1、名 师 辅 导教学内容：光电效应 光子【本课教学目标】在 20 世纪，新科学技术的发展是与我们对微观世界的认识分不开的，而研究微观世界要用到量子论从本章起，我们就开始学习量子论的初步知识本章在编写上与过去的教材有所不同，它把光的波粒二象性和玻尔的原子结构理论分别从光的本性和原子、原子核这两部分内容中提出，合在一起成为量子论初步一章，这样做的目的是为了在介绍物质结构的同时更加突出微观粒子的运动规律学习本章要特别注意两点：第一，要从可以直接感知的实验现象经过分析推理，得到不能直接感知的微观结构和微观粒子的运动规律；第二，要建立诸如轨道量子化、能量量子化、光与实物粒子的波粒二象性，以及用概率描述粒子
2、运动等新的概念本章的计算并不复杂，通过计算你要进一步体会有关概念和规律，同时对一些现象所涉及的物理量(如波长、能级差等)的数量级建立感性认识本章内容可以分为三个单元第一单元学习光的波粒二象性，初步接触量子化、二象性、概率波等概念；第二单元学习原子结构能级的概念；第三单元学习物质波的概念【基础知识导引】1理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾2知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾3理解光子说及其对光电效应的解释4理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题【教材内容全解】所谓光电效应，就是在光(包括不可见光)的照射下从物体发射出电子的现象发射出来的电子叫光电子，这一现象是由
3、赫兹首先发现的光电效应的规律：(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应最初观察到光电效应时，人们认为光是一种电磁波，当它射入金属时，金属内的自由电子会由于变化着的电场作用而振动，如果光足够强，不论光的频率高低，经过一段时间后电子的振幅就会很大，就有可能飞出金属表面，就好像沸腾的水但是，进一步的研究发现，对各种金属都存在着极限频率和极限波长，如果入射光的频率比金属的极限频率低，那么无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应现象；如果光的频率高于金属的极限频率，即使光不强，当它射到金属表面，也会观察到光电效应现象(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无
4、关，只随入射光的频率的增大而增大(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过 s910按照波动理论，如果入射光比较弱，照射时间要长一些，金属中的电子才能积累足够的能量，飞出金属表面可是事实不是如此，只要光的频率高于金属的极限频率，光的强度无论强弱，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过 s910(4)当入射光的频率大于金属的极限频率时，光电流的强度(光电子数目)与入射光的强度成正比1900 年，德国物理学家普朗克在研究中发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能和实验的事实相符这样的一份能量叫做能量子普朗克还认为，每一份能量等于 hv，其中 v 是辐射电磁
5、波的频率,h 是一个常量，叫做普朗克常量，实验测得： sJh34106.爱因斯坦在普朗克的启发下提出在空间传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，光子的能量 E，跟光的频率成正比，即：E=hv(h 为普朗克常量)，这个学说就是光子说理解：每个光子的能量只决定于光的频率，而光的强弱则反应了单位时间内射到单位面积上的光子数的多少用光子说对光电效应有很好的解释：光子照射到金属上，它的能量可以被金属中的某个电子吸收，电子吸收光子后，能量增加如果能量足够大，电子就能克服金属内正电荷对它的吸引力，离开金属表面，成为光电子而不同的金属对电子的束缚能力不同，因此电子飞出时所做的功也不一样，
6、如果光子的能量 E 小于使电子飞出来所需功的最小值 W，那无论光多么强，照射时间多么长，也不能使电子飞出，这就解释了为什么存在极限频率而且电子对光子的吸收是十分迅速的，这就解释了光电效应的瞬时性光电效应中，金属中的电子在飞出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功，某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需的功不一样，使电子脱离金属所做的功的最小值叫做这种金属的逸出功 W入射光照射金属发生光电效应现象，若光子的能量 hv 大于金属的逸出功 W，光电子飞出时就具有了一定的动能，如果用 表示动能最大的光电子所具有的kE动能就可推导出光电效应方程： hvEk【难题巧解点拨】光电效应是本章的重点知识，重点掌
