高中物理 第二章 波粒二象性 第一节 光电效应同步备课教学案 粤教版选修35.docx

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高中物理第二章波粒二象性第一节光电效应同步备课教学案粤教版选修35

第一节　光电效应

[学习目标]　1.了解光电效应，掌握光电效应的实验规律.2.知道光电流与光的强度和光的频率之间的关系.3.理解极限频率和遏止电压的概念．

一、光电效应与光电流

[导学探究]

1．如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上（弧光灯发射紫外线）．

图1

用弧光灯照射锌板，看到的现象为_____________________________________________，

说明________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

答案　验电器指针偏角张开　锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电

2．光电流的产生是光照射的结果．如图2所示是用来探究光电流的大小与入射光强度和频率关系的实验装置图．光源强度可以通过改变光罩上出射孔的数目或大小来改变，光的频率可以用不同的滤色片来改变．

图2

（1）在频率不变（保持蓝光不变）的情况下，改变入射光的强度，光电流的大小如何变化？

（2）将光的强度保持不变，更换滤色片以改变入射光的频率（蓝光、绿光、红光为例），光电流有什么变化？

这说明什么问题？

答案

（1）随着光强的增加，光电流逐渐变大．

（2）蓝光和绿光都有光电流产生，而红光照射时没有，即使增强红光的强度依然没有光电流．

这说明对于某种金属只有光的频率足够大，才能发生光电效应．如小于某个频率值，光再强也不能发生光电效应．

[知识梳理]

1．光电效应

（1）光电效应

金属在光的照射下发射电子的现象．

（2）光电子：

光电效应中发射出来的电子．

（3）光电流：

光电子定向运动形成的电流．

2．光电流的变化

在正向电压一定的情况下，光电流的变化与入射光的强度有关，与入射光的频率无关，光源强度可以使光电管阴极单位时间内发射的光电子数目变化．

3．极限频率

对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率ν0时，才会产生光电流．我们将ν0称为极限频率．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）用一束紫外线照射锌板时，发生了光电效应，有正离子从锌板上飞出来．（　×　）

（2）只要光足够强，任何频率的光都可以使金属发生光电效应．（　×　）

（3）能否发生光电效应，取决于入射光的频率，与光的强度无关．（　√　）

二、遏止电压

[导学探究]　

（1）如图3所示是测量遏止电压的示意图，利用它可测量光电子的最大初动能．

图3

①光电管两极加的是什么电压？

有何作用？

②当反向电压增大时，光电流怎么变？

③怎样求得光电子的最大初动能？

（2）在图3中，利用蓝光照射，加反向电压，逐渐增大电压，直至光电流为零，记录遏止电压的值．改变入射光强度，记录的遏止电压的值有什么特点？

（3）维持光源强度不变，改变入射光的频率．先采用蓝光作为入射光，记录遏止电压值；再换绿光作为入射光，记录遏止电压值．有什么现象？

（4）综合上面的分析，关于光电子的最大初动能与入射光频率，能得出什么结论？

答案　

（1）①反向电压　使光电子减速　②减小

③当图中光电流为零，所加的反向电压为U0时，有eU0＝

mvmax2成立．eU0就是光电子的最大初动能．

（2）不变．

（3）绿光时较小．

（4）遏止电压只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．而遏止电压对应光电子的最大初动能，也就是说其最大初动能也只与入射光的频率有关．

[知识梳理]　遏止电压

1．定义：

在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，并且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，这时的电压称为遏止电压，用符号U0表示，光电子到达阳极要克服反向电场力做的功W＝eU0.光电子最大初动能

mvmax2＝eU0.

