第2節(jié) 光電效應

第2節(jié)光電效應核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)了解光電效應現(xiàn)象。(2)知道愛因斯坦光電效應方程及其意義?？茖W思維利用光子說解釋光電效應的實驗規(guī)律。科學探究通過實驗，了解光電效應現(xiàn)象及實驗規(guī)律。一、光電效應1．光電效應：光照射在金屬表面時金屬中的電子會因吸收光的能量而______金屬表面的現(xiàn)象。2．光電效應的特征(1)存在截止頻率：當入射光的頻率減小到某一數(shù)值ν0時，光電流消失，不發(fā)生光電效應，ν0稱為截止頻率。逸出(2)存在飽和光電流：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的______，光電流趨于一個飽和值——飽和光電流，而且在入射光的頻率不變的情況下，光的強度越大，飽和光電流______。(3)光電子的最大初動能與入射光的______成線性關系，與光的強度無關。(4)光電效應具有瞬時性：當入射光的頻率大于截止頻率ν0時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時也能立刻發(fā)射光電子，光電效應幾乎是______發(fā)生的。增大越大頻率瞬時二、光量子概念的提出光電效應方程(選學)1．光子：光本身就是________的，而是由單個的能量子組成的，這些能量子簡稱為光子。2．愛因斯坦光電效應方程(2)意義：金屬中電子吸收一個光子的能量hν之后，一部分消耗于電子由金屬內(nèi)逸出表面時所需做的功W，叫作________，另一部分轉化為光電子的______。不連續(xù)逸出功動能1.如圖所示，若利用紫外線燈照射鋅板，無論光的強度如何變化，驗電器都有張角，而用紅光照射鋅板，無論光的強度如何變化，驗電器總無張角，判斷下列說法正誤：(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應。

()(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應與入射光的強弱有關。

()(3)入射光照射到金屬表面上時，光電子幾乎是瞬時發(fā)射的。

()××√2.如圖是研究光電效應的電路圖，在光電管兩端加正向電壓，用一定強度的光照射時，若增加電壓，電流表示數(shù)不變，而光強增加時，保持所加電壓不變，電流表示數(shù)會增大，這說明了什么？提示：發(fā)生光電效應時，飛出的光電子個數(shù)只與光的強度有關。新知學習(一)|與光電效應相關的“五組”概念[任務驅動]如圖是研究光電流與電壓之間關系的實驗原理圖。若要使電流表的示數(shù)增大，電源的正負極如何接入？滑動變阻器向哪個方向移動？按照上述方向移動時，能否使電流表示數(shù)一直增加？提示：若要使電流表的示數(shù)增大，電源右側為正極，滑動變阻器向右滑動，當電流達到飽和時，繼續(xù)向右移動滑片，電流表示數(shù)也不會增加。

[重點釋解]1．光子與光電子光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應的因，光電子是果。2．光電子的初動能與光電子的最大初動能(1)光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個方向運動，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能。(2)只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。3．光子的能量與入射光的強度光子的能量即一個光子的能量，其值為ε＝hν(ν為光子的頻率)，可見光子的能量由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內(nèi)照射到單位面積上的總能量，等于光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積，即光強等于nhν。4．光電流和飽和光電流金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個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關。5．光的強度與飽和光電流飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應而言的。對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系。[典例體驗][典例]研究光電效應的電路如圖所示。用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)。鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。選項中表示光電流I與A、K之間的電壓UAK的關系圖像，正確的是

(

)[解析]頻率相同的光照射同一金屬時，發(fā)射出的光電子的最大初動能相同，所以遏止電壓相同；飽和光電流與光的強度有關，光的強度越大，飽和光電流越大，故選項C正確。[答案]

C/方法技巧/光電效應規(guī)律的應用(1)入射光的頻率相同，發(fā)生光電效應時光電子的最大初動能相同，故遏止電壓相同。(2)光電流未達到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強度有關，還與光電管兩極間的電壓有關，只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比。

