光電效應(yīng)學(xué)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(xué)目標(biāo)】1．理解光電效應(yīng)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(yīng)的瞬時(shí)性及其與光的電磁理論的矛盾。3．理解光子說(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋。4．理解愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程并會(huì)用來(lái)解決簡(jiǎn)單問(wèn)題。重點(diǎn)：光電效應(yīng)的規(guī)律難點(diǎn)：理解光子說(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋。自主預(yù)習(xí)】照射到金屬表面的光，能使金屬中的從表面逸出。這個(gè)現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。2．光電效應(yīng)的規(guī)律存在著電流實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大。這表明入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)存在著遏止和截止實(shí)驗(yàn)表明：光電子的能量只與入射光的有關(guān)；入射光的頻率低于截止頻率時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)具有料It.Sj說(shuō)明：①光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)：光現(xiàn)象電現(xiàn)象。定義中的光包括不可見(jiàn)光和可見(jiàn)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(shuō)：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(gè)個(gè)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(lái)稱為。5.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：，式中Ek為光電子的,Ek=。6?美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)入0相同的成分外，還有波長(zhǎng)入0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。光子除了能量之外還具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p=。愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程光子說(shuō)：光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份光叫一個(gè)光子，一個(gè)光子的能量=hv，h=6.63X10-34J?s,v為光的頻率。(2)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hv-W0o說(shuō)明：①式中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)的動(dòng)能大小可以是o_Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。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v有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)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(yīng)方程實(shí)質(zhì)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(yīng)，若入射光的強(qiáng)度減弱，而頻率保持不變則下列說(shuō)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(shí)間間隔將明顯增加逸出的光電子的最大初動(dòng)能將減小單位時(shí)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(yīng)【例2】.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖17—2—3所示，則下面說(shuō)法中正確的是()用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)用綠色光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)鋅板帶的是負(fù)電荷使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷【例3】鋁的逸出功是4.2eV,現(xiàn)在將波長(zhǎng)200nm的光照射鋁的表面。求光電子的最大初動(dòng)能；求遏止電壓；求鋁的截止頻率?！纠?】．下列對(duì)光電效應(yīng)的解釋正確的是()金屬內(nèi)的每個(gè)電子能吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的能量足夠大時(shí)，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(shí)所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng)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(yīng)的入射光的最低頻率也不同【例5】假如一個(gè)光子與一個(gè)靜止的電子碰撞，光子并沒(méi)有被吸收，只是被電子反彈回來(lái)，則散射光子的頻率與原來(lái)光子的頻率相比哪個(gè)大？

課后練習(xí)】1.如圖7—1所示，鋅板與驗(yàn)電器相連，用紫外線燈照射鋅板,紫外線燈二□發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度，貝y()紫外線燈二□鋅板帶正電，驗(yàn)電器帶負(fù)電鋅板帶正電，驗(yàn)電器帶正電D.D.若改用紅外線照射，驗(yàn)電器指針不會(huì)張開2．光電效應(yīng)中，從同一金屬逸出的電子動(dòng)能的最大值()只跟入射光的頻率有關(guān)只跟入射光的強(qiáng)度有關(guān)跟入射光的頻率和強(qiáng)度都有關(guān)除跟入射光的頻率和強(qiáng)度有關(guān)外，還與光照的時(shí)間有關(guān)3．某單色光照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是()延長(zhǎng)光照時(shí)間增大光的強(qiáng)度換用波長(zhǎng)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(yīng)，欲使光電子從陰極逸出時(shí)的最大初動(dòng)能增加，則應(yīng)()改用紅光照射增大綠光的強(qiáng)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(shí)，在逸出的光電子中動(dòng)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(yīng)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(yīng)時(shí)，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(yīng)時(shí)，電路中光電流的飽和值取決于入射光的強(qiáng)度用久=0.5“的光照射光電管時(shí)，電路中有光電流產(chǎn)生光照射時(shí)間越長(zhǎng)，電路中的光電流越大

7.已知鈣的逸出功是3.20eV,對(duì)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(yīng)8．在做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí),某種金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng)能Ek與入射光的頻率v的關(guān)系如圖7—3所示，由實(shí)驗(yàn)圖可求出（A.該金屬的極限頻率和極限波長(zhǎng)B?普朗克常量該金屬的逸出功單位時(shí)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(zhǎng)關(guān)系為久〉久b＞久。用b光束照射某種金屬時(shí)，恰能發(fā)生光電效應(yīng)。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(shí)，不能發(fā)生光電效應(yīng)B．c光束照射時(shí)，不能發(fā)生光電效應(yīng)C．a(chǎn)光束照射時(shí)，釋放出的光電子數(shù)目最多D．c光束照射時(shí)，釋放出的光電子的最大初動(dòng)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(zhǎng)為400nm的單色光照射上述材料，能產(chǎn)生光電效應(yīng)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)能分別是多大？

