第1節(jié)光電效應(yīng)及其解釋學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[科學(xué)探索]知道什么是光電效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．2.[科學(xué)思維]知道光子說和愛因斯坦光電效應(yīng)方程，能夠利用它解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．3.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解光電效應(yīng)的應(yīng)用．4.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]了解光的波粒二象性，了解光是一種概率波．一、光電效應(yīng)1．光電效應(yīng)現(xiàn)象：在物理學(xué)中，在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象．2．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)發(fā)生的條件：每一種金屬對(duì)應(yīng)一種光的最小頻率，又稱極限頻率．只有當(dāng)光的頻率大于或等于這個(gè)最小頻率時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)．當(dāng)光的頻率小于這個(gè)最小頻率時(shí)，即使增加光的強(qiáng)度或照射時(shí)間，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)．(2)與光的強(qiáng)度的關(guān)系：產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，光的強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)越多．(3)發(fā)生光電效應(yīng)所需的時(shí)間：從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)的時(shí)間間隔很短，通?？稍?0－9s內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)．二、光電效應(yīng)的解釋1．光子說：看似連續(xù)的光實(shí)際上是由個(gè)數(shù)有限、分立于空間各點(diǎn)的光子組成的，每一個(gè)光子的能量為hν．光在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的．2．光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：hν＝W＋eq\f(1,2)mv2．(2)物理意義：金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量一部分用于從金屬表面逸出時(shí)做功，剩下的表現(xiàn)為電子逸出后的最大初動(dòng)能．三、光電效應(yīng)的應(yīng)用1．光電開關(guān)．2．光電成像．3．光電池．四、光的波粒二象性1．光的本性：光子既有粒子的特征，又有波動(dòng)的特征，即光具有波粒二象性．2．光是一種電磁波．3．當(dāng)光的波長較長時(shí)，光在傳播過程中波動(dòng)性明顯；當(dāng)光的波長較短時(shí)，光子與粒子相互作用時(shí)，粒子性明顯．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中光照時(shí)間越長，光電流越大． (×)(2)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流． (×)(3)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)． (√)(4)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)． (×)(5)光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性． (√)2．(多選)對(duì)光的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是()A．個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性B．光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C．光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí)，就不具有粒子性了，光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動(dòng)性了D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某些場合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯，在某些場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯ABD[光是一種概率波，少量光子的行為易顯示出粒子性，而大量光子的行為往往顯示出波動(dòng)性，A選項(xiàng)正確；光的波動(dòng)性不是由光子之間的相互作用引起的，而是光的一種屬性，這已被弱光照射雙縫后在膠片上的感光實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，B選項(xiàng)正確；粒子性和波動(dòng)性是光同時(shí)具備的兩種屬性，C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確．]3．如圖所示，一驗(yàn)電器與鋅板相連，在A處用一紫外線燈照射鋅板，關(guān)燈后，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(yàn)電器指針偏角將________(選填“增大”“減小”或“不變”)．(2)使驗(yàn)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(yàn)電器指針無偏轉(zhuǎn)，那么，若改用強(qiáng)度更大的紅外線照射鋅板，可觀察到驗(yàn)電器指針________(選填“有”或“無”)偏轉(zhuǎn)．