2．光电子的最大初动能只与入射光的频率有关．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）遏止电压是反向电压，其作用是阻碍电子的运动．（　√　）

（2）光电管加反向电压时，电压越小，光电流也越小．（　×　）

（3）遏止电压与入射光的强度有关，与入射光的频率无关．（　×　）

一、光电效应现象

1．光电效应的实质：

光现象

电现象．

2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．

3．光电子：

光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子．

例1

　一验电器与锌板相连（如图4所示），用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角．

图4

（1）现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将________（填“增大”、“减小”或“不变”）．

（2）使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针________（填“有”或“无”）偏转．

答案　

（1）减小　

（2）无

解析　

（1）当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转．当带负电的小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小．

（2）使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外线比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应．能否发生光电效应与入射光的强弱无关．

针对训练1　（多选）如图5所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是（　　）

图5

A．用紫外光照射锌板，验电器指针会发生偏转

B．用绿色光照射锌板，验电器指针会发生偏转

C．锌板带的是负电荷

D．使验电器指针发生偏转的是正电荷

答案　AD

二、光电效应的实验规律

1．每种金属都有一定的极限频率，当入射光的频率低于极限频率时，不管入射光的强度多大、照射时间多长都不会产生光电子，一旦入射光的频率超过极限频率，则不管光有多么弱都会产生光电效应，发出光电子．

2．在发生光电效应的条件下，光电流的大小或单位时间内逸出的光电子数目由光的强度决定．

3．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关．

遏止电压随入射光频率的增大而增大，与光强无关．

4．随着反向电压的增大，光电流逐渐减小，说明金属中逸出的光电子的初动能是不同的，而光电子的最大初动能与遏止电压是对应的．

5．光电效应几乎是瞬时的，发生时间一般不超过10－9s.

例2

　利用光电管研究光电效应实验如图6所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　）

图6

A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过

B．用红光照射，电流表一定无电流通过

C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过

D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变

答案　D

解析　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A错误；因不知阴极K的极限频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，所以选项B错误；即使UAK＝0，电流表中也有电流，所以选项C错误；当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，电流达到最大，即饱和电流．若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，所以选项D正确．

针对训练2　入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（　　）

A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B．逸出的光电子的最大初动能将减小

C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少

D．有可能不发生光电效应

答案　C

解析　发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误；入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少，频率不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误；光电流随入射光强度的减小而减小，逸出的光电子数目也随入射光强度的减小而减少，故选项C正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误．

三、经典电磁理论解释的局限性

在光的照射下，物体内部的电子受到电磁波的作用做受迫振动.

经典电磁理论的结论

实验事实

成功解释的现象

光越强，电磁波的振幅越大，对电子的作用越强，电子振动越厉害，电子越容易从物体内部逃逸出来

光越强，光电流就越大

矛盾之一

无论入射光频率多大，只要光足够强，电子就能获得足够的能量逸出金属表面

每一种金属都对应有一个不同的极限频率，当入射光频率低于极限频率时，无论光的强度多大，照射时间多长都不会发生光电效应

矛盾之二

出射电子的动能应该由入射光的能量即光强决定

光电子的最大初动能与入射光的强度无关，与入射光的频率有关

矛盾之三

光的强度足够大，电子就能获得足够的能量，电子就能逸出金属表面，电子能量增加应该有一个积累过程，电子才能逸出金属表面

若能发生光电效应，即使光很弱，也是瞬间发生的

例3

　在光电效应的规律中，经典电磁理论能解释的有（　　）

A．入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才能产生光电效应

B．光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大

C．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9s

D．当入射光频率大于极限频率时，光电子数目随入射光强度的增大而增多

答案　D

1．当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时（　　）

A．锌板带负电

B．有正离子从锌板逸出

C．有电子从锌板逸出

D．锌板会吸附空气中的正离子

答案　C

解析　当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，有电子从锌板逸出，锌板带正电，选项C正确，A、B、D错误．

2．在做光电效应演示实验时，把某金属板连在验电器上，第一次用弧光灯直接照射金属板，验电器的指针张开一个角度，第二次在弧光灯和金属板之间插入一块普通玻璃，再用弧光灯照射，验电器的指针不张开．由此可判定，使金属板产生光电效应的是弧光灯中的（　　）

A．可见光成分B．红外线成分

C．无线电波成分D．紫外线成分

答案　D

解析　因为玻璃不能挡住可见光，且红外线与无线电波频率都比可见光小，故D对．

3．用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应．现将该单色光的光强减弱，则下列说法中正确的是（　　）

①光电子的最大初动能不变

②光电子的最大初动能减小

③单位时间内产生的光电子数减少

④可能不发生光电效应

A．①③B．②③C．①②D．③④

答案　A

4．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是（　　）

A．延长光照时间B．增大光的强度

C．换用波长较短的光照射D．换用频率较低的光照射

答案　C

解析　光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的极限频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D均错误；又因ν＝