7、握光电效应现象和光电效应规律，光电效应的规律是从实验中总结出来的，规律本身比较抽象，只有通过光子说的圆满解释才能深刻理解，学习规律时应与光子说结合起来用光子说解释光电效应规律时，可以借助下面两条假设：(1)设想当光射到金属表面时，金属中的一个电子只有吸收一份光子的能量，一个光子的能量也只能传递给一个电子(2)电子吸收一份光子的能量后，可能向各个方向运动，从金属表面逸出时，光电子的初动能大小不同，运动方向也不同，只有直接从金属表面逸出的光电子才具有最大的初动能例 1 某金属在一束绿光照射下，刚好能产生光电效应，如多用一束绿光照射，则逸出的电子数将_，逸出的电子的初动能将_解析 绿光照射下发生光电
8、效应，当多用一束绿光照射后，绿光的频率不变，一个电子吸收一个不变的光子的能量后，克服不变的逸出功(同种金属)，剩下的能量即为最大初动能亦不会发生变化。此时单位时间发出的光子数增加了，逸出的电子数也会增加答案 增加；不变点拨 正确解答此类题的关键在于运用光子说，正确理解光电效应规律，根据光电效应规律，光电子的最大初动能，决定于照射光的频率，频率变大，最大初动能随之变大而在单位时间内从阴极发射出来的光电子数跟入射光的强度成正比例 2 同一频率的光照射到甲、乙两种不同的金属，它们释放的光电子在磁感应强度为 B 的匀强磁场中做匀速圆周运动，它们的最大半径之比为：2：1，则下列说法中正确的是： ( )A
9、甲、乙两种金属的逸出功之比为 2：1B光电子的最大初速度之比为 2：1C光电子的最大初动能之比为 2：1D光电子的最大动量之比为 2：1解析 带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动的半径 从甲、乙两金属逸出Bqmvr的都是光电子，m，q 相同，在同一磁场内运动， ；1221rv光电子的最大初动能之比为： ；42121mv光电子的最大动量之比： ；21由爱因斯坦的光电方程可知逸出功： ，所以 kEhvW12答案 B、D点拨 此题把粒子在磁场中运动规律与动量、动能知识的结合，可以培养综合运用知识的能力例 3 如图 21-1 所示，擦得很亮的绝缘锌板 A 水平固定放置，其下方水平放有接地的铜板 B，两板
10、间距为 d，两板面积均为 S，正对面积 S，且 SS，当用弧光灯照射锌板上表面后，AB 间一带电液滴恰好处于静止状态，试分析：(1)液滴带何种电荷?(2)用弧光灯再照射 A 板上面，液滴做何种运动?(3)若使液滴向下运动可采取哪些措施?解析 (1)受弧光灯照射发生光电效应，锌板 A 有光电子从板的上表面逸出，而使 A 板带正电荷，接地的铜板 B 受带电板 A 的静电感应而带负电荷，A、B 板间形成匀强电场，方向竖直向下，且 Eqmg，所以液滴带负电荷(2)当再用弧光灯照射 A 板上面，光电效应继续发生，使 A 板正电荷增加，A、B 板间场强增加，所以 Eqmg，使液滴向上运动(3)若使液滴向下
11、运动，即 mgEq，mg 和 q 不变，则必须使 E 变小，因上板电量 Q 不变，则当 B 板向右移动即两板正对面积变大，电容变大，两极间电压变小，场强变小，若达到 Eqmg，液滴就会向下运动答案 (1)负电荷；(2)向上运动；(3)B 板向右移动，增大正对面积点拨 该题是光电效应与电场、电容、力和运动等知识的综合，涉及的知识面较广，因而在复习中要切实把握知识的内在联系【拓展延伸探究】课题：光电效应的应用目的：通过光电效应在生产、生活中的应用，理解光电效应的规律问题 1：在工业生产中常用的光电控制设备一光控继电器的工作原理如何?(构造如图21-2 所示)问题 2：电影如何记录和播放出声音?方法
12、：1光控继电器由电源、光电管、放大器、电磁继电器几部分组成当光照射光电管时，光电管电路中便产生电流，经放大器放大后，使电磁铁 M 磁化，把衔铁 N 吸住；没有光照射时，电路中没有电流，衔铁 N 在弹簧的作用下就自动离开 M，如果把衔铁 N 与控制机构相连，就可以达到自动控制的目的例如，可以用于自动计数，把产品放在传送带上，光源和光电管分别放在传送带的两侧，每当传送带上输送过去一个产品时，光线被挡住一次，光控继电器就放开衔铁一次，由衔铁控制的计数器的数字就加一光控继电器还可以用于安全生产，工人在冲床、钻床、锻压机械上劳动时，如有不慎，容易出事故，可以在这些机床上安装光控继电器，当工人不慎将手伸入
13、危险部位时，由于遮住了光线，光控继电器就立即动作，使机床停下，避免事故的发生2最早的电影是没有声音的，后来虽然有了声音，但那是靠留声机来配合影片播放的，声和影配合不好现在我们能看到声和影完全配合在一起，还是多亏了光电管影片摄制完成后，要进行录音录音时通过专门的设备使声音的变化转变为光的变化，从而把声音的“像 ”摄制在影片上的边缘上，形成宽窄变化的暗条纹，这就是影片边上的音轨，如图2l-3 所示放映电影时，利用光电管把“声音的照片” 还原成声音方法是：在电影放映机中用强度不变的极窄的光束照射音轨，由于影片上各处的音轨宽窄不同，所以在影片移动的过程中，通过音轨的光的强度也就不断地变化；变化的光照射