[解析](1)鋅板在紫外線照射下，發(fā)生光電效應(yīng)，有光電子飛出，鋅板帶正電，將一帶負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸，將鋅板上的正電荷中和一部分，鋅板正電荷減少，則驗(yàn)電器指針偏角將變小，注意，驗(yàn)電器與鋅板帶同種電荷．(2)要發(fā)生光電效應(yīng)，照射光的頻率必須高于這種金屬的截止頻率，而與照射光的強(qiáng)度無關(guān)，用黃光照射，驗(yàn)電器指針無偏轉(zhuǎn)，即不能發(fā)生光電效應(yīng)，當(dāng)改用強(qiáng)度更大的紅外線照射時(shí)，因?yàn)榧t外線的頻率比黃光的低，所以用紅外線照射不能發(fā)生光電效應(yīng)，驗(yàn)電器指針無偏轉(zhuǎn)．[答案](1)減小(2)無對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解如圖所示，把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，用紫外線燈照射鋅板，觀察到驗(yàn)電器的指針發(fā)生了變化，這說明鋅板帶了電．你知道鋅板是怎樣帶上電的嗎？觀察光電效應(yīng)提示：鋅板在紫外線燈的照射下發(fā)生了光電效應(yīng)，發(fā)射出光電子，因此鋅板會(huì)顯示正電性，驗(yàn)電器會(huì)因帶正電荷而使金屬箔片張開一定角度．1．認(rèn)識(shí)幾個(gè)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ε＝hν(ν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)光子能量與入射光子數(shù)的乘積．(4)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)．(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)度之間不是簡單的正比關(guān)系．【例1】如圖所示為一光電管電路圖，滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭P位于上某點(diǎn)，用光照射光電管陰極，電表無偏轉(zhuǎn)，要使電表指針偏轉(zhuǎn)，可采取的措施有()A．加大照射光強(qiáng)度 B．換用波長短的光照射C．將P向B滑動(dòng) D．將電源正負(fù)極對(duì)調(diào)B[由光電管電路圖可知陰極K電勢低，陽極A電勢高，如果K極有電子飛出，則電子受到的電場力必向左，即將向左加速，然而現(xiàn)在G中電表指針無偏轉(zhuǎn)，說明沒有發(fā)生光電效應(yīng)，這僅能說明照射光頻率太低，這與光強(qiáng)、外加電壓的大小及方向均無關(guān)，可見要使指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)需增大照射光頻率，即減小照射光的波長，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤．]關(guān)于光電效應(yīng)的兩點(diǎn)提醒(1)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)需滿足：照射光的頻率大于金屬的極限頻率，即ν＞νc，或光子的能量ε＞W(wǎng)0．(2)光電子的最大初動(dòng)能只與照射光的頻率及金屬的逸出功有關(guān)，而與照射光的強(qiáng)弱無關(guān)，強(qiáng)度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)對(duì)光電效應(yīng)的理解正確的是()A．金屬鈉的每個(gè)電子可以吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的動(dòng)能足夠大時(shí)，就能逸出金屬B．在光電效應(yīng)中，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子C．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時(shí)所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng)D．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)能就越大BC[按照愛因斯坦的光子說，光子的能量由光的頻率決定，與光強(qiáng)無關(guān)，入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大；但要使電子離開金屬，電子必須具有足夠的動(dòng)能，而電子增加的動(dòng)能只能來源于照射光的光子能量，且一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，不能同時(shí)吸收多個(gè)光子，所以光子的能量小于某一數(shù)值時(shí)便不能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象；電子從金屬逸出時(shí)只有從金屬表面向外逸出的電子克服原子核的引力所做的功最小．綜上所述，選項(xiàng)B、C正確．]對(duì)光電效應(yīng)方程的理解與應(yīng)用如圖所示，取一塊鋅板，用砂紙將其一面擦一遍，去掉表面的氧化層，連接在驗(yàn)電器上(弧光燈發(fā)射紫外線)．(1)用弧光燈照射鋅板，看到的現(xiàn)象是什么？(2)在弧光燈和鋅板之間插入一塊普通玻璃板，再用弧光燈照射，看到的現(xiàn)象是什么？為什么？(3)撤去弧光燈，換用白熾燈發(fā)出的強(qiáng)光照射鋅板，并且照射較長時(shí)間，看到的現(xiàn)象是什么？為什么？提示：(1)驗(yàn)電器張開．(2)驗(yàn)電器不張開，紫外線不能透過玻璃．(3)驗(yàn)電器不張開，紫外線照射可以產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，白光不可以．1．