，所以选项C正确．

一、选择题（1～5题为单选题，6～9题为多选题）

1.在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连，用弧光灯（紫外线）照射锌板时，静电计的指针就张开一个角度，如图1所示，这时（　　）

图1

A．锌板带正电，指针带负电

B．锌板带负电，指针带正电

C．若用黄光照射锌板，则可能不发生光电效应现象

D．若用红光照射锌板，则锌板一定能发射光电子

答案　C

2．当用一束紫外线照射与原不带电的验电器金属球相连的锌板时，发生了光电效应，这时发生的现象是（　　）

A．验电器内的金属箔带负电

B．有电子从锌板上飞出来

C．有正离子从锌板上飞出来

D．锌板吸收空气中的正离子

答案　B

3．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是（　　）

A．改用频率更小的紫外线照射

B．改用X射线照射

C．改用强度更大的原紫外线照射

D．延长原紫外线的照射时间

答案　B

解析　金属发生光电效应必须使光的频率大于极限频率，X射线的频率大于紫外线的频率．

4．用紫光照射某金属恰可发生光电效应，现改用较弱的太阳光照射该金属，则（　　）

A．可能不发生光电效应

B．逸出光电子的时间明显变长

C．逸出光电子的最大初动能变小

D．单位时间逸出光电子的数目变少

答案　D

解析　由于太阳光含有紫光，所以照射金属时发生光电效应且逸出光电子的最大初动能不变，又因为光强变弱，所以单位时间逸出光电子的数目变少，A、C错误，D正确；产生光电效应的时间几乎是瞬时的，B错误．

5.如图2所示为光电管的使用原理图，已知有波长为λ0的光照射到阴极K上时，电路中有光电流，则（　　）

图2

A．若有波长为λ（λ＜λ0）的光照到阴极K上，电路中一定没有光电流

B．用波长为λ0的光照射阴极K，保持光电管两极间电压不变，增大该单色光的强度，则光电流增大

C．增加电路中电源电压，电路中的光电流一定增大

D．减弱波长为λ0的光的照射强度，则电路中的光电流减小，最终会为零

答案　B

6．一束绿光照射某金属发生了光电效应，则下列说法正确的是（　　）

A．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加

B．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子的最大初动能增加

C．若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应

D．若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加

答案　AD

解析　光电效应的规律表明：

入射光的频率决定是否发生光电效应以及发生光电效应时逸出的光电子的最大初动能的大小．当入射光的频率增加后，逸出的光电子的最大初动能也增加，又紫光的频率高于绿光的频率．而增加光的照射强度，会使单位时间内逸出的光电子数增加．故正确选项有A、D.

7．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是（　　）

A．只有入射光的频率小于该金属的极限频率，光电效应才能发生

B．光电子的最大初动能可以通过遏止电压来确定

C．发生光电效应的时间一般都大于10－7s

D．发生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光的强度成正比

答案　BD

8．如图3所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过．其原因可能是（　　）

图3

A．入射光太弱B．入射光波长太长

C．光照时间太短D．电源正负极接反

答案　BD

9.如图4所示，在研究光电效应的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应，则（　　）

图4

A．A光的频率大于B光的频率

B．B光的频率大于A光的频率

C．用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是由a流向b

D．用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是由b流向a

答案　AC

解析　根据产生光电效应的条件可知选项A正确，B错误；电流的方向与正电荷的定向移动方向相同，与负电荷定向移动的方向相反，故选项C正确，D错误．

二、非选择题

10.利用光电管产生光电流的电路如图5所示．电源的正极应该在____（填“a”或“b”）端；若电流表读数为8μA，则每秒从光电管阴极发射的光电子至少是______个（已知电子电荷量为1.6×10－19C）．

图5

答案　a　5×1013

解析　由题意知，电路图为利用光电管产生光电流的实验电路图．光电管的阴极为K，光电子从K极发射出来要经高电压加速，所以a端应该接电源正极，b端接电源负极．假定从阴极发射出来的光电子全部到达阳极A，则每秒从光电管阴极发射出来的光电子数目为n＝

＝

＝

个＝5×1013个．