光電效應學案(優(yōu).選)

22#選修3-51

第十七章波粒二象性

17.2光的粒子性教學目標】1．理解光電效應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的解釋。4．理解愛因斯坦光電效應方程并會用來解決簡單問題。重點：光電效應的規(guī)律難點：理解光子說及其對光電效應的解釋。自主預習】照射到金屬表面的光，能使金屬中的從表面逸出。這個現(xiàn)象稱為光電效應。2．光電效應的規(guī)律存在著電流實驗表明：入射光越強，飽和電流越大。這表明入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)存在著遏止和截止實驗表明：光電子的能量只與入射光的有關；入射光的頻率低于截止頻率時發(fā)生光電效應。光電效應具有料It.Sj說明：①光電效應的實質：光現(xiàn)象電現(xiàn)象。定義中的光包括不可見光和可見光。使鋅板發(fā)射出電子的光是弧光燈發(fā)出的紫外線TOC\o"1-5"\h\z3．逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的，叫做這種金屬的逸出功，用表示，不同金屬的逸出功同。4．光子說：電磁輻射的本身就是，光不僅在發(fā)射和吸收能量是，而且光本身就是一個個的能量子組成的，頻率為V的光的能量子為,h為普朗克常量。這些能量子后來稱為。5.愛因斯坦光電效應方程：，式中Ek為光電子的,Ek=。6?美國物理學家康普頓在研究的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長入0相同的成分外，還有波長入0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。光子除了能量之外還具有動量，光子的動量p=。愛因斯坦的光電效應方程光子說：光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份光叫一個光子，一個光子的能量=hv，h=6.63X10-34J?s,v為光的頻率。(2)愛因斯坦光電效應方程Ek=hv-W0o說明：①式中Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是o_Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。光電效應方程表明，光電子的最大初動能與入射光的頻率v有關，而與光的強弱無關。光電效應方程包含了產(chǎn)生光電效應的條件，即Ek=hv-W0>0,亦即hv>W0,v>W0=v0,

而V二Wo就是金屬的極限頻率。oh光電效應方程實質上是能量守恒方程?！镜湫屠}】【例1】入射光照射到某金屬表面上發(fā)生了光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變則下列說法中正確的是()從光照射到金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加逸出的光電子的最大初動能將減小單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少有可能不發(fā)生光電效應【例2】.光電效應實驗的裝置如圖17—2—3所示，則下面說法中正確的是()用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉用綠色光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉鋅板帶的是負電荷使驗電器指針發(fā)生偏轉的是正電荷【例3】鋁的逸出功是4.2eV,現(xiàn)在將波長200nm的光照射鋁的表面。求光電子的最大初動能；求遏止電壓；求鋁的截止頻率?！纠?】．下列對光電效應的解釋正確的是()金屬內(nèi)的每個電子能吸收一個或一個以上的光子，當它積累的能量足夠大時，就能逸出金屬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所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬發(fā)生光電效應的入射光的最低頻率也不同【例5】假如一個光子與一個靜止的電子碰撞，光子并沒有被吸收，只是被電子反彈回來，則散射光子的頻率與原來光子的頻率相比哪個大？

課后練習】1.如圖7—1所示，鋅板與驗電器相連，用紫外線燈照射鋅板,紫外線燈二□發(fā)現(xiàn)驗電器指針張開一個角度，貝y()紫外線燈二□鋅板帶正電，驗電器帶負電鋅板帶正電，驗電器帶正電D.D.若改用紅外線照射，驗電器指針不會張開2．光電效應中，從同一金屬逸出的電子動能的最大值()只跟入射光的頻率有關只跟入射光的強度有關跟入射光的頻率和強度都有關除跟入射光的頻率和強度有關外，還與光照的時間有關3．某單色光照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應的是()延長光照時間增大光的強度換用波長較短的光照射換用頻率較低的光照射4．用綠光照射一光電管，能產(chǎn)生光電效應，欲使光電子從陰極逸出時的最大初動能增加，則應()改用紅光照射增大綠光的強度增大光電管上的加速電壓改用紫光照射5.某種單色光的頻率為卩，用它照射某種金屬時，在逸出的光電子中動能最大值為Ek，則這種金屬逸出功和極限頻率分別是()加一件，LB.乩一加，vv~EEkv~EEk亠上v十廠Ekk+hv，k6?如圖7—2所示為一真空光電管的應用電路，其陰極金屬材料的極限頻率為4.5X1014Hz,則以下判斷正確的是()發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的頻率發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強度用久=0.5“的光照射光電管時，電路中有光電流產(chǎn)生光照射時間越長，電路中的光電流越大