例題答案：【答案】C【解析】入射光的強(qiáng)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(qiáng)度減弱，單位時(shí)間入射光子數(shù)將減少，但光子的能量不變，可見(jiàn)仍能發(fā)生光電效應(yīng)，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的產(chǎn)生幾乎都是瞬時(shí)的，與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，故A、D錯(cuò)誤。根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，逸出光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，跟入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，所以B也是錯(cuò)誤的。由于逸出電子與入射光子的一對(duì)一的關(guān)系，當(dāng)光的強(qiáng)度減弱時(shí)，單位時(shí)間入射光子數(shù)減少，因此單位時(shí)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(yàn)電器的鋅板，驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，進(jìn)一步驗(yàn)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(yàn)電器與鋅板相連，驗(yàn)電器也帶正電。所以選項(xiàng)A、D正確，而C選項(xiàng)錯(cuò)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(yīng)，故B選項(xiàng)錯(cuò)。答案：A、D【答案】(1)3.225X10-19〕(2)2.016V(3)1.014X1015Hz【解析】根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hv-W0可求得最大初動(dòng)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(yīng)方程有課后練習(xí)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(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，攵A錯(cuò)誤；只有當(dāng)hv>W0時(shí)才發(fā)生光電效應(yīng)，故B正確；光強(qiáng)越大，n越多，而v不變，耳二hv-W0也不變，故C錯(cuò)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(lái)光子的頻率大【解析】由于光子與電子在碰撞過(guò)程中滿足動(dòng)量守恒定律，故在電子獲得動(dòng)量的同時(shí)，散射光子的動(dòng)量將減小，由p二h和v=j知v二譽(yù)故原來(lái)光子的頻率大。解析：用紫外線照射鋅板，發(fā)生光電效應(yīng)，鋅板發(fā)射光電子，故鋅板帶正電，鋅板上的正電荷將驗(yàn)電器上的負(fù)電荷吸引過(guò)來(lái)，驗(yàn)電器帶正電，A錯(cuò)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(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，C錯(cuò)誤，D正確。答案：B、D解析：由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek二1mv2=hv~W0知，從同一金屬逸出的光電子的最大初動(dòng)能僅與入射光的頻率有關(guān)，故僅A選項(xiàng)正確。答案：A解析：光照射金屬時(shí)能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，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(qiáng)度和照射時(shí)間無(wú)關(guān)，故A、B、D選項(xiàng)均錯(cuò)誤；又因v二》，所以C選項(xiàng)正確。答案：C解析：由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek二肛=hv~W0知，光電子的最大初動(dòng)能僅與入射光的頻率有關(guān)，故僅D選項(xiàng)正確。答案：DWhv－EE解析：由光電效應(yīng)方程Ek=hv-W得W=hv-Ekl而W=hv0，則v0二萬(wàn)=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(yīng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目只與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，光電流的飽和值只與單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射光電子的數(shù)目有關(guān)。據(jù)此可判斷A、D錯(cuò)誤；波長(zhǎng)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(yīng)。所以，人0.5X10-6選項(xiàng)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(cuò)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(cuò)誤；由光電效應(yīng)發(fā)生的條件知，D正確。答案：B、D&解析：依據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=hv-W可知，當(dāng)Ek二0時(shí),v=v0,即圖象中橫坐標(biāo)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?jiàn)圖線的斜率在數(shù)值上等于普朗克常量。據(jù)圖象，假設(shè)圖線v-v即圖象中的延長(zhǎng)線與Ek軸的交點(diǎn)為C,其截距為W，有tanO二W/v0，而tanO二h，所以W二hv°?？v坐標(biāo)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(duì)應(yīng)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(yīng)，則a光束一定不能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，而c光束一定能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，故A對(duì)，B錯(cuò)，C錯(cuò)；根據(jù)光電效應(yīng)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(dòng)能比b光束產(chǎn)生的大，故D錯(cuò)。答案：A解析：據(jù)光子說(shuō)可知，波長(zhǎng)為久二400nm的單色光子的能量為：E=hv=hC=6.63X10-34^^:^空J(rèn)二5.0X10-19J。人400X10-9據(jù)光電效應(yīng)方程Ek二hv-W可知，當(dāng)入射光子的能量E=hv大于金屬的逸出功W時(shí)，光電子最大初動(dòng)能Ek>0,即能發(fā)生光電效應(yīng)。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(yīng)的金屬只有銫和鈣兩種。答案：B解析：根據(jù)愛(ài)