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学案1 量子概念的诞生 光电效应与光的量子说[学习目标定位] 1.了解黑体与黑体辐射，知道辐射强度与波长的关系.2.了解能量子的概念及提出的过程.3.知道光电效应现象及其实验规律.4.掌握爱因斯坦光电效应方程及其意义．1．各种色光的频率：从红到紫的频率依次变大．2．光的波长λ与频率ν的关系：c ＝λν，式中c 为光速．3．热辐射：我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，而且辐射强度随波长如何分布都与物体的温度相关，所以物理上把这种辐射称为热辐射．4．黑体与黑体辐射(1)黑体：如果某物体能全部吸收外来的电磁波而不发生反射，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体．(2)黑体辐射：黑体辐射的状况只与黑体的温度有关，与材料的种类及表面状况无关．(3)黑体辐射的规律：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都增加，另一方面，辐射强度的最大值向波长较短的方向移动．5．普朗克提出的能量子概念(1)谐振子具有的能量是不连续的，而只能取一些分立的值，即E n ＝nhν(n ＝0,1,2,3，…)，这就是说能量E 只能取hν的整数倍，最小的一份能量为hν，称为能量子．式中ν是谐振动的频率，h 是一个常数，称为普朗克常量，为了便于计算，它的值通常取h ＝6.63×10－34 J·s.(2)能量子概念的引入，标志着量子论的诞生，敲开了人类认识微观世界的大门．6．光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面，这种现象称为光电效应，逸出的电子称为光电子．7．光子说(1)光本身就是由一个个不可分割的能量子组成，这些能量子称为光子，频率为ν的光子的能量为ε＝hν.(2)爱因斯坦光电效应方程：hν＝12m v 2＋W ，其中W 为电子由金属内逸出表面时所需做的功，叫逸出功.一、光电效应产生的条件[问题设计]实验：探究光电效应产生的条件如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上．图1(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象是________________________________________．(2)若在弧光灯和金属板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象是________________________________________________________________________．(3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象是________________________________________________________________________．答案(1)验电器偏角张开．说明锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电．(2)指针偏角明显减小．因为紫外线不能穿过玻璃板而可见光和红外线却能，由此说明金属板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光和红外线．(3)观察不到指针的偏转，说明可见光不能使锌板发生光电效应．[要点提炼]1．光电效应的实质：光现象转化为,电现象．2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．3．金属都存在一个极限频率，只有入射光的频率大于该金属的极限频率时光电效应才能发生．例1如图2所示，用弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是()图2A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红光照射锌板，验电器指针会发生偏转C．锌板带的是负电荷D．使验电器指针发生偏转的是正电荷解析将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电．这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，选项A、D正确．红光不能使锌板发生光电效应．答案AD二、光电效应的规律[问题设计]如图3所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K用铯做成．电源加在K 和A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调．图3(1)加在光电管两极间电压为零时，用紫光照射阴极，回路中有电流吗？改变入射光强度，光电流大小如何变化？(2)保持入射光的强度不变，更换滤色片以改变入射光频率，使光由紫光→蓝光→绿光→红光，会看到什么现象？这说明什么？(3)在紫光照射下，加上反向电压，直至电流为0.改变光强做两次，记录下各个遏止电压的值；改用蓝光和绿光再各做一次，也记录下遏止电压的值．你发现什么规律？(4)遏止电压U与光电子的最大初动能E km什么关系？由上述实验数据说明最大初动能与什么有关？答案(1)有．光越强，光电流越大．(2)紫光、蓝光、绿光照射下有光电流，红光则没有．说明入射光的频率低于某一极限频率时将不能产生光电效应．(3)用紫光照射，不管光强如何，遏止电压相同；由紫光换成蓝光→绿光，遏止电压减小．说明遏止电压随入射光频率的减小而减小．(4)根据动能定理eU＝E km，遏止电压不同说明光电子的最大初动能只与入射光频率有关，且随入射光频率的增大而增大．[要点提炼]1．光电效应的四条规律(1)极限频率的存在：入射光的频率必须大于ν0，才能产生光电效应，与入射光强度及照射时间无关．(2)光电子的最大初动能随着入射光频率的增加而增加，而与入射光强度无关．(3)当产生光电效应时，光电流大小随入射光强度的增大而增大．(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9_s.2．掌握三个概念的含义(1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初动能；(2)入射光强度决定着单位时间内发射的光子数；(3)饱和光电流决定着单位时间内发射的光电子数．