資源簡介

2．光電效應(yīng)
[學習任務(wù)]　任務(wù)1．了解光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實驗規(guī)律。
任務(wù)2．了解愛因斯坦光電效應(yīng)理論及其意義，能用愛因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。
任務(wù)3．了解康普頓效應(yīng)及其意義。
任務(wù)4．能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。
[問題初探]　問題1．光子與光電子有何區(qū)別？
問題2．研究光電效應(yīng)的電路圖中A、K分別叫什么極？A極和K極誰的電勢較高？
問題3．發(fā)生光電效應(yīng)一定要用不可見光嗎？
問題4．遏止電壓與光的頻率成正比嗎？
問題5．光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)研究問題的角度有何不同？
[思維導圖]
　光電效應(yīng)的實驗規(guī)律及經(jīng)典解釋中的疑難
[鏈接教材]　把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。
(1)這個現(xiàn)象說明了什么問題？
(2)若使鋅板帶正電，重復上述操作，觀察到指針并不立即落下，這說明什么問題？
提示：(1)在紫外線燈照射下，電子從鋅板表面逸出。(2)紫外線燈照射時，正電荷不能從鋅板表面飛出去。
1．光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。
2．光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子。
3．光電效應(yīng)的實驗規(guī)律
(1)存在截止頻率：當入射光的頻率低于截止頻率νc時不發(fā)生光電效應(yīng)。
(2)存在飽和電流：在光的頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大。
(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓，滿足＝eUc。
(4)光電效應(yīng)具有瞬時性：光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的。
[微提醒]　1．光電流的方向始終由陽極A到陰極K。
2．光電效應(yīng)的實質(zhì)是光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。
3．光的頻率決定光的顏色，頻率不同，顏色不同。
4．逸出功：使電子脫離某種金屬，需要外界對它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，用W0表示。不同種類的金屬，其逸出功的大小不相同。
5．光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難
(1)不應(yīng)存在截止頻率。
(2)遏止電壓Uc應(yīng)該與光的強弱有關(guān)。
(3)弱光照射時，電子獲得逸出表面所需的能量需要的時間應(yīng)遠遠大于實驗中產(chǎn)生光電流的時間。
如圖所示是研究光電效應(yīng)的電路圖。
問題1．閉合開關(guān)后，當電壓表的示數(shù)為0時，電流表的示數(shù)不是0，說明了什么？
問題2．閉合開關(guān)，將滑動變阻器的滑片向右移動，會觀察到什么現(xiàn)象？說明了什么？
問題3．若將電源的正負極對調(diào)，閉合開關(guān)，滑動變阻器的滑片向右移動時，又會觀察到什么現(xiàn)象？說明了什么？
問題4．對于問題3中的現(xiàn)象，同一頻率的入射光強弱不同時，觀察到什么現(xiàn)象？用不同頻率的光做實驗，觀察到什么現(xiàn)象？
提示：1．說明發(fā)生了光電效應(yīng)。
2．電壓表、電流表的示數(shù)均增大，當電流增大到一定值后，滑動變阻器的滑片再向右移動，電流也不再增大，說明存在飽和電流。
3．電壓表示數(shù)增大，電流表示數(shù)減小，最后電流表的示數(shù)可能減小到0，說明存在遏止電壓。
4．同一頻率的光，遏止電壓相同；不同頻率的光，遏止電壓不同。
1．光電效應(yīng)中相關(guān)概念的區(qū)分
概念 區(qū)分
光子與光電子 (1)光子是指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電 (2)光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子
光電子的初動能與光電子的最大初動能 (1)光照射到金屬表面時，電子吸收光子的能量向各個方向運動，需克服原子核的引力做功而損失一部分能量，剩余部分能量為光電子的初動能 (2)金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，具有最大初動能
光電流與飽和電流 (1)從金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流 (2)隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值就是飽和電流，在一定的光照條件下，飽和電流與所加電壓大小無關(guān)
入射光強度與光子能量 (1)入射光強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的光子的總能量 (2)光子能量即每個光子的能量 (3)光子總能量等于光子能量與入射光子數(shù)的乘積
2．光的電磁理論與光電效應(yīng)現(xiàn)象的矛盾
矛盾 按照光的電磁理論解釋 光電效應(yīng)實驗結(jié)果
