1、第二节 光电效应与光的量子性 课前自主学习： 一、光电效应、光的波动说的困难 1定义：光照射在金属表面上时，金属中的电子因吸收光的能量而逸出金属表面的现象 2光电效应的特征 (1)任何金属均存在截止频率(极限频率)，只有_截止频率，才能引起光电效应 (2)发生光电效应时，光电流的大小由_决定，_越大，光电流越大 (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成_关系 (4)光电效应具有瞬时性，发生时间不超过 109 s. 3光的波动说无法解释光电效应现象 二、光量子概念的提出、光电效应方程 1光子说：爱因斯坦提出，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一 个光量子，简称_ 2光子的能量
2、h ，其中 指光的_光电效应显示了光的_ 3光电效应方程：_ 4光的量子说能很好地解释光电效应现象 教学目标 1通过对实验现象的观察，认识光电效应现象，知道光电效应的实验规律。 2通过自主学习、讨论交流，理解爱因斯坦光电效应方程以及意义。 3通过对比分析知道光子的概念和能量、动量 4经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题， 验证物理规律。 教学重点 光电效应的实验规律 教学难点 爱因斯坦光电效应方程以及意义 设计思想： 教学方法 教师启发、引导，学生讨论、交流。 教学资源： 投影片，多媒体辅助教学设备 教学设计： 课本中先介绍光电效应现象，再学习光子说，最后用
3、光子说解释光电效应现象产生的原 因。本节内容说明光具有粒子性，从而引出量子论的基本知识。光电效应有如下特点： 光电效应在极短的时间内完成；入射光的频率大于金属的极限频率才会发生光电效应现 象；在已经发生光电效应的条件下，逸出的光电子的数量跟入射光的强度成正比；在 已经发生光电效应的条件下，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大。 对于光电效应现象先要求学生记住光电效应的实验现象，然后运用光子说去解释它， 这样可以加深学生的理解。学生应该会根据逸出功求发生光电效应的极限频率，可以运用 爱因斯坦光电效应方程进行简单计算。 引入新课 问题 1：人类对光的本性的认识的发展经历了哪些主要过程？（多媒
4、体投影，见课件。 ） 学生阅读教材、思考，并回答。 小结：光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。 19 世纪 60 年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正 当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象 光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到 了发展。 新课教学 学习活动一认识光电效应 实验演示（课件辅助讲述）： 用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用 导线与不带电的验电器相连） ，使验电 器张角 增大到约为 30 度时，再用与丝绸磨擦过的玻 璃棒去靠近锌板，则验电器的
5、指针张角会变大。 学生：认真观察实验。 问题：上述实验说明了什么？ 学生：表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。 概念：在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出 来的电子叫做光电子。 学习活动二：光电效应的实验规律 光电效应实验（有条件可以做，没有条件可以用多媒体播放）： 如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出- 光电子。 光电子在电场作用下形成光电流。 问题 1：遏止电压 将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。 当 K、 A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压 达到某一值 Uc 时，光电流恰为 0。 Uc 称遏止电压。
6、根据动 能定理，有 问题 2：光电效应实验规律是什么？ 光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成 21cevm 正比。 截止频率 c -极限频率 对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率 c 。 当入射光频率 c 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率 c 时，无论 光强多大也无电子逸出金属表面。 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10 -9s。 学习活动三光电效应解释中的疑难 问题：光电效应现象与经典理论之间产生了什么矛盾？ 学生阅读教材： 小结：经典理论无法解释光电效应的实验结果。经典理论认为，按照经典电磁理论， 入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用
7、在金属中电子上的力也就越大， 光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大， 不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。 光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频 率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论 光强再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能 量要时间，即需能量的积累过程。 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假 设。 学习活动四：爱因斯坦的光量子假设 问题 1：爱因斯坦的光量子说内容是什么？ （1）内容光
8、不仅在发射和吸收时以能量为 h 的微粒形式出现，而且在空间传播时也 是如此。也就是说，频率为 的光是由大量能量为 E =h 的光子组成的粒子流，这些光 子沿光的传播方向以光速 c 运动。 （2）爱因斯坦光电效应方程在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消 耗在电子逸出功 W0，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek 。由能量守恒可得出： W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功 Wk为光电子的最大初动能。 问题 2：爱因斯坦的光子说是如何光电效应进行解释？ 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。 从方 程