例2如图4所示，电路中各元件完好，光照射到阴极K.灵敏电流计没有示数，其可能原因是()图4A．入射光强度太弱B．入射光的频率太小C．光照时间短D．电源正负极接反解析题图所示电路中形成电流需要具备两个条件：一是阴极K在光照射下有光电子逸出，二是溢出的光电子应该能在电路中定向移动到达阳极A.光电子的逸出取决于入射光的频率ν，只有入射光的频率大于截止频率ν0时才有光电子逸出，与入射光的强度和时间无关，A、C错，B对；光电子能否达到阳极A，取决于光电子的初动能大小和两极间所加电压的正负和大小共同决定，一旦电源接反了且电压大于遏止电压，即使具有最大初动能的光电子也不能达到阳极，即使发生了光电效应现象，电路中也不会有光电流，D对，所以正确选项为B、D.答案BD针对训练当用绿光照射光电管阴极K时，可以发生光电效应，则下列说法正确的是() A．增大绿光照射强度，光电子的最大初动能增大B．增大绿光照射强度，电路中光电流增大C．改用比绿光波长大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流D．改用比绿光频率大的光照射光电管阴极K时，电路中一定有光电流答案 D解析光电流与光强有关，光越强光电流越大，故B对；最大初动能与光强无关，故A错；当改用频率更大的光照射时，一定能发生光电效应现象，因此有光电流，故C错，D对．三、爱因斯坦光电效应方程[要点提炼]对光电效应方程hν＝12m v 2＋W 的理解 (1)光电效应方程实质上是能量守恒方程．能量为ε＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W ，则电子离开金属表面时动能最大为E k ，根据能量守恒定律可知：E k ＝hν－W .(2)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E k ＝hν－W >0，亦即hν>W ，ν>W h＝ν0，而ν0＝W h恰好是光电效应的截止频率． (3)E km －ν曲线．如图5所示是光电子最大初动能E km 随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．图5例3 如图6所示，当电键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．合上电键，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( )图6A ．1.9 eVB ．0.6 eVC ．2.5 eVD ．3.1 eV解析 由题意知光电子的最大初动能为E k ＝eU ＝0.6 eV所以根据光电效应方程E k ＝hν－W可得W ＝hν－E k ＝(2.5－0.6) eV ＝1.9 eV .答案A能量量子化光的粒子性⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧ 黑体辐射的特性能量子：普朗克假说ε＝hν光电效应⎩⎪⎨⎪⎧ 光现象转化电现象实质：电子吸收光子光电子实验规律光子说：ε＝hν爱因斯坦光电效应方程⎩⎪⎨⎪⎧ hν＝12m v 2＋W 解释光电效应1．下列关于光子说对光电效应的解释正确的是( )A ．金属表面的一个电子只能吸收一个光子B ．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子C ．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出D ．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子 答案 A解析 根据光电效应规律可知：金属中的一个电子只能吸收一份光子的能量，一个光子的能量也只能交给一个电子．电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程，不存在一个电子吸收若干光子的现象．且只有当入射光的能量不低于该金属电子的逸出功时，才能发生光电效应，即入射光频率不低于金属的极限频率时才能发生光电效应．2.如图7所示是光电效应中光电子的最大初动能E km 与入射光频率ν的关系图像．从图中可知()图7A ．E km 与ν成正比B．入射光频率必须大于或等于极限频率ν0时，才能产生光电效应C．对同一种金属而言，E km仅与ν有关D．E km与入射光强度成正比答案BC解析由E km＝hν－W知B、C正确，A、D错误．3．用同一束单色光，在同一条件下先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，在这两个过程中，对于下列四个量，一定相同的是______，可能相同的是______，一定不同的是______．A．光子的能量B．光电子的逸出功C．光电子的动能D．光电子的初动能答案A CD B解析光子的能量由光的频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同．逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定．锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同．由E k＝hν－W，照射光子能量hν相同，逸出功W不同，则电子最大初动能也不同．由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的动能可能分布在零到最大初动能之间．所以，光电子的动能或初动能是可能相等的．4．神光“Ⅱ”装置是我国规模最大的高功率固体激光系统，利用它可获得能量为2 400 J、波长λ＝0.35 μm的紫外激光．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则该紫外激光所含光子数为多少？答案 4.23×1021(个)解析紫外激光的波长已知，由此可求得紫外激光能量子的值，再根据紫外激光发射的总能量为2 400 J，即可求得紫外激光所含光子数．紫外激光能量子的值为ε0＝hcλ＝6.63×10－34×3×1080.35×10－6J≈5.68×10－19 J.则该紫外激光所含光子数n＝Eε0＝2 4005.68×10－19≈4.23×1021(个)．。
