光子說對光電效應(yīng)有很好的解釋：光子照射到金屬上，它的能量可以被金屬中的某個電子吸收，電子吸收光子后，能量增加．如果能量足夠大，電子就能克服金屬內(nèi)正電荷對它的吸引力，離開金屬表面，成為光電子．而不同的金屬對電子的束縛能力不同，因此電子飛出時所做的功也不一樣，如果光子的能量E小于使電子飛出來所需功的最小值W,那無論光多么強，照射時間多么長，也不能使電子飛出，這就解釋了為什么存在極限頻率．而且電子對光子的吸收是十分迅速的，這就解釋了光電效應(yīng)的瞬時性．光電效應(yīng)中，金屬中的電子在飛出金屬表面時要克服原子核對它的吸引而做功，某種金屬中的不同電子，脫離這種金屬所需的功不一樣，使電子脫離金屬所做的功的最小值叫做這種金屬的逸出功W.入射光照射金屬發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，若光子的能量hv大于金屬的逸出功W,光電子飛出時就具有了一定的動能，如果用E表示動能最大的光電子所具有的動能k就可推導(dǎo)出光電效應(yīng)方程：E=hv-W.k【難題巧解點撥】光電效應(yīng)是本章的重點知識，重點掌握光電效應(yīng)現(xiàn)象和光電效應(yīng)規(guī)律，光電效應(yīng)的規(guī)律是從實驗中總結(jié)出來的，規(guī)律本身比較抽象，只有通過光子說的圓滿解釋才能深刻理解，學(xué)習(xí)規(guī)律時應(yīng)與光子說結(jié)合起來．用光子說解釋光電效應(yīng)規(guī)律時，可以借助下面兩條假設(shè)：設(shè)想當(dāng)光射到金屬表面時，金屬中的一個電子只有吸收一份光子的能量，一個光子的能量也只能傳遞給一個電子．電子吸收一份光子的能量后，可能向各個方向運動，從金屬表面逸出時，光電子的初動能大小不同，運動方向也不同，只有直接從金屬表面逸出的光電子才具有最大的初動能．例1某金屬在一束綠光照射下，剛好能產(chǎn)生光電效應(yīng)，如多用一束綠光照射，則逸出的電子數(shù)將 ，逸出的電子的初動能將 解析綠光照射下發(fā)生光電效應(yīng)，當(dāng)多用一束綠光照射后，綠光的頻率不變，一個電子吸收一個不變的光子的能量后，克服不變的逸出功(同種金屬)，剩下的能量即為最大初動能亦不會發(fā)生變化。此時單位時間發(fā)出的光子數(shù)增加了，逸出的電子數(shù)也會增加．答案增加；不變點撥正確解答此類題的關(guān)鍵在于運用光子說，正確理解光電效應(yīng)規(guī)律，根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律，光電子的最大初動能，決定于照射光的頻率，頻率變大，最大初動能隨之變大．而在

單位時間內(nèi)從陰極發(fā)射出來的光電子數(shù)跟入射光的強度成正比．例2同一頻率的光照射到甲、乙兩種不同的金屬，它們釋放的光電子在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動，它們的最大半徑之比為：2：1，則下列說法中正確的是：()甲、乙兩種金屬的逸出功之比為2：1光電子的最大初速度之比為2：1光電子的最大初動能之比為2：1光電子的最大動量之比為2：1mv解析帶電粒子在勻強磁場中作勻速圓周運動的半徑r= .從甲、乙兩金屬逸出的Bqvr2都是光電子，m,q相同，在同一磁場內(nèi)運動，亠=1=；vr1221mv2光電子的最大初動能之比為：V221光電子的最大初動能之比為：V21mv222光電子的最大動量之比：mv v2光電子的最大動量之比：i=i=mv v 122由愛因斯坦的光電方程可知逸出功：W2由愛因斯坦的光電方程可知逸出功：W二hv-E，所以詁豐.kWi2答案B、D點撥此題把粒子在磁場中運動規(guī)律與動量、動能知識的結(jié)合，可以培養(yǎng)綜合運用知識的能力.