高中物理粵教版5第二章波粒二象性 第2章第1節(jié)光電效應(yīng)第2節(jié)光子

第一節(jié)光電效應(yīng)第二節(jié)光子學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.知道什么是光電效應(yīng)現(xiàn)象．2．知道光電流、極限頻率、遏止電壓的概念，掌握光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．(重點(diǎn))3．理解經(jīng)典電磁理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)的困難．(難點(diǎn))4．知道普朗克提出的能量量子假說(shuō)．5．理解愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)．(重點(diǎn))6．會(huì)用光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)．(重點(diǎn))光電效應(yīng)、光電流及其變化eq\o([先填空])1．光電效應(yīng)：金屬在光的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子稱(chēng)為光電子．2．光電管：光電管是由密封在玻璃殼內(nèi)的陰極和陽(yáng)極組成．陰極表面涂有堿金屬，容易在光的照射下發(fā)射電子．3．光電流：陰極發(fā)出的光電子被陽(yáng)極收集，在回路中會(huì)形成電流，稱(chēng)為光電流．4．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光的強(qiáng)度增大，則光電流隨之增大．eq\o([再判斷])1．光電子是光照射下發(fā)射出來(lái)的電子，因此光電子仍然是電子．(√)2．入射光的頻率較高時(shí)，會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，光電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大．(√)3．入射光的頻率較低時(shí)，無(wú)論光照強(qiáng)度多大，都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)．(√)eq\o([后思考])你對(duì)光電效應(yīng)中的“光”是怎樣認(rèn)識(shí)的？【提示】這里的光，可以是可見(jiàn)光，也可以是紫外線(xiàn)、X光等．1．在發(fā)生光電效應(yīng)的條件下，光電流的大小或單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目由光的強(qiáng)度決定．2．存在著飽和電流．入射光強(qiáng)度一定，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子數(shù)一定．入射光越強(qiáng)，飽和電流越大．表明入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多．1．如圖2-1-1所示，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，則下列說(shuō)法中正確的是()圖2-1-1A．用紫外線(xiàn)照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)B．用紅光照射鋅板，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．鋅板帶的是正電荷E．使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷【解析】將擦得很亮的鋅板與驗(yàn)電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線(xiàn))，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，說(shuō)明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究表明鋅板帶正電．這說(shuō)明在紫外線(xiàn)的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出，鋅板帶正電，選項(xiàng)A、D、E正確．紅光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)．【答案】ADE2．當(dāng)某種單色光照射到金屬表面時(shí)，金屬表面有光電子逸出，如果光的強(qiáng)度減弱，頻率不變，則單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)________．【答案】減少1．光電效應(yīng)中的光包括不可見(jiàn)光(如：紫外線(xiàn)等)．2．光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象→電現(xiàn)象．極限頻率和遏止電壓eq\o([先填空])1．極限頻率對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率ν0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電流，ν0稱(chēng)為極限頻率(也叫截止頻率)．2．遏止電壓在強(qiáng)度和頻率一定的光照射下，當(dāng)反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，光電流將會(huì)減小到零，我們把這時(shí)的電壓稱(chēng)為遏止電壓．用符號(hào)U0表示．3．遏止電壓與光電子最大初動(dòng)能的關(guān)系eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＝eU0.4．經(jīng)典電磁理論解釋的局限性按照光的電磁理論，只要光足夠強(qiáng)，任何頻率的光都應(yīng)該能夠產(chǎn)生光電子，出射電子的動(dòng)能也應(yīng)該由入射光的能量即光強(qiáng)決定．但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，每種金屬都對(duì)應(yīng)有一個(gè)不同的極限頻率，而且遏止電壓與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)．eq\o([再判斷])1．發(fā)生光電效應(yīng)一定要用可見(jiàn)光．(×)2．遏止電壓與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，與入射光的頻率有關(guān)．(√)3．光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)．(√)eq\o([后思考])在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中如果入射光的頻率一定而強(qiáng)度增加，將會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？如果入射光的頻率增加，又將會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？