第一、二節(jié) 光電效應(yīng) 光電效應(yīng)方程及其意義

第四章

波粒二象性第一、二節(jié)光電效應(yīng)光電效應(yīng)方程及其意義核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(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。(2)初步了解能量子假說(shuō)和光子假說(shuō)。(3)理解掌握光電效應(yīng)方程。科學(xué)思維應(yīng)用光電效應(yīng)方程解決實(shí)際問(wèn)題。科學(xué)探究通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)光電效應(yīng)和量子化知識(shí)對(duì)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的影響，領(lǐng)會(huì)科學(xué)是不斷發(fā)展永無(wú)止境的。一、光電效應(yīng)1．定義：金屬在光的照射下_________的現(xiàn)象。發(fā)射出來(lái)的電子稱為______。2．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在_____電流。(2)存在_____頻率。(3)存在_____電壓，用Uc表示。發(fā)射電子光電子飽和截止遏止eUc3．經(jīng)典電磁理論解釋的困難(1)無(wú)法解釋______頻率的存在。(2)無(wú)法解釋遏止電壓只與入射光的_____有關(guān)，與入射光的_____無(wú)關(guān)。截止頻率強(qiáng)度二、光電效應(yīng)方程及其意義1．能量子假說(shuō)物體熱輻射所發(fā)出的電磁波的能量是_______的，只能是____的整數(shù)倍。2．普朗克常量：h＝______________。3．量子化：物理量__________的現(xiàn)象。4．光量子：_________指出，光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的光量子，后來(lái)被稱為_____。一個(gè)光子的能量ε＝____。不連續(xù)hν6.63×10－34J·s分立取值愛(ài)因斯坦光子hνEk＋W0逸出功1.如圖所示，若利用紫外線燈照射鋅板，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)電器總無(wú)張角，判斷下列說(shuō)法正誤：(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。

()(2)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)。

(

)(3)當(dāng)頻率超過(guò)截止頻率νc時(shí)，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。

()××√2.

如圖是研究光電效應(yīng)的電路圖，在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？

提示：發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，飛出的光電子個(gè)數(shù)只與光的強(qiáng)度有關(guān)。新知學(xué)習(xí)(一)|能量的量子化和光電效應(yīng)[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]中國(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，率先成功實(shí)現(xiàn)“千公里級(jí)”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破了此前國(guó)際上保持多年的“百公里級(jí)”紀(jì)錄。那么，量子是誰(shuí)最早提出來(lái)的呢？提示：普朗克。[重點(diǎn)釋解]1．能量子和量子數(shù)(1)內(nèi)涵：振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，E＝nε，當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，也是以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收，這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子，n就是量子數(shù)。(2)特點(diǎn)：輻射或吸收能量時(shí)以這個(gè)最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收，即只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過(guò)渡到另一狀態(tài)，而不可能停留在不符合這些能量的任何一個(gè)中間狀態(tài)。2．能量子的能量公式ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量。h＝6.626×10－34J·s。3．能量子假說(shuō)的意義(1)普朗克的能量子假說(shuō)，使人類對(duì)微觀世界的本質(zhì)有了全新的認(rèn)識(shí)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。(2)普朗克常量h是自然界最基本的常量之一，它體現(xiàn)了微觀世界的基本特征，架起了電磁波的波動(dòng)性與粒子性的橋梁。4．光電效應(yīng)的五組概念(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來(lái)的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。(2)光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能。①光照射到金屬表面時(shí)，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動(dòng)能。②只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于或等于光電子的最大初動(dòng)能。(3)光子的能量與入射光的強(qiáng)度：光子的能量即每個(gè)光子的能量，其值為ε＝hν

(ν為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量，入射光的強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積，即光強(qiáng)等于nhν。(4)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽(yáng)極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，這個(gè)飽和值是飽和光電流，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)。(5)光的強(qiáng)度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對(duì)頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的。對(duì)于不同頻率的光，由于每個(gè)光子的能量不同，飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒(méi)有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。[典例體驗(yàn)][典例]

如圖所示為一個(gè)真空光電管的應(yīng)用電路，其陰極金屬材料的極限頻率為4.5×1014Hz，則以下判斷正確的是

(

)A．無(wú)論用怎樣頻率的單色光照射光電管，只要照射足夠的時(shí)間都能在電路中產(chǎn)生光電流B．用λ＝0.5μm的光照射光電管時(shí)，電路中有光電流產(chǎn)生C．發(fā)生光電效應(yīng)后，增加照射光電管的入射光的頻率，電路中的飽和光電流就一定增加D．發(fā)生光電效應(yīng)后，增加電源電壓，電路中的光電流一定增加[解析]入射光的頻率小于極限頻率時(shí)，無(wú)論照射多長(zhǎng)時(shí)間也不能產(chǎn)生光電流，A錯(cuò)誤；根據(jù)c＝λν，當(dāng)λ＝0.5μm時(shí)，ν＝6.0×1014Hz，大于極限頻率，能發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電流，B正確；飽和光電流和入射光的頻率無(wú)關(guān)，C錯(cuò)誤；增加電源電壓，光電流不一定增加，D錯(cuò)誤。[答案]

B/方法技巧/光電效應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用(1)入射光的頻率相同，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能相同，故遏止電壓相同。(2)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)，只有在光電流達(dá)到飽和值以后才和入射光的強(qiáng)度成正比。

