【同步】高中物理魯科版(2019)選擇性必修3：第6章第1節(jié)光電效應(yīng)及其解釋課件

第6章第1節(jié)光電效應(yīng)及其解釋課標(biāo)要求1.知道光電效應(yīng)現(xiàn)象,了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。(物理觀念)2.理解愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義,會(huì)用光電效應(yīng)方程解決一些簡(jiǎn)單問(wèn)題。(物理觀念)3.能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論說(shuō)明光的波粒二象性。(科學(xué)探究)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識(shí)全過(guò)關(guān)一、光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)(1)定義:在光的照射下電子從物體表面逸出的現(xiàn)象,稱為光電效應(yīng)。這種逸出的電子稱為

。

(2)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①存在極限頻率:當(dāng)入射光的頻率低于某一頻率時(shí),光電流消失,不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng),這一頻率稱為

。極限頻率與

有關(guān)。只有當(dāng)入射光的頻率

極限頻率,才會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng);若入射光的頻率小于極限頻率,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)。

光電子

極限頻率金屬的種類大于或等于②光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性:從光照射到金屬表面至產(chǎn)生光電效應(yīng)間隔的時(shí)間

,通常在

內(nèi)。

③存在著飽和電流:產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí),在光照強(qiáng)度不變的情況下,光電流隨電壓的增大而增大,當(dāng)光電流增大到一定值時(shí),即使電壓再增大,電流也不再增加,達(dá)到一個(gè)飽和值,即為

。在光頻率不變的情況下,入射光越

,單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)也越

,飽和電流越

。

④陰極逸出的光電子具有初動(dòng)能,因此在外加電壓調(diào)到零時(shí)仍有光電流。如果施加反向電壓,在電壓較低時(shí)也還有光電流,只有當(dāng)反向電壓大于某一值時(shí),光電流才為零,這一電壓稱為

。遏止電壓Uc與光電子最大初動(dòng)能滿足的關(guān)系為

。光電子最大初動(dòng)能與___________

有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。入射光的頻率越高,光電子的最大初動(dòng)能越大。

很短10-9s飽和電流強(qiáng)多大遏止電壓入射光的頻率2.光電效應(yīng)的解釋(1)光子說(shuō):看似連續(xù)的實(shí)際上由數(shù)量有限的、分立的光子組成的,每個(gè)光子的能量是

。

(2)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程表達(dá)式:

。

是一個(gè)光子的能量;

為一個(gè)電子從金屬表面逸出而必須做的功,稱為逸出功;

為電子離開金屬表面的最大初動(dòng)能。

(3)光電效應(yīng)的應(yīng)用:光電開關(guān)、光電成像。hνhνW二、光的波粒二象性1.波粒二象性:光既具粒子的特征,又有波的特征,光具有

。

2.光是一種

,光子出現(xiàn)在哪個(gè)位置,受概率支配。單個(gè)光子出現(xiàn)在哪個(gè)位置是隨機(jī)的,因此少量光子形成的光點(diǎn)是無(wú)規(guī)律的。當(dāng)有大量光子時(shí),概率大的位置出現(xiàn)的光子多,形成亮條紋;概率小的位置出現(xiàn)的光子少,形成暗條紋。

3.當(dāng)光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí),光子的能量和動(dòng)量很小,個(gè)別光子難以顯示出可觀測(cè)效應(yīng),人們觀察到的是大量光子的集體行為,因此波動(dòng)性比較明顯,波長(zhǎng)越長(zhǎng),波動(dòng)性越明顯。光在與電子等物質(zhì)相互作用時(shí)更多地表現(xiàn)為

,在傳播過(guò)程中更多地表現(xiàn)為

。

波粒二象性概率波粒子性波動(dòng)性想一想如圖所示,將鋅板和驗(yàn)電器連在一起,然后用紫外線燈照射鋅板,會(huì)發(fā)生一個(gè)奇妙的現(xiàn)象,驗(yàn)電器的金屬箔片張開一個(gè)角度,這一現(xiàn)象說(shuō)明了鋅板在紫外線照射下帶電了。為什么會(huì)這樣呢?驗(yàn)電器上帶何種電荷?提示

鋅板在紫外線的照射下,向外逸出電子,所以鋅板帶電;鋅板剩余正電荷,驗(yàn)電器也帶有正電荷。易錯(cuò)辨析

判一判(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性。(

)(2)光子數(shù)量越大,其粒子性越明顯。(

)(3)光具有粒子性,但光子又不同于宏觀觀念的粒子。(

)(4)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。(

)(5)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)。(

)(6)入射光照射到金屬表面上時(shí),光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。(

)√×提示

光子數(shù)量越大,其波動(dòng)性越明顯。

√×提示

只有頻率大于或等于極限頻率的光照射到金屬上才能發(fā)生光電效應(yīng)。

×提示

金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的頻率有關(guān)。

√即學(xué)即用

練一練一驗(yàn)電器與鋅板相連(如圖所示),用一紫外線燈照射鋅板,關(guān)燈后,驗(yàn)電器指針保持一定偏角。(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(wú)偏轉(zhuǎn)。那么,若改用強(qiáng)度更大的紅外線燈照射鋅板,可觀察到驗(yàn)電器指針