對(duì)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0的理解(1)式中的Ek是光電子的最大初動(dòng)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0～Ek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E＝hν的光子被電子所吸收，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：Ek＝hν－W．(3)光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動(dòng)能必須大于零，即Ek＝hν－W>0，亦即hν＞W(wǎng)，ν＞eq\f(W,h)＝νc，而νc＝eq\f(W,h)恰好是光電效應(yīng)的極限頻率．(4)Ekm-ν圖線：如圖所示是光電子最大初動(dòng)能Ekm隨入射光頻率ν的變化圖線．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．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)→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→產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能大．【例2】在研究光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，先后用兩種不同色光照射同一光電管，所得的光電流I與光電管兩端所加電壓U間的關(guān)系曲線如圖所示，下列說法正確的是()A．色光乙的頻率小、光強(qiáng)大B．色光乙的頻率大、光強(qiáng)大C．若色光乙的強(qiáng)度減為原來的一半，無論電壓多大，色光乙產(chǎn)生的光電流一定比色光甲產(chǎn)生的光電流小D．若另一光電管所加的正向電壓不變，色光甲能產(chǎn)生光電流，則色光乙一定能產(chǎn)生光電流D[由題中圖像可得用色光乙照射光電管時(shí)遏止電壓大，使其逸出的光電子最大初動(dòng)能大，所以色光乙的頻率大，光子的能量大．由題中圖像可知，色光甲的飽和光電流大于色光乙的飽和光電流，故色光甲的光強(qiáng)大于色光乙的光強(qiáng)，A、B錯(cuò)誤；如果使色光乙的強(qiáng)度減半，則只是色光乙的飽和光電流減半，在特定的電壓下，色光乙產(chǎn)生的光電流不一定比色光甲產(chǎn)生的光電流小，C錯(cuò)誤；因色光乙的頻率大于色光甲的，故另一個(gè)光電管加一定的正向電壓，如果色光甲能使該光電管產(chǎn)生光電流，則色光乙一定能使該光電管產(chǎn)生光電流，D正確．]1極限頻率為νc的光照射金屬對(duì)應(yīng)逸出電子的最大初動(dòng)能為零，逸出功W＝hνc.2某種金屬的逸出功是一定值，隨入射光頻率的增大，光電子的最大初動(dòng)能增大，但光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率不成正比.[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．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ν的關(guān)系如圖所示，其中νc為極限頻率．從圖中可以確定的是()A．逸出功與ν有關(guān)B．Ekm與入射光強(qiáng)度成正比C．當(dāng)ν<νc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)D[金屬的逸出功只和金屬的極限頻率有關(guān)，與入射光的頻率無關(guān)，A錯(cuò)誤；最大初動(dòng)能取決于入射光的頻率，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，B錯(cuò)誤；只有ν>νc時(shí)才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，C錯(cuò)誤；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W和W＝hνc(W為金屬的逸出功)可得，Ek＝hν－h(huán)νc，可見圖像的斜率表示普朗克常量，D正確．]對(duì)光的波粒二象性的理解曾有一位記者向諾貝爾獎(jiǎng)獲得者物理學(xué)家布拉格請教：光是波還是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息．”那么光的本性到底是什么呢？你是如何理解的？提示：光具有波粒二象性.,光既不同于宏觀觀念的粒子，也不同于宏觀觀念的波，但光既具有粒子性又具有波動(dòng)性，粒子性和波動(dòng)性都是光本身的屬性.1．光的粒子性的含義：愛因斯坦光子說中的“粒子”與牛頓微粒說中的“粒子”是完全不同的概念．光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量與光的頻率有關(guān)，光子說并不否定波動(dòng)說．(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)．(2)少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性．(3)頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著．2．光的波動(dòng)性的含義：光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，與惠更斯波動(dòng)說中的“波”是不同理論領(lǐng)域中兩個(gè)不同的概念，它是一種概率波．(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì)．(2)頻率低、波長長的光，波動(dòng)性特征顯著．3．光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的，光具有波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波動(dòng)性，波動(dòng)性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同．(2)只有從波粒二象性的角度，才能統(tǒng)一說明光的各種表現(xiàn)，光的波動(dòng)性和粒子性是統(tǒng)一的．4．