7.已知鈣的逸出功是3.20eV,對此理解正確的是（）鈣中的電子脫離鈣需做功3.20eV鈣表面的電子脫離鈣需做功3.20eV鈣只需吸收3.20eV的能量就有電子逸出入射光子的能量必須大于3.20eV才能發(fā)生光電效應8．在做光電效應的實驗時,某種金屬被光照射發(fā)生了光電效應能Ek與入射光的頻率v的關系如圖7—3所示，由實驗圖可求出（A.該金屬的極限頻率和極限波長B?普朗克常量該金屬的逸出功單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)現(xiàn)有a、b、c三束單色光，其波長關系為久〉久b＞久。用b光束照射某種金屬時，恰能發(fā)生光電效應。若分別用a光束和c光束照射該金屬，則可以斷定（）A．a(chǎn)光束照射時，不能發(fā)生光電效應B．c光束照射時，不能發(fā)生光電效應C．a(chǎn)光束照射時，釋放出的光電子數(shù)目最多D．c光束照射時，釋放出的光電子的最大初動能最小下表給出了一些金屬材料的逸出功。材料銫鈣鎂鈹鈦逸出功3.04.35.96.26.6(10-19)J現(xiàn)用波長為400nm的單色光照射上述材料，能產(chǎn)生光電效應的材料最多有幾種（普朗克常量h=6.63X10—34J.s，光速c=3.0X108m/s）（）A.2種B.3種C.4種D.5種頻率為v的光照射某種金屬，產(chǎn)生光電子的最大初動能為Ek，若用頻率為2v的光照射同一金屬，則光電子的最大初動能是多少呢？12.某光電管的陰極是用金屬鉀制成的，它的逸出功為2.21eV，用波長為2.5X10-7m的紫外線照射陰極，已知真空中光速為3.0X108m/s，元電荷的帶電量為1.6X10-19C，普朗克常量為6.63X10-34J?s,求得鉀的極限頻率和該光電管發(fā)射的光電子的最大初動能分別是多大？

例題答案：【答案】C【解析】入射光的強度取決于入射光子數(shù)和入射光的頻率，入射光的頻率保持不變，強度減弱，單位時間入射光子數(shù)將減少，但光子的能量不變，可見仍能發(fā)生光電效應，發(fā)生光電效應時，光電子的產(chǎn)生幾乎都是瞬時的，與入射光強度無關，故A、D錯誤。根據(jù)愛因斯坦光電效應方程，逸出光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，跟入射光的強度無關，所以B也是錯誤的。由于逸出電子與入射光子的一對一的關系，當光的強度減弱時，單位時間入射光子數(shù)減少，因此單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)也將減少。解析：用紫外線照射連接靈敏驗電器的鋅板，驗電器的指針就張開一個角度，進一步驗證知道鋅板帶的是正電。這是由于在紫外線照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出去，鋅板缺少電子，于是帶正電。驗電器與鋅板相連，驗電器也帶正電。所以選項A、D正確，而C選項錯誤；因紅外線頻率小于鋅的極限頻率，所以用紅外線照射鋅板不發(fā)生光電效應，故B選項錯。答案：A、D【答案】(1)3.225X10-19〕(2)2.016V(3)1.014X1015Hz【解析】根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek=hv-W0可求得最大初動能。Ek二eUc。鋁的截止頻率由v二W可求。0h(1)根據(jù)光電效應方程有課后練習答案：hcEk二hC－W06.63X10-hcEk二hC－W06.63X10-34X3.0X108200X10-9J-4.2X1.6X10-19J二3.225X10-19j⑵由Ek=eUc可得U斗3.225X10-19

