53 光电流和最大初动能(85份)

2 光电效应

[学习目标] 1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律(重点)。2.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题(重难点)。

一、光电效应

如图所示，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。

(1)观察到验电器指针如何变化？

(2)这个现象说明什么？

答案 (1)指针张角变小。

(2)说明紫外线会让电子从锌板表面逸出。

1．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，逸出来的电子称为光电子。

2．光电效应的实验规律

(1)存在截止频率：对于给定的阴极材料，都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0。这个最小频率ν0叫作光电效应的截止频率，亦称为极限频率。只有超过截止频率的光，才能引起光电效应。不同金属材料的截止频率不同。

(2)存在饱和光电流：在发生光电效应时，如果外加电压UAK从零开始逐渐增大，则光电流随之增大，但当UAK增大至一定值时，光电流达到最大。此时的光电流称为饱和光电流。在入射光的频率保持不变的条件下，光的强度越大，饱和光电流越大。

(3)光电子的最大初动能只与光的频率有关：光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，它与照射到阴极上的光的强度无关。

(4)光电效应具有瞬时性：只要光的频率大于截止频率，即使用极弱的入射光，光电子也能立刻(约10－9 s)发射出来。 3．光的波动说在解释光电效应时的困难

(1)无法解释光电效应的瞬时性：光电子的产生需要积累能量的过程，光越弱积累能量的时间越长，光电子不可能瞬间产生。 (2)无法解释截止频率的存在：只要光照足够长，总能让金属中的电子吸收到足够的能量，从金属表面逸出，与入射光频率无关。

(3)无法解释逸出的光电子的最大初动能问题：电子接收的能量越多，逸出的电子的最大初动能也越大。

如图是研究光电效应的电路图。请结合装置图及产生的现象回答下列问题。

易错点28 光电效应 波粒二象性

易错总结

一、光电效应方程Ek＝hν－W0的应用

1．光电效应方程的理解

(1)Ek为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W0和光的频率ν有关．

(2)若Ek＝0，则hν＝W0，此时的ν即为金属的截止频率νc.

2．光电效应现象的有关计算

(1)最大初动能的计算：Ek＝hν－W0＝hν－hνc；

(2)截止频率的计算：hνc＝W0，即νc＝W0h；

(3)遏止电压的计算：－eUc＝0－Ek，

即Uc＝Eke＝hν－W0e.

二、光的波粒二象性

1．光的波动性

实验基础：光的干涉和衍射．

2．光的粒子性

(1)实验基础：光电效应、康普顿效应．

(2)表现：①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；②少量或个别光子容易显示出光的粒子性．

(3)说明：①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；②光子不同于宏观观念的粒子．

解题方法

光电效应规律中的四类图像

图像名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量

最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线

①截止频率νc：图线与ν轴交点的横坐标

②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值，即W0＝|－E|＝E

③普朗克常量h：图线的斜率，即h＝k 入射光颜色相同、强度不同时，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标

②饱和电流Im：电流的最大值

③最大初动能：Ek＝eUc

入射光颜色不同时，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc1、Uc2

②饱和电流

③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2

遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率νc：图线与横轴交点的横坐标

②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大

③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压)

【易错跟踪训练】

易错类型：对物理概念理解不透彻

第 1 页 1．光电效应四点规律

(1)任何一种金属都有一个截止频率νc，入射光频率必须大于νc，才能产生光电效应，与入射光强度及照射时间无关．

(2)光电子最大初动能与入射光强度无关，只与入射光频率有关．

(3)当产生光电效应时，单位时间内从金属外表逸出电子数与入射光强度有关．

(4)光电效应几乎是瞬时，发生时间一般不超过10－9 s.

2．掌握三个概念含义

(1)入射光频率决定着能否发生光电效应与光电子最大初动能．

(2)对于一定频率光，入射光强度决定着单位时间内发射光子数；

2．光电效应方程

(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.

(2)对光电效应方程理解：能量为ε＝hν光子被电子所吸收，电子把这些能量一局部用来克制金属外表对它吸引，另一局部就是电子离开金属外表时动能．如果克制吸引力做功最少为W0，电子离开金属外表时最大初动能为Ek，那么根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0.

3．光电效应方程说明了产生光电效应条件．

假设有光电子逸出，那么光电子最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>W0h＝νc，而νc＝W0h恰好是光电效应截止频率． 第 2 页 Ek与入射光频率ν关系图线

1.极限频率：图线与ν轴交点横坐标νc

2.逸出功：图线与Ek轴交点纵坐标绝对值W0＝|－E|＝E

3.普朗克常量：图线斜率k＝h

4.Ek­ν图线是一条倾斜直线，但不过原点，其与横轴、纵轴交点坐标值分别表示极限频率与金属逸出功。

2.颜色一样、强度不同光，光电流与电压关系

1遏止电压Uc：图线与横轴交点

2饱与光电流Im：电流最大值

3最大初动能：Ekm＝eUc

4由I­U图线可以看出，光电流并不是随加速电压增大而一直增大。

3.颜色不同时，光电流与电压关系

Uc1、Uc2

Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2

4.在I­U图线上可以得出结论：同一频率光，即使强度不同，反向遏止电压也一样，不同频率光，反向遏止电压不同，且频率越高，反向遏止电压越大。

考点一 光电效应

1．与光电效应有关的五组概念

(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发射出来的电子，其本质是电子。光子是因，光电子是果。

(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，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，这个饱和值是饱和光电流，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。

(5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。

2.对光电效应规律的理解

1)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。

2)能否发生光电效应,不取决于光的强度和光照时间而取决于光的频率。任何一种金属都有一个截止频率,入射光的频率低于这个频率则不能使该金属发生光电效应。

3)光电效应的发生几乎是瞬时的。

4)五个关系：

最大初动能与入射光频率的关系:Ek=hν-W0（光电子的最大初动能与入射光的强度无关）．

最大初动能与遏止电压Uc的关系:Ek=eUc,Uc可以利用光电管实验的方法测得．

逸出功W0与极限频率νc的关系:W0=hνc。

光子频率一定时光照强度与光电流的关系：光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大．

光子频率与最大初动能的关系：光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．

(5)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关。

(6)若入射光子的能量恰等于金属的逸出功W0,则光电子的最大初动能为零,入射光的频率就是金属的截止频率。此时有hνc=W0,即νc=𝑾𝟎𝒉,可求出截止频率。

考点二 光电效应的图像问题