例3如圖21-1所示，擦得很亮的絕緣鋅板A水平固定放置，其下方水平放有接地的銅板B兩板間距為d,兩板面積均為S,正對面積S',且S'〈S,當(dāng)用弧光燈照射鋅板上表面后，AB間一帶電液滴恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)，試分析：< PA圖21-1液滴帶何種電荷?用弧光燈再照射A板上面，液滴做何種運動？若使液滴向下運動可采取哪些措施?解析(1)受弧光燈照射發(fā)生光電效應(yīng)，鋅板A有光電子從板的上表面逸出，而使A板帶正電荷，接地的銅板B受帶電板A的靜電感應(yīng)而帶負(fù)電荷，A、B板間形成勻強電場，方

向豎直向下，且Eq=mg，所以液滴帶負(fù)電荷.當(dāng)再用弧光燈照射A板上面，光電效應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，使A板正電荷增加，A、B板間場強增加，所以Eq>mg，使液滴向上運動.若使液滴向下運動，即mg>Eq,mg和q不變，則必須使E變小，因上板電量Q不變，則當(dāng)B板向右移動即兩板正對面積變大，電容變大，兩極間電壓變小，場強變小，若達(dá)到Eq<mg，液滴就會向下運動.答案(1)負(fù)電荷；(2)向上運動；(3)B板向右移動，增大正對面積.點撥該題是光電效應(yīng)與電場、電容、力和運動等知識的綜合，涉及的知識面較廣，因而在復(fù)習(xí)中要切實把握知識的內(nèi)在聯(lián)系.【拓展延伸探究】課題：光電效應(yīng)的應(yīng)用目的：通過光電效應(yīng)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，理解光電效應(yīng)的規(guī)律.問題1：在工業(yè)生產(chǎn)中常用的光電控制設(shè)備一光控繼電器的工作原理如何?(構(gòu)造如圖21-2所示.)圖21-2問題2：電影如何記錄和播放出聲音?方法：光控繼電器由電源、光電管、放大器、電磁繼電器幾部分組成.當(dāng)光照射光電管時，光電管電路中便產(chǎn)生電流，經(jīng)放大器放大后，使電磁鐵M磁化，把銜鐵N吸??；沒有光照射時，電路中沒有電流，銜鐵N在彈簧的作用下就自動離開M,如果把銜鐵N與控制機構(gòu)相連，就可以達(dá)到自動控制的目的.例如，可以用于自動計數(shù)，把產(chǎn)品放在傳送帶上，光源和光電管分別放在傳送帶的兩側(cè)，每當(dāng)傳送帶上輸送過去一個產(chǎn)品時，光線被擋住一次，光控繼電器就放開銜鐵一次，由銜鐵控制的計數(shù)器的數(shù)字就加一.光控繼電器還可以用于安全生產(chǎn)，工人在沖床、鉆床、鍛壓機械上勞動時，如有不慎，容易出事故，可以在這些機床上安裝光控繼電器，當(dāng)工人不慎將手伸入危險部位時，由于遮住了光線，光控繼電器就立即動作，使機床停下，避免事故的發(fā)生.最早的電影是沒有聲音的，后來雖然有了聲音，但那是靠留聲機來配合影片播放的，聲和影配合不好.現(xiàn)在我們能看到聲和影完全配合在一起，還是多虧了光電管.影片攝制完成后，要進(jìn)行錄音.錄音時通過專門的設(shè)備使聲音的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾淖兓?，從而把聲音的“像”攝制在影片上的邊緣上，形成寬窄變化的暗條紋，這就是影片邊上的音軌，如圖2l-3所示.放映電影時，利用光電管把“聲音的照片”還原成聲音.方法是：在電影放映機中用強度不變的極窄的光束照射音軌，由于影片上各處的音軌寬窄不同，所以在影片移動的過程中，通過音軌的光的強度也就不斷地變化；變化的光照射向光電管時，在電路中產(chǎn)生變化的電流，把電流放大后，通過喇叭就能把聲音放出來了.