9、可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系 0hk 从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率： hWc0 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它 完全违背了光的波动理论。 例 1锌的逸出功为 5.3510-19J，用下列频率的光照射锌板时，能使锌版发生光电效应的 是（ ） A5.810 14Hz 的绿光 B5.010 14Hz 的黄光 C7.510 14Hz 的紫光 D9.210 14Hz 的紫外线 例 2使金属钠产生光电效应的光的最大波长是 0.5m，求： （1）金属钠的逸出功； （2）现用频率在 3.91014Hz 到 7.51014Hz 范围内
10、的光照射钠，能产生光电效应的频率 范围是多少？ 问题 3：那些理论或实验对光电效应理论进行了验证？ 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在 1915 年证实了爱 因斯坦光电效应方程， h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。 展示演示文稿资料：爱因斯坦和密立根 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获 1921 年诺贝尔 物理学奖。密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷 有最小单位。获得 1923 年诺贝尔物理学奖。 点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进 行发放教
11、育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。 例 1. (2011 年高考广东理综卷)光电效应实验中，下列表述正确的是( ) A光照时间越长光电流越大 B入射光足够强就可以有光电流 C遏止电压与入射光的频率有关 D入射光频率大于极限频率才能产生光电子 解析： 在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多 大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小， 故 A、B 错误，D 正确由 eU0 Ek， Ek h W，可知 U( h W)/e，即遏止电压与 入射光频率 有关 【答案】 CD 变式训练 1 下列光子说解释光电效应规
12、律的说法中，正确的有( ) A存在极限频率是因为各种金属都有一定的逸出功 B光的频率越高，电子得到光子的能量越大，逸出后飞离金属的最大初动能越大 C电子吸收光子的能量后动能立即增加，成为光电子不需要时间 D光的强度越大，单位时间内入射光子数越多，光电子数越多，光电流越大 解析：选 ABD.由于各种金属都有一定的逸出功，因此光照射金属时电子不一定逸出，所以 存在极限频率，A 选项正确；光的频率越高，电子得到的光子的能量越大，克服逸出功后 飞离金属的最大初动能越大，B 选项正确；电子吸收光子的能量后不一定逸出，也不一定 成为光电子，C 选项错误；产生光电效应后，光的强度越大，产生光电效应的电子越多
13、， 逸出的光电子也就越多，光电流也就越大，D 选项正确 例 2.在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电 效应，实验测得光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率 的关系如图所示，由实验图线可求出( ) A该金属的极限频率和极限波长 B普朗克常量 C该金属的逸出功 D单位时间内逸出的光电子数 【思路点拨】 由题目可知光电子的最大初动能与入射光频率之间的关系图像，解答本题 可先由光电效应方程写出最大初动能与入射光频率的关系式，再明确图像的斜率、截距等 的物理意义，进而分析判断 【解答】 依据光电效应方程 Ek h W 可知，当 Ek0 时， 0，即图像中横坐标 的截距在数值上等于金属的极限频
14、率 图线的斜率 ktan .可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量据图像，假设图线的延 长线与 Ek 轴的交点为 C，其截距为 W，有 tan W/ 0.而 tan h，所以 W h 0.即图 像中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功 【答案】 ABC 变式训练 2 用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子 的最大初动能 Ek 随入射光频率 变化的 Ek 图像已知钨的逸出功是 3.28 eV，锌的 逸出功是 3.34 eV，若将二者的图线画在同一个坐标图中，以实线表示钨，虚线表示锌， 如图所示，能正确反映这一过程的图像是( ) 解析：选 A.根据光电效应方程 Ek h
15、 W 可知 Ek 图像的斜率为普朗克常量 h，因此 图中两线应平行，C、D 错；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应(光电子动能为零)时 的入射光频率即极限频率由光电效应方程可知，逸出功越大的金属对应的入射光的频率 越高，所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高所以 A 对，B 错 问题 4：光电效应在近代技术中的应用有哪些？ （1）光控继电器可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。 （2）光电倍增管可对微弱光线进行 放大， 可使光电流放大 105108倍，灵敏度高， 用在 工程、天文、科研、军事等方面。 【针对训练】 1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块 锌板与灵敏验电器相