矛盾1 光能由振幅決定，與光的頻率無關(guān)，只要光強足夠大(不論入射光的頻率多大)，總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng) 存在截止頻率νc：若ν<νc，無論光強有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)
矛盾2 光強越大，電子可獲得的能量越多，光電子的最大初動能也應(yīng)越大，遏止電壓也應(yīng)越大，即出射電子的最大初動能、遏止電壓應(yīng)該由光強來決定 光電子的最大初動能、遏止電壓都與光強無關(guān)，而與頻率有關(guān)
矛盾3 光強越大，電子能量積累的時間就越短；光強越小，能量積累的時間就越長 具有瞬時性：當入射光照射到光電管陰極時，無論光強怎樣，光電子幾乎都是瞬間產(chǎn)生的
【典例1】　(對光電效應(yīng)實驗現(xiàn)象的理解)如圖為研究光電效應(yīng)的實驗裝置，閉合開關(guān)，滑片P處于滑動變阻器中央位置，當一束單色光照到此裝置的金屬表面K時，電流表有示數(shù)，下列說法正確的是(　　)
A．若僅增大該單色光入射的強度，則光電子的最大初動能增大，電流表示數(shù)也增大
B．增大入射光的頻率，金屬的逸出功變大
C．保持頻率不變，當光強減弱時，發(fā)射光電子的時間將明顯增加
D．若滑動變阻器滑片P左移，則電壓表示數(shù)減小，電流表示數(shù)增大
D　[若僅增大該單色光入射的強度，則光電子的最大初動能不變，但單位時間內(nèi)溢出的光電子數(shù)增多，所以光電流增大，電流表示數(shù)增大，故A錯誤；金屬的逸出功是金屬本身的性質(zhì)，與入射光的頻率、強度無關(guān)，故無論增大入射光的頻率還是增大入射光的強度，該金屬的逸出功都不變，故B錯誤；發(fā)生光電效應(yīng)不需要時間積累，只要入射光的頻率大于截止頻率即可，故C錯誤；若滑動變阻器滑片P左移，則光電管上的反向電壓減小，電壓表示數(shù)減小，光電流增大，電流表示數(shù)增大，故D正確。]
　關(guān)于光電效應(yīng)的三個理解誤區(qū)
誤區(qū)1：誤認為光電效應(yīng)中，只要光強足夠大，就能發(fā)生光電效應(yīng)。
產(chǎn)生該誤區(qū)的原因是對產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件認識不清，實際上，能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定，與入射光的強度無關(guān)。
誤區(qū)2：誤認為在光的頻率不變時，光電流的強度與入射光的強度一定成正比。
出現(xiàn)該誤區(qū)是由于混淆了光電流和飽和電流，實際上，在光的頻率不變時，光電流未達到飽和值之前其大小不僅與入射光的強度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)，只有飽和電流的強度才與入射光的強度成正比。
誤區(qū)3：誤認為入射光越強，產(chǎn)生的光電子數(shù)一定越多。
這是對光強的概念理解不全面造成的，實際上，入射光強度指的是單位時間內(nèi)入射到金屬單位面積上的光子的總能量，是由入射的光子數(shù)和入射光子的頻率決定的，可用E＝nhν表示，其中n為單位時間內(nèi)的光子數(shù)。在入射光頻率不變的情況下，光強度與光子數(shù)成正比。換用不同頻率的光，即使光強度相同，光子數(shù)目也不同，因而逸出的光電子數(shù)目也不同。
【典例2】　(2024·浙江1月選考)如圖所示，金屬極板M受到紫外線照射會逸出光電子，最大速率為vm。正對M放置一金屬網(wǎng)N，在M、N之間加恒定電壓U。已知M、N間距為d(遠小于板長)，電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，則(　　)
A．M、N間距離增大時電子到達N的動能也增大
B．只有沿x方向逸出的電子到達N時才有最大動能＋eU
C．電子從M到N過程中y方向位移大小最大為vmd
D．M、N間加反向電壓時電流表示數(shù)恰好為零
C　[根據(jù)動能定理，從金屬板M上逸出的光電子到達N板時，有eU＝Ekm－，則到達N板時的動能為Ekm＝eU＋，與兩極板間距無關(guān)，與電子從金屬板中逸出的方向無關(guān)，選項A、B錯誤；平行極板M射出的電子到達N板時在y方向的位移最大，則電子從M到N過程中y方向最大位移為y＝vmt，d＝·t2，解得y＝vmd，選項C正確；M、N間加反向電壓使電流表示數(shù)恰好為零時有eUc＝，解得Uc＝，選項D錯誤。故選C。]
　愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
[鏈接教材]　愛因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是遏止電壓Uc。
(1)怎樣得到遏止電壓Uc與光的頻率ν和逸出功W0的關(guān)系呢？
(2)怎樣測定普朗克常量h？怎樣求出金屬的截止頻率？
提示：(1)根據(jù)動能定理eUc＝Ek＝及愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可得Uc＝ν－。
(2)畫出Uc-ν圖像，其斜率為，利用斜率可求h。在Uc-ν圖像中橫軸截距為截止頻率。
1．光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，其中h為普朗克常量。這些能量子后來稱為光子。
2．愛因斯坦光電效應(yīng)方程
(1)表達式：Ek＝hν－W0，式中Ek為光電子的最大初動能，Ek＝。
(2)物理意義：金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動能Ek。
[微提醒]　愛因斯坦的光電效應(yīng)的實驗說明了光具有粒子性，光子像其他粒子一樣具有能量。
深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航標燈指引航道。一個航標燈自動控制電路的示意圖如圖所示，電路中的光電管陰極K涂有可發(fā)生光電效應(yīng)的金屬。下表反映的是幾種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率及其對應(yīng)的波長，又知可見光的波長為400～770 nm。