【課本習(xí)題解答】c由于光子的頻率V與波長之間的關(guān)系為V二一,所以光子的能量:九hcE二hv二二1.63x10-18J.九解析：由E=hV和V=3.0x1Qsm/s。可得久，因此所求光子的波長為:m=9.95x10-14m=9.95x10-5nmm=9.95x10-14m=9.95x10-5nm.2.0x10-12紫光的能量最大，這種光不一定最亮，因為人對光的亮度的除了光子能量大小外還和光的多少及人對某種光的敏感度有關(guān).4.從表中查得，鋅的極限頻率v=8.07x1014Hz，這樣的光子能量為：0E=hv=5.35x10-19J.0根據(jù)題意，汞要發(fā)生光電效應(yīng)時吸收的光子的能量至少應(yīng)為7.27x10-19J,相應(yīng)的頻率為：E 7.27E 7.27x10-19v= =h 6.63x10-34Hz=1.10x1015Hz，這種光子的波長為：=2.73x10-7m=273nm，九=c==2.73x10-7m=273nm，v 1.10x1016可見光的波長約在400nm—770nm之間，所以不能用可見光照射汞的表面來產(chǎn)生光電子.

【同步達(dá)綱練習(xí)】1．兩種單色光分別垂直入射矩形玻璃磚的同一側(cè)面，從另一側(cè)面射出，經(jīng)歷時間t>t，則兩種光子的能量的關(guān)系是:abA.E>E B.E二EababC.EC.E<EabD.無法比較E、E的大小abA.CA.C4.當(dāng)加在光電管兩極間的正向電壓足夠高時，光電流達(dá)到飽和值，若想增大飽和光電流，應(yīng)采取的有效方法是:增大照射光的波長 B.增大照射光的頻率C.增大照射光的光強 D.繼續(xù)增高正向電壓一細(xì)束平行光線經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分解為互相分離的三束光，分別照到相同的金屬板a、b、c上，如圖21-4所示，已知金屬板b上有光電子放出，則可知：板a板c每個光子具有5eV能量的光束射向金屬板的表面后，從金屬板表面逸出的光電子的最大初動能為1.5eV，為了使這種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光子的最低能量必須是為了使這種金屬逸出光電子的初動能加倍，則入射光子的能量應(yīng)為 ．5．關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律，下面說法中正確的是：當(dāng)某種色光照射金屬表面時，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則入射光的頻率越高，產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大當(dāng)某種色光照射金屬表面時，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則入射光的強度越大，產(chǎn)生的光電子數(shù)越多同一頻率的光照射不同的金屬，如果都能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則逸出功大的金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動能也越大對某金屬，入射光波長必須小于某一極限波長，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)如圖21-5所示為光電管電路的示意圖，在光電管電路中：Ml' 圖21-5能夠把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栯娐分械碾娏魇怯晒怆娮拥倪\動形成的光照射到光電管的A極產(chǎn)生光電子并飛向K極光照射到光電管的K極產(chǎn)生光電子并飛向A極參考答案【同步達(dá)綱練習(xí)】A（點撥：由t>t，且位移相等，可說明在玻璃里V<V，因而a的頻率大于babab的頻率，由E=hv，得A。CD（點撥：一束平行光經(jīng)三棱鏡折射后將向底邊偏折，光的頻率越高，對于確定的三棱鏡的折射率越大，偏折角越大，由圖中可以確定，經(jīng)三棱鏡分解的三束光中，射向金屬板c的光頻率最高，射向金屬板a的光頻率最低，而對于同樣的金屬板，它們的逸出功相等，當(dāng)b板中有光電子