[針對(duì)訓(xùn)練]1．對(duì)于帶電微粒的輻射和吸收能量時(shí)的特點(diǎn)，以下說(shuō)法錯(cuò)誤的是

(

)A．以某一個(gè)最小能量值一份一份地輻射B．輻射和吸收的能量是某一最小值的整數(shù)倍C．輻射和吸收的能量是量子化的D．吸收的能量可以是連續(xù)的解析：根據(jù)量子化的理論，帶電微粒輻射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整數(shù)倍，故A、B正確。帶電粒子輻射和吸收的能量不是連續(xù)的，是量子化的，故C正確，D錯(cuò)誤。本題選不正確的，故選D。答案：D2．(多選)一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，則下列說(shuō)法正確的是

(

)A．若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子數(shù)增加B．若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子最大初動(dòng)能增加C．若改用紫光照射，則可能不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)D．若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動(dòng)能增加解析：光電效應(yīng)的規(guī)律表明：入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能大小，當(dāng)入射光頻率增加時(shí)，產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能增加；而入射光的強(qiáng)度增加，會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加，紫光頻率高于綠光，故正確的是A、D。答案：AD

新知學(xué)習(xí)(二)|光電效應(yīng)方程及應(yīng)用[重點(diǎn)釋解]1．光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0的四點(diǎn)理解(1)式中的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)剩余動(dòng)能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。(2)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W0，則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－W0。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①光強(qiáng)大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；②光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大。[典例體驗(yàn)][典例]

在研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光電管的陰極材料為銫(Cs)，用某一頻率的光照射，實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電流隨電壓變化的圖像如圖所示。已知銫的逸出功為3.0×10－19J。(1)銫發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率是多少？(2)本次實(shí)驗(yàn)的入射光頻率是多少？光電流隨電壓變化的圖像[拓展]上述[典例]中，若用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射光電管的陰極形成光電流，那么在下列光電流與電壓的關(guān)系圖像中，正確的是

(

)[針對(duì)訓(xùn)練]1．某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，其中νc為極限頻率。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．逸出功隨入射光頻率的增大而減小B．最大初動(dòng)能Ek與入射光強(qiáng)度成正比C．最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率成正比D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)解析：逸出功是金屬的固有屬性，只與金屬本身有關(guān)，與入射光的頻率無(wú)關(guān)，故A錯(cuò)誤；根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但最大初動(dòng)能與入射光的頻率不是成正比關(guān)系，故B、C錯(cuò)誤；根據(jù)Ek＝hν－W0并結(jié)合圖像可知，Ek-ν圖線的斜率表示普朗克常量，故D正確。答案：D2．(2022·河北高考)如圖是密立根于1916年發(fā)表的鈉金屬光電效應(yīng)的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實(shí)驗(yàn)曲線，該實(shí)驗(yàn)直接證明了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，并且第一次利用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了普朗克常量h。由圖像可知

(

)A．鈉的逸出功為hνcB．鈉的截止頻率為8.5×1014HzC．圖中直線的斜率為普朗克常量hD．遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——多光子光電效應(yīng)與內(nèi)光電效應(yīng)1．(選自魯科版新教材“科學(xué)書屋”)在光電效應(yīng)的早期實(shí)驗(yàn)中，所用光的強(qiáng)度不是很高，電子幾乎沒(méi)有同時(shí)吸收兩個(gè)光子的機(jī)會(huì)。激光的強(qiáng)度較高，有極好的方向性和相干性，用激光照射金屬板，電子有同時(shí)吸收兩個(gè)或多個(gè)光子的可能性。這種一個(gè)電子吸收多個(gè)光子發(fā)生的光電效應(yīng)稱為多光子光電效應(yīng)。當(dāng)光照射在某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，光子被吸收，在其內(nèi)部激發(fā)出導(dǎo)電的載流子，從而使其電導(dǎo)率顯著增加，或者光照使材料兩面產(chǎn)生一定的電勢(shì)差(光伏電壓)，這些現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

科學(xué)思維——光電效應(yīng)方程的應(yīng)用2．(選自滬科版新教材課后練習(xí))當(dāng)用頻率為7.0×1014Hz的紫光分別照射銫、鋅和銀的表面時(shí)，能產(chǎn)生光電效應(yīng)嗎？為什么？若能產(chǎn)生光電效應(yīng)，逸出的光電子的最大動(dòng)能是多大？

已知銫、鋅、銀的極限頻率分別為4.55×1014Hz、8.07×1014Hz、11.5×1014Hz。

解析：當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，便能發(fā)生光電效應(yīng)，比較可知，只有銫能發(fā)生光電效應(yīng)。

根據(jù)hν－h(huán)ν0＝Ekm可得，

逸出的光電子的最大動(dòng)能Ekm＝6.63×10－34×(7.0－4.55)×1014J≈1.624×10－19J。

答案：銫能發(fā)生光電效應(yīng)，因?yàn)槿肷涔獾念l率大于銫的極限頻率1.624×10－19

J二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．(2022·全國(guó)乙卷)一點(diǎn)光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長(zhǎng)約為6×10－

7m的光，在離點(diǎn)光源距離為R處每秒垂直通過(guò)每平方米的光子數(shù)為3×1014個(gè)。普朗克常量為h＝6.63×10－34J·s。R約為

(

)A．1×102m

B．3×102mC．6×102m D．9×102m2.如圖所示，分別用1、2兩種材料作K