2光电效应与光的量子说1.入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,那么()A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能将减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减小D.有可能不发生光电效应解析:发生光电效应几乎是瞬时的,所以A项错;入射光强度减弱,说明单位时间内的入射光子数目减少;频率不变,说明光子能量不变,逸出的光电子最大初动能也就不变,B项错;入射光子数目减少,逸出的光电子的数目也就减少,故C项正确;入射光照射到某金属表面上发生光电效应,说明入射光的频率高于这种金属的极限频率,只要入射光频率一定就能发生光电效应,故D项错.答案:C2.(多选)右图是光电效应中光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系图像.从图中可知()A.E k与ν成正比B.入射光频率必须大于或等于截止频率νc时,才能产生光电效应C.对同一种金属而言,E k仅与ν有关D.E k与入射光强度成正比解析:由E k=hν-W0知B、C正确,A、D错误.答案:BC3.(多选)光电效应的实验结论是对于某种金属()A.无论光强多强,只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应B.无论光的频率多低,只要光照时间足够长就能产生光电效应C.超过极限频率的入射光强度越弱,所产生的光电子的最大初动能就越小D.超过极限频率的入射光的频率越高,所产生的光电子的最大初动能就越大mv max2=hν-W,频率ν越高,光电解析:根据光电效应规律可知A正确,B、C错误.根据光电效应方程12子的最大初动能就越大,D正确.故正确选项为A、D.答案:AD4.硅光电池是利用光电效应原理制成的器件,下列表述正确的是()A.硅光电池是把光能转变为电能的一种装置B.硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出C.逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关D.任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应解析:电池是把其他形式的能转化成电能的装置,而硅光电池是把光能转化为电能的一种装置,A对;吸收了光子能量的电子只有一部分能逸出,B错;逸出光电子的最大初动能E k=hν-W与入射光频率有关,C错;频率低于极限频率的光不能在硅光电池上产生光电效应,D错.故正确选项为A.答案:A5.(多选)用如图所示的装置研究光电效应现象.当用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,电流表G的示数不为零;移动变阻器的滑片c,发现当电压表的示数大于或等于1.7 V 时,电流表示数为0,则下列说法正确的是()A.光电子的最大初动能始终为1.05 eVB.光电管阴极的逸出功为1.05 eVC.当滑片向a端滑动时,反向电压增大,电流增大D.改用能量为2.5 eV的光子照射,移动变阻器的滑片c,电流表G中也可能有电流解析:由爱因斯坦光电效应方程E k=hν-W0可知,同种金属的逸出功相同,所以光电子逸出后的初动能取决于获得的能量,A错误;当电压表示数大于或等于1.7 V时,电流表无示数,说明遏止电压为1.7 V,由eU=1mv2,可求得光电管的逸出功为1.05 eV,B正确;若光的频率不变,反向电压大于遏止电压后电2路中就不再有电流,C错误;当入射光频率超过截止频率,且反向电压小于遏止电压,电路中就会有电流,D正确.答案:BD6.图甲是光电效应的实验装置图,图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像,下列说法不正确的是()甲乙A.由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大B.由图线①、②、③可知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.不论哪种颜色的入射光,只要光足够强,就能发生光电效应解析:由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和光电流越大,故A说法正确;根据光电效应方程可得E km=hν-W0=eU c,可知入射光频率越大,最大初动能越大,遏止电压越大,可知对于确定的金属,遏止电压与入射光的频率有关,故B说法正确;根据最大初动能E km=eU c中,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,故C说法正确;发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率,与入射光的强度无关,故D说法错误.答案:D7.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)图甲中电极A为光电管的(选填“阴极”或“阳极”);(2)实验中测得铷的遏止电压U c与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,则铷的截止频率νc=Hz,逸出功W0= 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E k= J.解析:(1)在光电效应中,电子向A极运动,故电极A为光电管的阳极.(2)由题图可知,铷的截止频率νc为5.15×1014 Hz,逸出功W0=hνc=6.63×10-34×5.15×1014 J≈3.41×10-19 J.(3)当入射光的频率为ν=7.00×1014 Hz时,由E k=hν-hνc得,光电子的最大初动能为E k=6.63×10-34×(7.00-5.15)×1014 J≈1.23×10-19 J.答案:(1)阳极(2)5.15×10143.41×10-19(3)1.23×10-198.铝的逸出功为4.2 eV,现用波长200 nm的光照射铝的表面.已知h=6.63×10-34 J·s,求:(1)光电子的最大初动能;(2)遏止电压;(3)铝的截止频率.解析:(1)根据光电效应方程E k=hν-W0有E k=ℎcλ-W0=6.63×10-34×3.0×108200×10-9J-4.2×1.6×10-19 J=3.225×10-19 J.(2)由E k=eU c可得U c=E ke =3.225×10-191.6×10-19V=2.016 V.(3)由hνc=W0得νc=W0ℎ=4.2×1.6×10-196.63×10-34Hz=1.014×1015 Hz.答案:(1)3.225×10-19 J(2)2.016 V(3)1.014×1015 Hz。