[針對訓練]1．當光照射在某種金屬表面時，金屬表面有電子逸出。如果該入射光的強度減弱，頻率不變，則

(

)A．可能不再有電子逸出金屬表面B．單位時間內(nèi)逸出金屬表面的電子數(shù)減少C．逸出金屬表面的電子的最大初動能減小D．從光入射到光電子逸出的時間間隔延長解析：入射光的頻率不變，則仍然能發(fā)生光電效應，A錯誤；入射光的強度減弱，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少，光電流減弱，B正確；入射光的頻率不變，則光電子的最大初動能不變，C錯誤；光的強弱影響的是單位時間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目，并不影響單個光電子的逸出時間，D錯誤。答案：B

2.如圖所示為一真空光電管的應用電路，關于電路中光電流的飽和值，下列說法正確的是

(

)A．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B．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C．發(fā)生光電效應時，電路中光電流的飽和值取決于光電管所加的正向電壓的大小D．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光照時間解析：若在光電管中發(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，故B正確，A、C、D錯誤。答案：B

新知學習(二)|光電效應方程及應用[重點釋解]1．光電效應方程Ek＝hν－W的四點理解(1)式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時剩余動能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。(2)光電效應方程實質(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克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能。②如果克服吸引力做功最少，為W，則電子離開金屬表面時動能最大，為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W。2．光電效應規(guī)律中的兩條線索、兩個關系(1)兩條線索(2)兩個關系①光強大→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→光電子的最大初動能大。[典例體驗][典例]光電流隨電壓變化的圖像在研究光電效應實驗中，光電管的陰極材料為銫(Cs)，用某一頻率的光照射，實驗測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)生光電效應的極限頻率是多少？(2)本次實驗的入射光頻率是多少？[答案]

(1)4.52×1014Hz

(2)1.06×1015Hz[拓展]上述[典例]中，若用頻率相同、強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系圖像中，正確的是

(

)答案：C

[針對訓練]1．某種金屬逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系如圖所示，其中ν0為截止頻率。下列說法正確的是

(

)A．逸出功隨入射光頻率的增大而減小B．最大初動能Ek與入射光強度成正比C．最大初動能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解析：逸出功是金屬的固有屬性，只與金屬本身有關，與入射光的頻率無關，故A錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W可知，最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關，但最大初動能與入射光的頻率不是成正比關系，故B、C錯誤；根據(jù)Ek＝hν－W并結合圖像可知，Ek-ν圖線的斜率表示普朗克常量，故D正確。答案：D

2．(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的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實驗曲線，該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程，并且第一次利用光電效應實驗測定了普朗克常量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成正比答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學探究——光電效應的規(guī)律1．(選自人教版新教材課后練習)在光電效應實驗中，小明用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲、乙、丙)，如圖所示?；卮鹣旅鎲栴}，并說明理由。(1)甲、乙兩種光的頻率，哪個大？(2)乙、丙兩種光的波長，哪個大？(3)乙、丙兩種光所對應的截止頻率，哪個大？(4)甲、丙兩種光所產(chǎn)生光電子的最大初動能，哪個大？答案：(1)乙(2)丙(3)同一光電管的截止頻率相同(4)相同

科學思維——光電效應方程的應用2．(選自滬科版新教材課后練習)當用頻率為7.0×1014Hz的紫光分別照射銫、鋅和銀的表面時，能產(chǎn)生光電效應嗎？為什么？若能產(chǎn)生光電效應，逸出的光電子的最大動能是多大？已知銫、鋅、銀的極限頻率分別為4.55×1014Hz、8.07×1014Hz、11.5×1014Hz。解析：當入射光的頻率大于極限頻率時，便能發(fā)生光電效應，比較可知，只有銫能發(fā)生光電效應。根據(jù)hν－h(huán)ν0＝Ekm可得，逸出的光電子的最大動能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，因為入射光的頻率大于銫的極限頻率1.624×10－19J二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．很多商店裝有光電池電子眼探測設備，當顧客到來時，門會自動打開。這種設備的原理是：當光的強度變化時，傳感器產(chǎn)生的電流發(fā)生改變。這是光電效應的一種應用。下列說法正確的是

(

)A．光電效應說明光具有波動性B．發(fā)生光電效應時，飽和電流與入射光的強度無關C．發(fā)生光電效應時，其他條件不變，入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大D．發(fā)生光電效應時，其他條件不變，光電子的初動能越大，光電子形成的電流越大2．(多選)如圖甲為研究某金屬材料的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系的電路圖，用