高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应优秀当堂检测题

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【学习目标】
物理观念：知道光电效应现象、光电效应的实验规律以及用爱因斯坦理论解释光电效应。形成光量子初步的物理观念，通过学习康普顿效应解释一些天空为什么是蓝的现象，能应用光的波粒二象性解决一些实际问题。
科学思维：培养学生辩证思维能力，运用爱因斯坦理论对光电效应的实验规律进行解释。运用光量子假说成功解释光电效应和康普顿效应，形成光具有能量和动量的思维观念。
科学探究：通过观察光电效应的实验过程培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。通过光量子假说分析光电效应的实验规律和康普顿效应。
科学态度与责任：感受微观世界的奇妙和谐，培养学生对科学的好奇心和求知欲，能够体验探索自然规律的艰辛与喜悦。通过物理学史的学习，使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，培养学生类比思想，以及严谨的科学思维。
【学习重难点】
重点：光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应。
光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。
难点：光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应。
光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。
【知识回顾】
播放视频：物理学史“赫兹发现光电效应”。
复习回顾：回顾光电效应实验规律，引入爱因斯坦光电效应理论。
【自主预习】
一、 光电效应的实验规律
1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面 。这个现象称为光电效应，这种电子常称为 。
2．光电效应的实验规律
(1)存在 频率。
(2)存在 电流。
(3)存在 电压。
(4)光电效应具有 性。
3．逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的 叫作这种金属的逸出功，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小 。
二 爱因斯坦的光电效应理论
1．光子：认为光本身就是由一个个不可分割的 组成的，频率为ν的光的能量子为 ，其中，h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
2．爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式： 或 。式中Ek＝ 。
(2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为 的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。
三 康普顿效应和光子的动量
1．康普顿效应：在光的散射中，散射光中除了与入射光波长相同的成分外，还有波长的成分的现象。
2．康普顿效应的解释：康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为p＝ 。在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分 转移给电子，因而，光子动量可能会变小。动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长 。
四 光的波粒二象性
光既具有 ，又具有 ，即光具有波粒二象性。
【课堂探究】
【新课导入】
把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？
【新课教学】
一、光电效应的实验规律
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：如图甲，带负电的锌板与验电器相连，用紫外线灯照射锌板后，验电器的指针夹角变小，这说明了什么？
活动2：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子。图乙真空玻璃管中的阴极K受到光的照射会逸出光电子，电路中是否有电流？
活动3：实验发现，光的频率减小到某一值νc(不同的金属νc不同)时，即使加很大的电压，电路中也没有电流，这说明了什么？
活动4：如图乙所示，随着A、K间的电压增大，电路中的电流增大，但趋于一个饱和值，如图丙中坐标原点右侧曲线所示，这说明了什么？
活动5：保持光的颜色不变(黄色)，增加光的强度，电路中的饱和电流增大，如图丙所示，这说明了什么？
活动6：如图丙所示，A、K间电压为0时，仍有电流。调换图乙电源的正负极，然后从零开始逐渐增大A、K间的电压，发现达到遏止电压Uc时，电流变为0，这说明了什么？
活动7：观察图丙三种光照情况下的Uc，可以发现什么规律？这说明了光电子的能量与什么有关？
活动8：当频率超过νc时，无论入射光怎样微弱，光照到金属时产生电流的时间不超过10－9 s，这说明了什么？
【例题】在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（ ）
A.验电器的指针带正电
B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大
C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少
D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应
【例题】图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（ ）
A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大
B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定
C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大
D. 只要增大电压，光电流就会一直增大

二、爱因斯坦的光电效应理论
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
甲
乙
丙
活动1：金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则热运动，但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这说明什么？
活动2：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。结合图甲，如何解释光强与光电流的关系？
活动3：根据光的电磁理论得出的结论(图丙)与光电效应的实验结论(图乙)矛盾。存在截止频率意味着逸出功与截止频率有关，另外光电子的能量也与入射光的频率有关，结合普朗克能量子的假设，可以作出什么猜想？
活动4：爱因斯坦认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为ε＝hν，称为光子。试根据此假设及能量守恒定律推导出光电效应中光电子和光子的能量关系式。
活动5：只有经过检验，根据猜想得出的结论才有可能成为科学理论。试用所得出的关系式解释图乙的实验结论。
小试牛刀
【例题】如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为( )
A.1.9 eV
B.0.6 eV
C.2.5 eV
D.3.1 eV
【例题】(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，图线与横轴的交点坐标为(4.27,0)，与纵轴的交点坐标为(5.5,0.5)。由图可知( )
A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
C．该图线的斜率表示普朗克常量
D．该金属的逸出功为0.5 eV
三、康普顿效应和光子的动量 光的波粒二象性
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：光可以与介质中的物质微粒发生散射，改变传播方向。1918～1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。康普顿效应可以用经典物理学解释吗？
活动2：康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为p＝eq \f(h,λ)。据此，请根据上面图片解释康普顿效应现象。
活动3：现代物理学证实，光是由光子组成的，光子的能量ε＝hν，动量p＝eq \f(h,λ)。请总结光的性质。
小试牛刀
【例题】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ）
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比，速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
【例题】对于光的行为，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，在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下光的粒子性表现明显
【例题】关于光的本性，下列说法正确的是（ ）
A.关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性
B.光具有波粒二象性是指∶既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C.光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D.光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来的
【自我测评】
(1)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能可能相同，但最大初动能一定不同( )
(2)若用光照射光电管能发生光电效应，给光电管加正向电压时，光电流随电压的增大会一直增大，加反向电压时，光电流随电压增大而逐渐减小至0。( )
(3)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。( )
(4)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( )
(5)“光子”就是“光电子”的简称。( )
(6)光子具有动量说明光具有粒子性。( )
1、(多选)如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是( )
A.入射光太弱
B.入射光波长太长
C.光照时间太短
D.电源正、负极接反
2、如图所示是光电效应实验部分示意图。当用光子能量为hν＝3.1 eV的光照射其金属制成的极板K时，产生光电流。若K的电势高于A的电势，且电势差为0.9 V，此时光电流刚好截止。那么，当A的电势高于K的电势，且电势差也为0.9 V时，光电子到达A极时的最大动能是多大？此金属的逸出功是多大？
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？光电效应实验的结论
1．入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。
2．对于一定频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
3．对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
4．光电效应几乎是瞬时发生的。
光电效应经典解释中的疑难
•不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。
•光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应该与光的强弱有关。
•如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。