【提示】當(dāng)入射光頻率高于金屬的極限頻率時(shí)，光強(qiáng)增加，發(fā)射的光電子數(shù)增多；當(dāng)入射光頻率低于金屬的極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)怎么增加，都不會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)．入射光的頻率增加，發(fā)射的光電子最大初動(dòng)能增大．1．遏止電壓隨光的頻率的增大而增大，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，說(shuō)明光電子的最大初動(dòng)能隨光的頻率的增大而增大，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)．2．隨反向電壓的增大，光電流逐漸減小，說(shuō)明金屬中逸出的光電子的初動(dòng)能是不同的，而遏止電壓對(duì)應(yīng)光電子的最大初動(dòng)能．3．電磁理論認(rèn)為：光的能量是由光的強(qiáng)度決定，而光的強(qiáng)度又是由光波的振幅所決定的，跟頻率無(wú)關(guān)．4．電磁理論解釋光電效應(yīng)的三個(gè)困難電磁理論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果困難1按照光的波動(dòng)理論，不論入射光的頻率是多少，只要光強(qiáng)足夠大，總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng)如果光的頻率小于金屬的極限頻率，無(wú)論光強(qiáng)多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)困難2光強(qiáng)越大，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動(dòng)能也應(yīng)該越大，遏止電壓也越大．即出射電子的動(dòng)能應(yīng)該由入射光的能量即光強(qiáng)來(lái)決定遏止電壓與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，與頻率有關(guān)困難3光強(qiáng)大時(shí)，電子能量積累的時(shí)間就短，光強(qiáng)小時(shí)，能量積累的時(shí)間就長(zhǎng)當(dāng)入射光照射到光電管的陰極時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)怎樣微弱，幾乎瞬時(shí)就產(chǎn)生了光電子3．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，下列表述正確的是()A．光照時(shí)間越長(zhǎng)光電流越大B．入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流C．遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)D．入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子E．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，如果光的頻率不變，而減弱光的強(qiáng)度則逸出的光電子數(shù)減小，光電子的最大初動(dòng)能不變【解析】在光電效應(yīng)中，若照射光的頻率小于極限頻率，無(wú)論光照時(shí)間多長(zhǎng)，光照強(qiáng)度多大，都無(wú)光電流，當(dāng)照射光的頻率大于極限頻率時(shí)，立刻有光電子產(chǎn)生，時(shí)間間隔很小．故A、B錯(cuò)誤，D正確．遏止電壓與入射光頻率ν有關(guān)，即C正確．入射光的強(qiáng)度影響單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目，光的強(qiáng)度減弱，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子數(shù)目減少，故E正確．【答案】CDE4．利用光電管研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)如圖2-1-2所示，用頻率為ν的可見(jiàn)光照射陰極K，電流表中有電流通過(guò)，則()圖2-1-2A．用紫外線(xiàn)照射，電流表一定有電流通過(guò)B．用紅光照射，電流表一定無(wú)電流通過(guò)C．用紅外線(xiàn)照射，電流表可能有電流通過(guò)D．用頻率為ν的可見(jiàn)光照射K，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭移到A端時(shí)，電流表中一定無(wú)電流通過(guò)E．用頻率為ν的可見(jiàn)光照射K，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭向B端滑動(dòng)時(shí)，電流表示數(shù)可能不變【解析】因紫外線(xiàn)的頻率比可見(jiàn)光的頻率高，所以用紫外線(xiàn)照射時(shí)，電流表中一定有電流通過(guò)，選項(xiàng)A正確．因不知陰極K的截止頻率，所以用紅光照射時(shí)，也可能發(fā)生光電效應(yīng)，所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤，C正確．即使UAK＝0，電流表中也可能有電流通過(guò)，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤．當(dāng)滑動(dòng)觸頭向B端滑動(dòng)時(shí)，UAK增大，陽(yáng)極A吸收光電子的能力增強(qiáng)，光電流會(huì)增大，當(dāng)所有光電子都到達(dá)陽(yáng)極A時(shí)，電流達(dá)到最大，即飽和電流．若在滑動(dòng)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(huì)增大，所以選項(xiàng)E正確．【答案】ACE關(guān)于光電效應(yīng)的三點(diǎn)提醒1．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)需滿(mǎn)足：照射光的頻率大于金屬的極限頻率，即ν＞ν0.2．光電子的最大初動(dòng)能與照射光的頻率及金屬有關(guān)，而與照射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，強(qiáng)度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少．3．在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無(wú)關(guān)．能量量子假說(shuō)與光子假說(shuō)eq\o([先填空])1．能量量子假說(shuō)：物體熱輻射所發(fā)出的電磁波的能量是不連續(xù)的，只能是hν的整數(shù)倍，hν稱(chēng)為一個(gè)能量量子，其中ν是輻射頻率，h稱(chēng)為普朗克常量．2．普朗克常量：h＝×10－34J·s.3．光子假說(shuō)：光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子．一個(gè)光子的能量為ε＝hν.4．黑體：(1)能夠全部吸收所有頻率的電磁輻射的理想物體．絕對(duì)的黑體實(shí)際上是不存在的．