(選填“有”或“無(wú)”)偏轉(zhuǎn)。

減小

無(wú)解析

(1)當(dāng)用紫外線燈照射鋅板時(shí),鋅板發(fā)生光電效應(yīng),鋅板逸出光電子而帶上正電,此時(shí)與鋅板連在一起的驗(yàn)電器也帶上了正電,故指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸后,中和了一部分正電荷,從而使驗(yàn)電器的指針偏角減小。(2)使驗(yàn)電器指針回到零,用鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板,驗(yàn)電器指針無(wú)偏轉(zhuǎn),說(shuō)明鈉燈發(fā)出的黃光的頻率小于鋅的極限頻率,而紅外線比黃光的頻率還要低,更不可能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律情境探究當(dāng)我們走到自動(dòng)門前時(shí),光電池電子眼探測(cè)到有人到來(lái),門就會(huì)自動(dòng)打開,這種傳感器可以對(duì)光響應(yīng)。當(dāng)光的強(qiáng)度變化時(shí),傳感器產(chǎn)生的電流大小將發(fā)生改變,與相應(yīng)的電路耦合,就可以觸發(fā)開關(guān)將門打開。你知道其中的道理嗎?要點(diǎn)提示

這種傳感器代表了光電效應(yīng)的一種應(yīng)用,當(dāng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),光照在金屬上使電子從金屬中逸出,這種現(xiàn)象愛(ài)因斯坦給出了合理的解釋并將其理論化,他闡明了光與粒子流有相似的行為。知識(shí)歸納1.光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì):光現(xiàn)象

電現(xiàn)象。2.光電效應(yīng)中的光包括不可見光和可見光。3.光電子:光電效應(yīng)中發(fā)射出來(lái)的電子,其本質(zhì)還是電子。4.入射光的頻率決定了能否發(fā)生光電效應(yīng)。5.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。應(yīng)用體驗(yàn)典例1

利用光電管研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)如圖所示,用頻率為ν的可見光照射陰極K,電流表中有電流通過(guò),則(

)A.用紫外線照射,電流表不一定有電流通過(guò)B.用紅光照射,電流表一定無(wú)電流通過(guò)C.用頻率為ν的可見光照射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)D.用頻率為ν的可見光照射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D解析

因紫外線的頻率比可見光的頻率高,所以用紫外線照射時(shí),電流表中一定有電流通過(guò),選項(xiàng)A錯(cuò)誤;因不知陰極K的極限頻率,所以用紅光照射時(shí),也可能發(fā)生光電效應(yīng),選項(xiàng)B錯(cuò)誤;即使UAK=0,電流表中也可能有電流通過(guò),選項(xiàng)C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,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,選項(xiàng)D正確。規(guī)律方法

關(guān)于光電效應(yīng)的三個(gè)理解誤區(qū)誤區(qū)1:認(rèn)為光電效應(yīng)中,只要光強(qiáng)足夠大,就能發(fā)生光電效應(yīng)。產(chǎn)生該誤區(qū)的原因是對(duì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件認(rèn)識(shí)不清。實(shí)際上,能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定,與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。誤區(qū)2:認(rèn)為光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度一定成正比。出現(xiàn)該誤區(qū)是由于混淆了光電流和飽和電流。實(shí)際上,光電流未達(dá)到飽和值之前其大小不僅與入射光的強(qiáng)度有關(guān),還與光電管兩極間的電壓有關(guān),只有同種頻率的光的飽和電流的強(qiáng)度才與入射光的強(qiáng)度成正比。誤區(qū)3:認(rèn)為入射光越強(qiáng),產(chǎn)生的光電子數(shù)一定越多。這是對(duì)光強(qiáng)的概念理解不全面造成的。實(shí)際上,入射光強(qiáng)度指的是單位時(shí)間內(nèi)入射到金屬單位面積上的光子的總能量,是由入射的光子數(shù)和入射光子的頻率決定的,可用E=nhν表示,其中n為單位時(shí)間內(nèi)的光子數(shù)。在入射光頻率不變的情況下,光強(qiáng)度與光子數(shù)成正比。換用不同頻率的光,即使光強(qiáng)度相同,光子數(shù)目也不同,因而逸出的光電子數(shù)目也不同。針對(duì)訓(xùn)練1(多選)如圖所示,電路中所有元件完好,但光照射到光電管上,靈敏電流計(jì)中沒(méi)有電流通過(guò)。其原因可能是(

