物理鲁科版 (2019)光电效应及其解释学案及答案

这是一份物理鲁科版 (2019)光电效应及其解释学案及答案，共12页。学案主要包含了情景思辨，基础知识·准落实，核心要点·快突破，教学效果·勤检测等内容，欢迎下载使用。
知识点一 光电效应
1.光电效应现象
在光的照射下电子从物体表面逸出的现象称为 ，从金属表面逸出的电子称为 。
2.光电效应实验规律
（1）当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，这一频率称为 。只有当入射光的频率 这个极限频率时，才会产生光电效应。
（2）从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间 ，通常在10－9 s内。
（3）产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而 ，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到饱和值，即为 。在光频率不变时，入射光越强，单位时间内逸出的电子数也 ，饱和电流 。
（4）施加反向电压，当反向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称为 ，用Uc表示。则Uc与光电子最大初动能满足的关系为 。
知识点二 光电效应的解释与应用 光的波粒二象性
1.光电效应的解释
（1）光子说：看似连续的光实际上是由数量有限、 的光子组成，每一个光子的能量为 。
（2）爱因斯坦光电效应方程
①表达式： 。
②各物理量的意义：hν表示一个光子的 ，W表示金属的 ，12mv2表示光电子的 。
2.光电效应的应用
（1）光电 ；
（2）光电 。
3.光的波粒二象性
（1）光具有波粒二象性：光子既有 ，又有 。
（2）光波是一种 。
（3）光的波动性和粒子性不是均衡表现的，有时 表现得比较明显，有时 表现得比较明显。
【情景思辨】
（1）光电效应实验中光照时间越长光电流越大。（ ）
（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关。（ ）
（3）从光照射到金属表面至产生光电效应的时间很长。（ ）
（4）遏止电压与光电子最大初动能满足eUc＝12mvm2的关系式。（ ）
（5）爱因斯坦发展了普朗克的能量不连续思想，提出了光量子的概念。（ ）
（6）光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。（ ）
要点一 光电效应现象及解释
【探究】
如图所示，若利用紫外线灯照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？
【归纳】
1.正确理解光电效应的几个概念
（1）光子与光电子
光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时逸出的电子。在光电效应中，光子是因，光电子是果。
（2）光电子的初动能与光电子的最大初动能
光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分的能量为光电子的初动能；只有在金属表面的电子直接向外飞出，只需克服原子核的引力做功的情况下，才具有最大初动能。
（3）光电流和饱和光电流
金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流。随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，达到这个饱和值的光电流称为饱和光电流。在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
（4）入射光强度与光子能量
入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，光子能量即每个光子的能量。光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积。
2.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释
（1）解释极限频率的存在：光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，每个光子的能量为hν，所以一个光子传递给一个电子的能量为hν，电子要脱离原子核的引力需要有一个最小能量，最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率，即极限频率。如果小于这一频率，即使增大光强，也不会使电子逸出。这是因为增大光强，只是增加了吸收光子能量的电子数，单个电子吸收的光子能量仍为hν，电子仍不能逸出。
（2）解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的。如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出。因为一个电子吸收一个光子后，在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子，所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面。
（3）解释最大初动能与频率的关系：由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋12mv2可知，电子从金属中逸出所需克服束缚而必须做的功的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能。就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能。最大初动能的大小与光的强度无关，与光的频率有关。
光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化图像如图所示。由Ek＝hν－W0可知，横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。
【典例1】 （多选）对光电效应的理解正确的是（ ）
A.金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应
C.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功不同，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同
尝试解答
1.一真空光电管的应用电路如图所示，关于电路中光电流的饱和值，下列说法正确的是（ ）
A.发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率
B.发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度
C.发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于光电管所加的正向电压的大小
D.发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的光照时间
2.（多选）在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，这时（ ）