14、向光电管时，在电路中产生变化的电流，把电流放大后，通过喇叭就能把声音放出来了【课本习题解答】1由于光子的频率 v 与波长之间的关系为 ，所以光子的能量：cvJhcvE18063.2解析：由 EhV 和 。可得 ，因此所求光子的波长为：m/s0.V8nm5141234 09.95.0. 3紫光的能量最大，这种光不一定最亮，因为人对光的亮度的除了光子能量大小外， 还和光的多少及人对某种光的敏感度有关4从表中查得，锌的极限频率 ，这样的光子能量为：Hzv1407.8JhvE19035.5根据题意，汞要发生光电效应时吸收的光子的能量至少应为 ，相应J19027.的 频率为：，HzzhEv1534190
15、.06.27这种光子的波长为：，nmmvc27317.21.68可见光的波长约在 400nm770nm 之间，所以不能用可见光照射汞的表面来产生光电子【同步达纲练习】1两种单色光分别垂直入射矩形玻璃砖的同一侧面，从另一侧面射出，经历时间，则两种光子的能量的关系是：batA B baEbaEC D无法比较 、 的大小ab2当加在光电管两极间的正向电压足够高时，光电流达到饱和值，若想增大饱和光电流，应采取的有效方法是：A增大照射光的波长 B增大照射光的频率C增大照射光的光强 D继续增高正向电压3一细束平行光线经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光，分别照到相同的金属板 a、b、c 上，如图 21
16、-4 所示，已知金属板 b 上有光电子放出，则可知：A板 a 一定不放出光电子 B板 a 一定放出光电子C板 c 一定不放出光电子 D板 c 一定放出光电子4每个光子具有 5eV 能量的光束射向金属板的表面后，从金属板表面逸出的光电子的最大初动能为 15eV，为了使这种金属产生光电效应，入射光子的最低能量必须是_，为了使这种金属逸出光电子的初动能加倍，则入射光子的能量应为_5关于光电效应的规律，下面说法中正确的是：A当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大B当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，产生的光电子数越多C同一频
17、率的光照射不同的金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大D对某金属，入射光波长必须小于某一极限波长，才能产生光电效应6如图 21-5 所示为光电管电路的示意图，在光电管电路中：A能够把光信号转变为电信号B电路中的电流是由光电子的运动形成的C光照射到光电管的 A 极产生光电子并飞向 K 极D光照射到光电管的 K 极产生光电子并飞向 A 极参考答案【同步达纲练习】1A（点拨：由 ，且位移相等，可说明在玻璃里 ，因而 a 的频率大于batbaVb 的频率，由 E=hv，得 A。 ）2C3D（点拨：一束平行光经三棱镜折射后将向底边偏折，光的频率越高，对于确定的三棱镜的
18、折射率越大，偏折角越大，由图中可以确定，经三棱镜分解的三束光中，射向金属板 c 的光频率最高，射向金属板 a 的光频率最低，而对于同样的金属板，它们的逸出功相等，当 b 板中有光电子飞出时，c 板中一定有光电子放出；而 a 板是否有光电子放出是不确定的，只有 a 光的光子能量大于金属板的逸出功时，才会有光电子飞出。 ）43.5eV；6.5eV（点拨：可由光电效应方程求解。 ）5A、B、D（点拨：光电效应方程： ，对于某种金属，其逸出功是一个WhvEk定值，当照射光的频率一定时，光子的能量是一定的，产生的光电子的最大动能也是一定的。若提高光的频率，则产生的光电子的最大初动能也将增大，要想使某种金
19、属发生光电效应，必须使照射光的频率高于金属的极限频率，因刚好发生光电效应时，光电子的初动能为零，有 ， ，又 ，若照射光频率 ，即 时Whv0h00cv0vWhc0能发生光电效应，同一频率的光照射到不同的金属上时，因各种金属的逸出功不同，产生的光电子的最大初动能也不同，逸出功越小，即电子摆脱金属的束缚越容易，电子脱离金属表面时获得的动能越大；若照射光的频率不变，对于特定的金属，增加光的强度，不会增加光电子的最大初动能，因频率不变时，照射光的光子能量不变，但由于光强的增加，照射光的光子数目增多，因而产生的光子数目也随之增多。 ）6A、B、D（点拨：在光电管中，当光照射到阴极 K 时，将发射出光电子，被 A 极的正向电压吸引而奔向 A 极，形成光电流，使电路路导通，照射光的强度越大，产生的光电流越大，这样就把光信号转变为电信号，实现了光电转换。 ）
