高中物理第四章波粒二象性光电效应与光量子假说导学案教科选修

2 光电效应与光量子假说

[目标定位] 1.知道光电效应现象，能说出光电效应的实验规律.2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题.

一、光电效应

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逸出的现象． 2．光电子：光电效应中发射出来的电子． 3．光电效应的实验规律

(1)对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应． (2)光电流的大小由光强决定，光强愈大，光电流愈大． (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系．

(4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9

s. 想一想 紫外线灯照射锌板，为什么与锌板相连的验电器指针张开一个角度？

答案 紫外线灯照射锌板，发生光电效应现象，锌板上的电子飞出锌板，使锌板带正电，与锌板相连的验电器也会因而带正电，使得验电器指针张开一个角度． 二、爱因斯坦的光电效应方程

1．光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν.

2．爱因斯坦光电效应方程的表达式：hν＝12mv 2

＋A.其中A 为电子从金属内逸出表面时所需做的功．

想一想 怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？

答案 爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量，逸出功A 是光子飞出金属表面消耗的能量，12mv

2

是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律．

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

问题1 问题2 问题3

一、光电效应现象

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．光电子：光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子．

【例1】 一验电器与锌板相连(如图1所示)，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角．

图1

(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将________(填“增大”、“减小”或“不变”)．

(2)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针________(填“有”或“无”)偏转． 答案 (1)减小 (2)无

解析 当用紫外线灯照射锌板时，锌板发生光电效应，锌板放出光电子而带上正电，此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电，故指针发生了偏转．当带负电的小球与锌板接触后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小．使验电器指针回到零，用钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外光比黄光的频率还要低，更不可能使锌板发生光电效应．能否发生光电效应与入射光的强弱无关． 二、光电效应的实验规律 1．对光电效应的理解

(1)入射光的强度：指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量，是由入射光子数和入射光子的频率决定的．可用P ＝nhν表示，其中n 为单位时间内的光子数．

(2)在入射光频率不变的情况下，光的强度与单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数成正比． (3)对于不同频率的入射光，即使光的强度相等，在单位时间内照射到金属单位面积的光子数也不相同，从金属表面逸出的光电子数不同，形成的光电流不同．

(4)饱和光电流：指光电流的最大值(即饱和值)，在光电流未达到最大值之前，因光电子尚未全部形成光电流，所以光电流的大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，电压越大，被吸引变成光电流的光电子越多．

(5)饱和光电流与入射光的强度成正比：在入射光频率不变的情况下，光电流的最大值与入射光的强度成正比．原因是在高电压下光电子个数决定了光电流大小，而电子个数决定于入射光强度．“频率高，光子能量大，光就强，产生的光电流也强”、“光电子的初动能大，电子跑得快，光电流就强”等说法均是错误的．

总之，在理解光电效应规律时应特别注意以下几个关系：

照射光频率

决定着⎩⎪⎨⎪⎧

是否产生光电效应发生光电效应时光电子的最大初动能

照射光强度决定着

单位时间内发射出来的电子数 2．爱因斯坦对光电效应的解释

(1)饱和光电流与光强关系

光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和光电流越大，所以，入射光频率一定时，饱和光电流与光强成正比． (2)存在截止频率和遏止电压

爱因斯坦的光电效应方程表明光电子的初动能与入射光频率成线性关系，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关．光电效应方程同时表明，只有hν>A 0时，才有光电子逸出，ν0＝A 0

h 就是光电

效应的截止频率． (3)光电效应具有瞬时性

电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的．

【例2】 利用光电管研究光电效应实验如图2所示，用频率为ν的可见光照射阴极K ，电流表中有电流通过，则( )

图2

A ．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过

B ．用红光照射，电流表一定无电流通过

C ．用频率为ν的可见光照射K ，当滑动变阻器的滑动触头移到A 端时，电流表中一定无电流通过

D ．用频率为ν的可见光照射K ，当滑动变阻器的滑动触头向B 端滑动时，电流表示数可能不变 答案 D

解析 因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A 错误；因不知阴极K 的截止频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，所以选项B 错误；即使U AK ＝0，电流表中也有电流，所以选项C 错误；当滑动触头向B 端滑动时，U AK 增大，阳极A 吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极A 时，电流达到最大，即饱和电流．若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大U AK ，光电流也不会增大，所以选项D 正确．

针对训练1 (多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是( )

A ．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大

B ．入射光的频率变高，饱和光电流变大

C ．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生

D ．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关 答案 AD

解析 根据光电效应规律，保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，则饱和光电流变大，选项A 正确；由爱因斯坦光电效应方程知，入射光的频率变高，产生的光电子最大初动能变大，而饱和光电流与入射光的频率和光强都有关，选项B 错误；保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，当入射光的频率小