A.锌板带正电，指针带负电
B.锌板带正电，指针带正电
C.若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象
D.若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子
要点二 光电效应方程的理解与应用
对光电效应方程hν＝W＋12mv2的理解
（1）光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν成线性关系（注意不是正比关系），与光照强度无关。
（2）光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即12mv2＝hν－W≥0，亦即hν≥W，ν≥Wh＝ν0，而ν0＝Wh就是金属的极限频率。
（3）光电效应方程实质上是能量守恒方程。
（4）逸出功W：电子从金属中逸出所需要克服束缚而消耗的能量的最小值，即一个电子从金属表面逸出而必须做的功叫作金属的逸出功。光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少。
特别提醒
逸出功的大小由金属本身决定，与其他因素无关。
【典例2】 小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。
（1）图中电极A为光电管的 （填“阴极”或“阳极”）。
（2）实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的极限频率ν0＝ Hz，逸出功W＝ J。
（3）如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek＝ J。（计算结果均保留3位有效数字）
尝试解答
特别提醒
应用光电效应方程解决问题时应注意：
（1）光电效应方程包含了产生光电效应的条件
若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即12mv2＝hν－W＞0，亦即hν＞W，ν＞W0h＝νc，而νc＝Wh恰好是光电效应的极限频率。
（2）Ek-ν曲线
光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线如图所示。这里，横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。
1.（多选）某金属在光的照射下光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像如图所示，由图像可知，下列说法正确的是（ ）
A.图像的斜率表示普朗克常量hB.该金属的逸出功等于E
C.该金属的逸出功等于hν0D.入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E
2.（多选）在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是（ ）
A.若νa＞νb，则一定有Ua＜UbB.若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb
C.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb
要点三 光的波粒二象性

【典例3】 （多选）对光的认识，下列说法正确的是（ ）
A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显
尝试解答
1.下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ）
A.有的光是波，有的光是粒子
B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D.大量光子的行为往往显示出粒子性
2.（多选）关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是（ ）
A.光的频率越高，衍射现象越容易看到B.光的频率越高，粒子性越显著
C.大量光子产生的效果往往显示出波动性D.光的波粒二象性否定了光的电磁说
1.用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J。已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为（ ）
A.1×1014 Hz B.8×1014 Hz
C.2×1015 HzD.8×1015 Hz
2.如图所示，弧光灯发出的光，经过下列实验后产生了两个重要的实验现象。①经过一狭缝后，在后面的锌板上形成明暗相间的条纹；②与锌板相连的验电器的铝箔张开了一定的角度。则这两个实验现象分别说明（ ）
A.①和②都说明光有波动性B.①和②都说明光有粒子性
C.①说明光有粒子性，②说明光有波动性D.①说明光有波动性，②说明光有粒子性
3.利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（ ）
A.用紫外线照射，电流表不一定有电流通过
B.用红光照射，电流表一定无电流通过
C.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到M端时，电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向N端滑动时，电流表示数可能不变
4.（多选）用某金属研究光电效应规律得到的光电流随电压变化关系的图像如图所示，用单色光1和单色光2分别照射该金属时，逸出的光电子的最大初动能分别为Ek1和Ek2，普朗克常量为h，则说法正确的是（ ）
A.Ek1＞Ek2
B.单色光1的频率比单色光2的频率低
C.增大单色光1的强度，其遏止电压不变
D.单色光1的入射光子数比单色光2的入射光子数多
5.如图所示，一光电管的阴极用极限波长λ0＝5×10－7 m的钠制成，用波长λ＝3×10－7 m的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间的电势差U＝2.1 V，饱和光电流的值（当阴极K发射的电子全部到达阳极A时，电路中的电流达到最大值，称为饱和光电流）Im＝0.56 μA。求：（普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s）
（1）每秒内由阳极K发射的光电子数；
（2）电子到达阳极A时的最大动能；
（3）如果电势差U不变，而照射光的强度增大到原值的三倍，此时电子到达阳极A的最大动能是多大？
第1节 光电效应及其解释
【基础知识·准落实】
知识点一
1.光电效应 光电子
2.（1）极限频率 大于或等于 （2）很短 （3）增大 饱和电流 越多 越大 （4）遏止电压 eUc＝12mvm2
知识点二
1.（1）分立 hν （2）①hν＝W＋12mv2 ②能量 逸出功
最大初动能
2.（1）开关 （2）成像
3.（1）粒子的特征 波的特征 （2）概率波 （3）波动性
粒子性
情景思辨
（1）× （2）√ （3）× （4）√ （5）√ （6）√
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【探究】 提示：金属能否发生光电效应，决定于入射光的频率，与入射光的强度无关。