金屬 銫 鋅 銀 鉑
截止頻率/Hz 4.545×1014 8.065×1014 1.153×1015 1.529×1015
對應(yīng)波長/nm 660 372 260 196
問題1．光電管陰極K上應(yīng)涂哪種金屬？
問題2．控制電路中的開關(guān)S應(yīng)接觸a還是b
提示：1．因為只有金屬銫對應(yīng)的波長介于可見光的波長區(qū)間內(nèi)，所以光電管陰極K上應(yīng)涂金屬銫。
2．夜晚沒有光，不能發(fā)生光電效應(yīng)，但是指示燈亮，所以開關(guān)S與b端相連。
1．光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0
(1)式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。
(2)光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程
①能量為ε＝hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的初動能。
②如要克服吸引力做功最少為W0，電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。
2．光子說對光電效應(yīng)的解釋
(1)飽和電流與光照強度的關(guān)系：同種頻率的光，光照強度越大，包含的光子數(shù)越多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子越多，因而飽和電流越大。
(2)存在截止頻率和遏止電壓
①由愛因斯坦光電效應(yīng)方程知，光電子的最大初動能與入射光頻率有關(guān)，與光強無關(guān)，所以遏止電壓由入射光頻率決定，與光強無關(guān)。
②若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動能必須大于零，即Ek＝hν－W0＞0，即hν＞W(wǎng)0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光電效應(yīng)的截止頻率。
3．光電效應(yīng)中的四類圖像
圖像名稱 圖線形狀 由圖線直接(間接)得到的物理量
最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系 (1)截止頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc (2)逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值的絕對值W0＝|－E|＝E (3)普朗克常量：圖線的斜率k＝h
顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系 (1)遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點 (2)飽和電流Im：光電流的最大值 (3)最大初動能：Ek＝eUc
顏色不同的光，光電流與電壓的關(guān)系 (1)遏止電壓：Uc1、Uc2 (2)飽和電流 (3)最大初動能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系 (1)截止頻率νc：圖線與橫軸的交點 (2)遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大 (3)普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke(注：此時兩極之間接反向電壓)
【典例3】　(光電效應(yīng)方程的應(yīng)用)(多選)用普通光源照射金屬時，一個電子在極短時間內(nèi)只能吸收一個光子從金屬表面逸出，稱為單光子光電效應(yīng)；如果用強激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在短時間內(nèi)能吸收多個光子從金屬表面逸出，稱為多光子光電效應(yīng)。某光電效應(yīng)實驗裝置如圖所示，用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率的強激光照射陰極K，發(fā)生了光電效應(yīng)。閉合開關(guān)S，并逐漸增大電源電壓U，當光電流恰好減小到零時，電壓為Uc。已知W為金屬材料的逸出功，h為普朗克常量，e為電子帶電荷量，下列關(guān)系式可能正確的是(　　)
A．Uc＝－ 　 B．Uc＝－
C．Uc＝－ 　 D．Uc＝－
BD　[依題意知，用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應(yīng)，可知hν＜W，而換用同頻率的強激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應(yīng)，說明只有一個電子吸收的光子的能量為nhν(n＝2，3，4，…)時，才能發(fā)生光電效應(yīng)，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，有nhν＝W＋eUc，解得Uc＝－(n＝2，3，4，…)，當n＝2時，有Uc＝－；當n＝3時，有Uc＝－；當n＝4時，有Uc＝－；當n＝5時，有Uc＝－，故A、C錯誤，B、D正確。]
　愛因斯坦光電效應(yīng)方程的兩個決定關(guān)系
(1)逸出功W0一定，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動能。
(2)入射光的頻率一定時，入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)。