光是概率波(1)單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性我們可以知道光子落在某點(diǎn)的概率，但不能預(yù)言光子落在什么位置，即光子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不確定的．(2)大量光子運(yùn)動(dòng)的必然性由波動(dòng)規(guī)律，我們可以準(zhǔn)確地知道，大量光子運(yùn)動(dòng)時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此我們可以對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言．(3)概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一概率波的主體是光子，體現(xiàn)了粒子性的一面；同時(shí)光子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，體現(xiàn)了波動(dòng)性的一面，所以說，概率波將波動(dòng)性和光子性統(tǒng)一在一起．【例3】(多選)用極微弱的可見光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，隨著時(shí)間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖甲、乙、丙所示的圖像，則()甲乙丙A．圖像甲表明光具有粒子性B．圖像丙表明光具有波動(dòng)性C．用紫外光觀察不到類似的圖像D．實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波ABD[甲圖可以看到的是光點(diǎn)，說明光具有粒子性，隨著時(shí)間的增加，這些光點(diǎn)的排列體現(xiàn)了波的干涉的規(guī)律，說明光具有波動(dòng)性，同時(shí)，這種規(guī)律是大量光點(diǎn)出現(xiàn)后才表現(xiàn)出來的，所以光是一種概率波．]關(guān)于對(duì)光的波粒二象性的兩點(diǎn)提醒(1)光的干涉和衍射及偏振說明光具有波動(dòng)性，而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是光具有粒子性的例證．(2)波動(dòng)性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同．當(dāng)光與其他物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)；少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性；頻率高波長短的光，粒子性顯著．大量光子在傳播時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性；頻率低波長長的光，波動(dòng)性顯著．[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．(多選)對(duì)于光的波粒二象性的理解正確的是()A．大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B．光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)就轉(zhuǎn)變成粒子C．高頻光是粒子，低頻光是波D．波粒二象性是光的根本屬性，有時(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著AD[光具有波粒二象性，大量光子顯示波動(dòng)性、個(gè)別光子顯示出粒子性，光傳播時(shí)顯示波動(dòng)性，與物質(zhì)相互作用時(shí)顯示粒子性，頻率高顯示粒子性，頻率低顯示波動(dòng)性，而不是粒子和波轉(zhuǎn)換．故B、C錯(cuò)誤，A、D正確．]1．(多選)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示，則下列說法正確的是()A．用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)B．用紅色光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)C．鋅板帶的是負(fù)電荷D．使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷AD[鋅板連接驗(yàn)電器，在紫外光的照射下，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，則驗(yàn)電器也帶正電并且指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故A、D正確，C錯(cuò)誤；紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，B錯(cuò)誤．]2．光照在某金屬表面上發(fā)生了光電效應(yīng)．若只減弱光的強(qiáng)度，而保持頻率不變，則()A．有可能不發(fā)生光電效應(yīng)B．該金屬可能帶負(fù)電C．單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少D．從光照射到金屬表面到有光電子逸出的時(shí)間明顯增加C[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，頻率保持不變，可知仍然可以發(fā)生光電效應(yīng)，A錯(cuò)誤；該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，向外發(fā)射光電子，故一定帶正電，B錯(cuò)誤；入射光的強(qiáng)度減弱，則單位時(shí)間內(nèi)入射光的光子數(shù)減少，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)將減少，C正確；發(fā)生光電效應(yīng)的時(shí)間與光的強(qiáng)度無關(guān)，D錯(cuò)誤．]3．(多選)下面關(guān)于光的波粒二象性的說法正確的是()A．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有波粒二象性B．頻