【典例1】 BD 因同一个电子接收两个光子的时间间隔相当长，大约几千秒，而金属内电子的碰撞极其频繁，所以一个电子接收一个光子后如不能立即逃逸出金属表面，它来不及吸收第二个光子，原来吸收的能量就早已消耗殆尽了，可见电子吸收光子的能量是不能累加的，故A错误。不同金属内原子核对电子的束缚程度是不同的，因此电子逃逸出来克服原子核引力做功不同，若光子的能量E＝hν小于使金属表面电子克服原子核引力逸出时所做功的最小值，那就不会有光电子逸出，即不会发生光电效应，故B正确。不同的金属逸出功不同，则其产生光电效应的极限频率不同，故D正确。由E＝hν知光子的能量是由光的频率决定的，与光子数的多少无关，所以，虽然入射光的强度增大，但其频率不改变时，光子的能量也不变，这时每个电子吸收光子的能量也不会增加，逸出的光电子的最大初动能就不会改变，故C错误。
素养训练
1.B 在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，故B正确，A、C、D错误。
2.BC 锌板在紫外线照射下，发生光电效应，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上，从而使指针带正电，B正确，A错误；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不发生光电效应，C正确，D错误。
要点二
知识精研
【典例2】 （1）阳极 （2）5.15×1014 3.41×10－19
（3）1.23×10－19 J
解析：（1）电子从金属板上射出的位置是阴极，所以A板为阳极；（2）根据eUc＝hν－W，可知当遏止电压为零时hν＝W，根据图像可以知道，铷的极限频率νc＝5.15×1014 Hz，根据hν＝W，则可求出该金属的逸出功大小W＝6.63×10－34×5.15×1014 J≈3.41×10－19 J；（3）由Ekm＝hν－W代入数据可知Ekm＝6.63×10－34×7.0×1014 J－3.41×10－19 J≈1.23×10－19 J。
素养训练
1.ABC 根据光电效应方程12mv2＝hν－W知图像的斜率表示普朗克常量h，故A正确；根据光电效应方程12mv2＝hν－W，当ν＝0时，12mv2＝－W，由图像知纵轴截距为－E，所以W0＝E，即该金属的逸出功等于E，故B正确；图像与横轴交点的横坐标是ν0，该金属的逸出功等于hν0，故C正确；当入射光的频率为2ν0时，根据光电效应方程可知，12mv2＝h·2ν0－hν0＝E，故D错误。
2.BC 设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eUc，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eUc＝hν－W，遏止电压Uc随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，D项错误。
要点三
知识精研
【典例3】 ABD 光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确。
素养训练
1.C 一切光都具有波粒二象性，光的有些行为（如干涉、衍射）表现出波动性，光的有些行为（如光电效应）表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量；电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著。综上所述，选项C正确。
2.BC 光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下光的粒子性明显，某些情况下光的波动性明显，故D错误；光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故A错误，B正确。大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C正确。
【教学效果·勤检测】
1.B 设单色光的最低频率为ν0，由爱因斯坦光电效应方程得12mv2＝Ek＝hν1－W，0＝hν0－W，又ν1＝cλ，整理得ν0＝cλ－Ekh，代入数据解得ν0≈8×1014 Hz。故选项B正确。
2.D 现象①是光的干涉现象，该现象说明了光具有波动性。现象②是光电效应现象，该现象说明了光具有粒子性。故A、B、C错误，D正确。
3.D 因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A错误；因不知阴极K的极限频率，所以用红光照射时不一定不发生光电效应，选项B错误；即使UAK＝0，电流表中也有电流，选项C错误；当滑动触头向N端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，电流达到最大，即为饱和电流，若在滑动前电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，选项D正确。
4.BCD 根据图像知单色光1的遏止电压绝对值小于单色光2的遏止电压绝对值，再根据最大初动能和遏止电压的关系eUc＝Ekm可知Ek1＜Ek2，故A错误；根据光电效应方程：12mv2＝Ek＝hν－W可知单色光2的频率较高，选项B正确；光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与光强无关，则增大单色光1的强度，其光电子最大初动能不变，遏止电压不变，选项C正确；由于单色光1的饱和光电流比单色光2的饱和光电流大，则单色光1的入射光子数比单色光2的入射光子数多，选项D正确。
5.（1）3.5×1012 （2）6.01×10－19 J
（3）6.01×10－19 J
解析：（1）设每秒内发射的光子数为n，则
n＝Imte＝0.56×10－6×11.60×10－19个＝3.5×1012个。
（2）由光电效应方程可知
Ek＝hν－W＝hcλ－hcλ0＝hc1λ－1λ0
在A、K间加电势差U时，电子到达阳极时的动能为
Ek'＝Ek＋eU＝hc1λ－1λ0＋eU
代入数据得Ek'≈6.01×10－19 J。
（3）根据光电效应规律，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，如果电势差U不变，则电子到达阳极A的最大动能不变，仍为6.01×10－19 J。
核心素养目标
1.理解光电效应的实验规律。
2.掌握光电效应方程，并会用来解决简单问题。
3.理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波
项目
内容
说明
光的粒子性
当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质
“粒子”的含义是“不连续”“一份一份”的。光的粒子性中的粒子不同于宏观概念的粒子
光的波动性
①足够能量的光在传播时，表现出波的性质；②光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小（概率）可用波动规律来描述
光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的。光的波动性不同于宏观概念的波
波动性和粒子性
的对立、统一
宏观世界：波和粒子是相互对立的概念
微观世界：波和粒子是统一的
光子说并未否定波动性，ε＝hν中ν就是波动性的体现