(2)普朗克利用能量量子化的思想和熱力學(xué)理論，才完美地解釋了黑體輻射譜．eq\o([再判斷])1．1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克首次提出了能量量子假說(shuō)．(√)2．1905年，在普朗克能量量子假說(shuō)的啟發(fā)下，愛(ài)因斯坦提出了光子假說(shuō)．(√)3．光子說(shuō)中的光子就是光電子．(×)4．能吸收各種電磁波而不反射電磁波的物體叫黑體．(√)eq\o([后思考])1．如何解釋測(cè)量一杯水溫的溫度計(jì)的溫度示數(shù)連續(xù)變化而不是一份一份的？【提示】每一份能量量子很小(微觀量)，溫度計(jì)示數(shù)變化1℃對(duì)應(yīng)變化的能量很大(宏觀量)，由于溫度計(jì)的精度不夠，所以觀察到的溫度計(jì)溫度不是一份一份地變化的．2．黑體是指黑顏色的物體嗎？【提示】黑體不是指黑顏色的物體，是指能完全吸收電磁波的物體．光電效應(yīng)方程及其解釋eq\o([先填空])1．逸出功：電子能脫離離子的束縛而逸出金屬表面時(shí)所需做的最小功．用W0表示．2．光電效應(yīng)方程：hν＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＋W0.式中hν表示入射光子的能量，ν為入射光的頻率．3．光電效應(yīng)的條件：光子的能量ε＝hν必須大于或至少等于逸出功W0.即ν≥eq\f(W0,h).4．遏止電壓對(duì)應(yīng)著光電子的最大初動(dòng)能，它們的關(guān)系為eU0＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max).eq\o([再判斷])1．同一頻率的光照射不同的金屬表面，光電子的最大初動(dòng)能可能相同．(×)2．對(duì)于某種金屬，也就是逸出功W0一定的情況下，出射光電子的最大初動(dòng)能只與入射光頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)．(√)3．物體內(nèi)部的一個(gè)電子一般只吸收一個(gè)光子的能量．(√)eq\o([后思考])按照光的經(jīng)典電磁理論，如果入射光很弱，電子需要一段時(shí)間才能獲得逸出金屬表面所需的能量．而實(shí)驗(yàn)表明：無(wú)論入射光怎樣微弱，光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的，這又如何解釋?zhuān)俊咎崾尽抗庾拥哪芰渴且环莘莸模?dāng)光照射到金屬表面時(shí)，表面的金屬電子一次性吸收了一個(gè)光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，所以光電子幾乎是瞬間產(chǎn)生的．1．光電效應(yīng)方程的理解(1)光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0中，Ek為光電子的最大初動(dòng)能，就某個(gè)光電子而言，其離開(kāi)金屬時(shí)的動(dòng)能大小可以是零到最大值范圍內(nèi)的任何數(shù)值．(2)光電效應(yīng)方程表明，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率ν呈線(xiàn)性關(guān)系(注意不是正比關(guān)系)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)．(3)光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>eq\f(W0,h)＝νc，而νc＝eq\f(W0,h)就是金屬的極限頻率．(4)光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程．(5)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需要克服原子核的束縛而消耗的能量的最小值，叫做金屬的逸出功．光電效應(yīng)中，從金屬表面逸出的電子消耗能量最少．2．光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋(1)由于光的能量是一份一份的，那么金屬中的電子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且這個(gè)傳遞能量的過(guò)程只能是一個(gè)光子對(duì)一個(gè)電子的行為．如果光的頻率低于極限頻率，則光子提供給電子的能量不足以克服原子的束縛，就不能發(fā)生光電效應(yīng)．(2)當(dāng)光的頻率高于極限頻率時(shí)，能量傳遞給電子以后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動(dòng)能形式存在，這樣光電子的最大初動(dòng)能Ek＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＝hν－W0，其中W0為金屬的逸出功，可見(jiàn)光的頻率越高，電子的最大初動(dòng)能越大．而遏止電壓U0對(duì)應(yīng)著光電子的最大初動(dòng)能，即eU0＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max).所以當(dāng)W0一定時(shí)：U0只與入射光的頻率ν有關(guān)，與光照強(qiáng)弱無(wú)關(guān)．(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，所以光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的．(4)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)與光強(qiáng)度成正比，光強(qiáng)度越大意味著單位時(shí)間內(nèi)打在金屬上的光子數(shù)越多，那么逸出的光電子數(shù)目也就越多，光電流也就越大．5．已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的截止頻率為ν0，則()A．當(dāng)用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時(shí)，一定能產(chǎn)生光電子B．當(dāng)用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時(shí)，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為hν0C．當(dāng)照射光的頻率ν大于ν0時(shí)，若ν增大，則逸出功增大D．金屬的逸出功與照射光的頻率無(wú)關(guān)E．當(dāng)照射光的頻率ν大于ν0時(shí)，若ν增大一倍，則光電子的最大初動(dòng)能也增大一倍【解析】根據(jù)截止頻率跟逸出功的關(guān)系：W0＝hν0，光電效應(yīng)方程eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W0，判斷A、B、D正確．【答案】ABD6．紫光在真空中的波長(zhǎng)為×10－7m，問(wèn)：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射極限頻率為ν0＝×1014Hz的金屬鉀時(shí)能否產(chǎn)生光電效應(yīng)？(3)若能產(chǎn)生，則光電子的最大初動(dòng)能為多少？(h＝×1