16、连，用弧光灯照射锌板时，验 电器指针张开一个角度，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锌板带负电，指针带正电 D锌板带负电，指针带负电 2、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电 效应（ ） A. 增大入射光的强度 B. 增加光的照射时间 C. 改用黄光照射 D. 改用紫光照射 3、某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出，若光的频率不变而强度减弱， 那么下述结论中正确的是 A光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出 B逸出的电子数一定减少 C逸出的电子数有可能增加 D逸出的电子数有可能不变 4、下列关于光
17、电效应的说法正确的是（ ） A光电子的动能随照射光频率的增大而增大 B光电子的初速度与照射光的频率成正比 C光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 D光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大 5、用绿光照射一光电管能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大应（ ） A改用红光照射 B增大绿光的强度 C增大光电管上的加速电压 D改用紫光照射 6、波长为 0.17m 的紫外线照射至金属筒上能使其发射光电子，光电子在磁感强度为 B 的匀强磁场中，做最大半径为 r 的匀速圆周运动时，已知 rB=5.610-6Tm，光电子 质量 m=9.110-31Kg，电量 e =1.610-19C，求
18、： (1)每个光电子的最大初动能； (2)金属筒的逸出功 参考答案：1.B 2.D 3.B 4.D 5.D 6. (1)4.4110-19J (2)7.310-19J 【课后检测】 1用光照射金属表面，没有发射光电子，这可能是( ) A入射光强度太小 B照射的时间太短 C光的波长太短 D光的频率太低 2光照射到某金属表面，金属表面有光电子逸出，则( ) A若入射光的频率增加，光的强度减弱，那么逸出电子的最大初动能可能不变 B若入射光的频率不变，光的强度减弱，那么单位时间内逸出电子数目减少 C若入射光的频率不变，光的强度减弱到不为零的某一数值时，可能不再有电子逸出 D若入射光的频率增加，而强度不
19、变，那么单位时间内逸出电子数目不变，而光电子的 最大初动能增大 3用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是（ ） A有电了从锌板飞出 B有光子从锌板飞出 C验电器内的金属箔带正电 D验电器内的金属箔带负电 4某介质中光子的能量是 E，波长是 ,则此介质的折射率是（ ） AE/h BE/ch Cch/E Dh/E 5如图所示，用一束光照射光电管时，电流表 A 中有一定读数，下 列措施中有可能使电流表的示数增大的是（ ） A增大入射光的频率 B增大入射光的强度 C滑片 P 向右移动 D滑片 P 向左移动 6如图所示，a、b 是两束频率不同的单色光，当它们从真空中以相 同的入射
20、角射入玻璃中，发生了如图所示的折射，则下面说法中正确 的是（ ） A玻璃对光束 a 的折射率大 B若光从玻璃射向空气，光束 a 的临界角比光束 b 的临界角 大 C光束 a 中的光子的能量较小 D在玻璃中光束 a 的波长较长 7光电管是一种把 信号转换成 信号的器件，它常用于自动化装置及 、 等技术装置里。 8某单色光源的输出功率 1W，单色光的波长为 0.6m，该光源每秒钟发射的光子数约为 个。 （保留两位有效数字） 9甲、乙两种单色光分别垂直进入同一块玻璃砖，已知它们在玻璃中通过的时间甲t 乙 ，那么这两种单色光光子在玻璃中的能量 甲E、 乙 的大小关系是 ，这 两种单色光子在真空中能量
21、甲E、 乙 的大小关系是 。 10钠在紫光照射下，产生光电效应并形成光电流，若减小紫光的强度，则随之减小的物 理量是（ ） A光电流强度 B光电子的最大初动能 C紫光光子的能量 D钠的极限频率 11用绿光照射一光电管的阴极时，产生光电效应，欲使光子从阴极逸出时的最大初动能 增大，应采取的措施是（ ） A改用红光照射 B改用紫光照射 C增大绿光的强度 D增大加在光电管上的正向电压 12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，则逸出的光 电子数将 ，逸出电子的最大初动能将 ；如改用一束强度相同的紫光照 射，逸出的电子的最大初动能将 。 13甲、乙两种单色光分别照射某金属，用
22、甲光照射时能产生光电效应，用乙光照射时不 能产生光电效应，则（ ） A甲光的强度大于乙光的强度 B甲光的频度大于乙光的频率 C甲光的波长大于乙光的波长 D甲光的照射时间大于乙光的照射时间 14关于光子的能量，下述说法中正确的是（ ） A光子的能量跟它在真空中的波长成正比 B光子的能量跟它在真空中的波长成反比 C光子的能量跟光子的速度成正比 D光子的能量跟光子的速度的平方成正比 15在利用光电管做光电效应的实验中，能否产生光电效应应由 决定， 光电流强度的最大值由 决定。 16如图所示，一静电计与锌板连接，用一紫外线灯 照 射锌板，关灯后，指针保持一定角度， （1）一带负电 的 金属小球与锌板接
23、触，则静电计指针偏角将 。 （ 2）使静电计指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的 黄 光照射锌板，静电计指针无偏转，那么，若改用强度 更 大的红外线照射锌板，可观察到的静电计指针 （填“有”或“无” ）偏转。 17 “神光“装置是我国规模最大、国际上为数不多的高功率固体激光系统，利用它每秒 钟可获得能量为 2400J、波长为 0.35m 的紫外激光。已知普朗克常数 h=6.6310- 34Js，每秒钟紫外激光所含光子数为 个。 （取两位有效数字） 18如图所示是测定光电效应产生的光电子比荷的简要实验原理图，两块平行板相距为 d，其中 N 为金属板，受紫外线照射后，将发射沿不同方向运动的光电子，
24、形成电流，从而 引起电流计 G 的指针偏转，若调节 R0逐渐增大极板间电压，可以发现电流逐渐减小，当电 压表示数为 U 时，电流恰好为零。切断开关 S，在 MN 间加垂直于纸面的匀强磁场，逐渐增 大磁感强度，也能使电流为零，当磁感强度为 B 时，电流恰为零。试求光电子的比荷 e m。 G A V P E r S N M b a R0 19一光电管的阴极用极限波长 0=5000 的钠制成。用波长 =3000 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=2.1V，光电流的饱和值 I=0.56mA。 (l)求每秒内由 K 极发射的电子数。 (2)求电子到达 A 极时的最大动能。 (3)如果电势差 U 不变，而照射光的强度增到原值的 3 倍，此时电子到达 A 极时的最大 动能是多少？(普朗克恒量 h=6.6310-34Js，电子的电量 e=1.610- 19C，110 10 m)。