)A.入射光太弱B.入射光波長(zhǎng)太長(zhǎng)C.光照時(shí)間太短D.電源正、負(fù)極接反BD解析

金屬存在極限頻率,頻率不低于極限頻率的光照射金屬時(shí)才會(huì)有光電子逸出,逸出的光電子的最大初動(dòng)能隨頻率的增大而增大,動(dòng)能小時(shí)不能克服反向電壓,也不會(huì)有光電流。入射光的頻率低于極限頻率,不能產(chǎn)生光電效應(yīng),與光照強(qiáng)弱無(wú)關(guān),選項(xiàng)B正確,A錯(cuò)誤;電路中電源正、負(fù)極接反,對(duì)光電管加了反向電壓,若該電壓超過(guò)了遏止電壓,也沒(méi)有光電流產(chǎn)生,選項(xiàng)D正確;光電效應(yīng)的產(chǎn)生與光照時(shí)間無(wú)關(guān),選項(xiàng)C錯(cuò)誤。探究二光電效應(yīng)方程的理解及應(yīng)用情境探究研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的裝置圖如圖甲所示,研究光電效應(yīng)的電路圖如圖乙所示。請(qǐng)結(jié)合裝置圖及產(chǎn)生的現(xiàn)象回答下列問(wèn)題:(1)在圖甲中發(fā)現(xiàn),利用紫光照射鋅板無(wú)論光的強(qiáng)度如何變化,驗(yàn)電器都有張角;而用紅光照射鋅板,無(wú)論光的強(qiáng)度如何變化,驗(yàn)電器始終無(wú)張角。這說(shuō)明了什么?(2)在圖乙中給光電管兩端加正向電壓,用一定強(qiáng)度的光照射時(shí),若增加電壓,電流表示數(shù)不變,而光強(qiáng)增加時(shí),保持所加電壓不變,電流表示數(shù)會(huì)增大,這說(shuō)明了什么?要點(diǎn)提示

(1)金屬能否發(fā)生光電效應(yīng),決定于入射光的頻率,與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。(2)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),飽和電流的強(qiáng)度與光的強(qiáng)度有關(guān)。知識(shí)歸納1.光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程(1)能量為ε=hν的光子被電子所吸收,電子把這些能量的一部分用來(lái)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。(2)如果克服吸引力做功最少為W,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。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)系光的強(qiáng)度大→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→遏止電壓大。3.在理解光電效應(yīng)方程的基礎(chǔ)上,把其數(shù)學(xué)關(guān)系式與數(shù)學(xué)函數(shù)圖像結(jié)合起來(lái),經(jīng)分析、推導(dǎo)得出圖像的斜率以及在圖像橫、縱坐標(biāo)軸上的截距所對(duì)應(yīng)的物理量,從而理解它們的物理意義,有效提高自身應(yīng)用數(shù)學(xué)解決物理問(wèn)題的能力。關(guān)系圖像解釋最大初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系圖像該圖像對(duì)應(yīng)的函數(shù)式為Ek=hν-W,圖像與橫軸的交點(diǎn)為極限頻率,圖像是相互平行的,因?yàn)閳D線的斜率就是普朗克常量關(guān)系圖像解釋光電流與電壓的關(guān)系圖像從圖線①③可看出同種光照射同種金屬板對(duì)應(yīng)的遏止電壓相同,而飽和電流隨入射光強(qiáng)度增大而增大;從圖線①②可知,對(duì)于同種金屬,入射光的頻率越高,遏止電壓越大遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系該圖像的對(duì)應(yīng)函數(shù)式為

,故從圖像可以直接讀出金屬的極限頻率,由斜率可算出普朗克常量,由縱軸截距可推算出金屬的逸出功應(yīng)用體驗(yàn)典例2

圖甲為光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的電路圖,利用不同頻率的光進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),測(cè)得光電管兩極間所加電壓U與光電流I的關(guān)系如圖乙中a、b、c、d四條曲線所示。用νa、νb、νc、νd表示四種光的頻率,下列判斷正確的是(

)A.νb>νc>νd>νaB.νd>νb>νc>νaC.νd>νc>νb>νaD.νa>νc>νb>νdA解析

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)I-U圖像中,橫坐標(biāo)的截距的絕對(duì)值表示遏止電壓,根據(jù)光電效應(yīng)方程,照射光的頻率越大,遏止電壓越大。針對(duì)訓(xùn)練2(多選)如圖所示是某金屬在光的照射下,光電子最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像,由圖像可知(

)A.該金屬的逸出功等于EB.該金屬的逸出功等于hνcC.入射光的頻率為νc時(shí),產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為ED.入射光的頻率為2νc時(shí),產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為2EAB解析

題中圖像反映了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系,根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W,知當(dāng)入射光的頻率恰為該金屬的極限頻率νc時(shí),光電子的最大初動(dòng)能Ek=0,此時(shí)有hνc=W,即該金屬的逸出功等于hνc,選項(xiàng)B正確;根據(jù)圖線的物理意義,有W=E,故選項(xiàng)A正確,C、D錯(cuò)誤。學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)1231.(多選)在做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí),某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng),實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示,由實(shí)驗(yàn)圖線可求出(

)A.該金屬的極限頻率和極限波長(zhǎng)B.普朗克常量C.該金屬的逸出功D.單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)ABC

1231232.如圖所示,N為鎢板,M為金屬網(wǎng),它們分別和電池兩極相連,各電池的極性和電動(dòng)勢(shì)在圖中標(biāo)出。鎢的逸出功為4.5eV?，F(xiàn)分別用能