ce1.6X10-19V二2.016V。⑶由hv0二W0知W_4.2X1.6X10-19v二"T0二0h6.63X10-34Hz二1.014X1015Hz。4.解析：每個電子只能吸收一個光子的能量，攵A錯誤；只有當hv>W0時才發(fā)生光電效應，故B正確；光強越大，n越多，而v不變，耳二hv-W0也不變，故C錯誤；截止頻率v二半，k0chW0不同，vc也不同，故D正確。答案：B、D5.【答案】原來光子的頻率大【解析】由于光子與電子在碰撞過程中滿足動量守恒定律，故在電子獲得動量的同時，散射光子的動量將減小，由p二h和v=j知v二譽故原來光子的頻率大。解析：用紫外線照射鋅板，發(fā)生光電效應，鋅板發(fā)射光電子，故鋅板帶正電，鋅板上的正電荷將驗電器上的負電荷吸引過來，驗電器帶正電，A錯誤，B正確；若改用紅外線照射，紅夕卜線的頻率低于鋅的截止頻率，不會發(fā)生光電效應，C錯誤，D正確。答案：B、D解析：由愛因斯坦光電效應方程Ek二1mv2=hv~W0知，從同一金屬逸出的光電子的最大初動能僅與入射光的頻率有關，故僅A選項正確。答案：A解析：光照射金屬時能否產(chǎn)生光電效應，取決于入射光的頻率是否大于金屬的極限頻率，與入射光的強度和照射時間無關，故A、B、D選項均錯誤；又因v二》，所以C選項正確。答案：C解析：由愛因斯坦光電效應方程Ek二肛=hv~W0知，光電子的最大初動能僅與入射光的頻率有關，故僅D選項正確。答案：DWhv－EE解析：由光電效應方程Ek=hv-W得W=hv-Ekl而W=hv0，則v0二萬=十「才，故A正確。答案：A解析：在光電管中若發(fā)生了光電效應，單位時間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強度有關，光電流的飽和值只與單位時間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目有關。據(jù)此可判斷A、D錯誤；波長久=0.5“m的光子的頻率v=c=—Hz二6X1014Hz>4.5X1014Hz,可發(fā)生光電效應。所以，人0.5X10-6選項B、C正確。答案：B、C解析：逸出功指使電子脫離某種金屬所做功的最小值，它等于金屬表面的電子脫離金屬所做的功，故A錯誤，B正確；鈣中的電子至少吸收3.20eV的能量才可能逸出，C錯誤；由光電效應發(fā)生的條件知，D正確。答案：B、D&解析：依據(jù)光電效應方程Ek=hv-W可知，當Ek二0時,v=v0,即圖象中橫坐標的截距在數(shù)值上等于金屬的極限頻率。圖線的斜率k二tanO二-?？梢妶D線的斜率在數(shù)值上等于普朗克常量。據(jù)圖象，假設圖線v-v即圖象中的延長線與Ek軸的交點為C,其截距為W，有tanO二W/v0，而tanO二h，所以W二hv°?？v坐標軸的截距在數(shù)值上等于金屬的逸出功。即圖象中答案：A、B、C9?解析：由于光子能量公式E二hv二町，根據(jù)題意，a、b、c三束單色光對應光子的能量大小分別為Ea<Eb<Ec,若Eb恰能使某金屬發(fā)生光電效應，則a光束一定不能使該金屬發(fā)生光電效應，而c光束一定能使該金屬發(fā)生光電效應，故A對，B錯，C錯；根據(jù)光電效應方程E二hvk-W，可以看出，c光束照射該金屬釋放出的光電子的最大初動能比b光束產(chǎn)生的大，故D錯。答案：A解析：據(jù)光子說可知，波長為久二400nm的單色光子的能量為：E=hv=hC=6.63X10-34^^:^空J二5.0X10-19J。人400X10-9據(jù)光電效應方程Ek二hv-W可知，當入射光子的能量E=hv大于金屬的逸出功W時，光電子最大初動能Ek>0,即能發(fā)生光電效應。由題中表格可知，入射光子的能量大于銫和鈣的逸出功，而小于鎂、鈹、鈦的逸出功。故發(fā)生光電效應的金屬只有銫和鈣兩種。答案：B解析：根據(jù)愛