【典例4】　(光電效應(yīng)圖像)某興趣小組用如圖甲所示的電路探究光電效應(yīng)的規(guī)律。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，小剛同學作出了光電子的最大初動能與入射光頻率的關(guān)系圖線如圖乙所示，小明同學作出了遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系圖線如圖丙所示。已知光電子的電荷量為e，則下列說法正確的是(　　)
A．如果圖乙、圖丙中研究的是同一金屬的光電效應(yīng)規(guī)律，則a＝
B．如果研究不同金屬光電效應(yīng)的規(guī)律，在圖乙中將得到經(jīng)過(b，0)點的一系列直線
C．如果研究不同金屬光電效應(yīng)的規(guī)律，在圖丙中將得到不平行的傾斜直線
D．普朗克常量h＝＝
D　[如果題圖乙、題圖丙中研究的是同一金屬的光電效應(yīng)規(guī)律，則由題圖乙可得該金屬的逸出功W0＝a，由題圖丙可得該金屬的逸出功W0＝ec，故有a＝ec，A錯誤；如果研究不同金屬光電效應(yīng)的規(guī)律，根據(jù)Ek＝hν－W0可判斷，不同的金屬W0不同，故當Ek＝0時，對應(yīng)的ν不同，所以在題圖乙中將不能得到經(jīng)過(b，0)點的一系列直線，B錯誤；如果研究不同金屬光電效應(yīng)的規(guī)律，根據(jù)eUc＝hν－W0可判斷，直線的斜率為k＝，故在題圖丙中將得到一系列平行的傾斜直線，C錯誤；由題圖乙可得普朗克常量h＝，由題圖丙可得，直線斜率k＝＝，所以聯(lián)立可得h＝＝，D正確。]
【教用·備選例題】　在研究光電效應(yīng)實驗中，光電管的陰極材料為銫(Cs)，用某一頻率的光照射，實驗測得光電流隨電壓變化的圖像如圖所示。已知銫的逸出功為3.0×10-19 J，普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，電子電荷量e＝1.6×10-19 C。
(1)銫發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率是多少？
(2)本次實驗的入射光頻率是多少？
思路點撥：光子的能量E＝hν，如果電子吸收一個光子剛好克服逸出功，那么該光的頻率為截止頻率。當用某種頻率的光照射時，測得遏止電壓，也就知道了光電子的最大初動能，再根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程便可計算入射光的頻率。
[解析]　已知銫的逸出功W＝3.0×10-19 J，從題圖可知遏止電壓Uc＝2.5 V。
(1)設(shè)銫材料的截止頻率為νc，有W＝hνc
解得νc＝≈4.52×1014 Hz。
(2)當光電管加反向遏止電壓時，光電流為零，有
eUc＝
設(shè)入射光頻率為ν，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，有hν＝W＋
解得ν＝≈1.06×1015 Hz。
[答案]　(1)4.52×1014 Hz　(2)1.06×1015 Hz
解題技巧　計算得到的銫的截止頻率在紅光范圍內(nèi)。在某一電壓下電子被加速所獲得的能量，有時用eV為單位更為方便。例如，上述遏止電壓為2.5 V，就可知電子的最大初動能為2.5 eV。
　康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性
1．康普頓效應(yīng)
(1)光的散射
光可以被介質(zhì)中的物質(zhì)微粒散射而改變傳播方向。
(2)康普頓效應(yīng)
美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。
(3)康普頓效應(yīng)的意義
康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面。
(4)光子的動量
①表達式：p＝。
②說明：在康普頓效應(yīng)中，當入射的光子與晶體中的電子碰撞時，把一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量變小，因此，有些光子散射后波長變大。
2．光的波粒二象性
(1)光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。
(2)光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝。
(3)光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
[微提醒]　康普頓散射實驗有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)，首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)。
太陽光從小孔射入室內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；航天員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的。
問題1．分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因。
問題2．光子與天空中的微粒碰撞時遵從什么規(guī)律？
提示：1．在地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環(huán)境下光不能散射只向前傳播。
2．遵循能量守恒定律和動量守恒定律。
1．光子說對康普頓效應(yīng)的解釋
假定光子與電子發(fā)生彈性碰撞，一個光子不僅具有能量ε＝hν，而且還有動量。如圖所示，這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性碰撞，光子把部分動量轉(zhuǎn)移給了電子，動量由減小為，由p＝知，p減小，則波長增大。
2．對康普頓效應(yīng)的理解
(1)康普頓認為光子不僅具有能量，也具有動量。
(2)光子的能量表達式ε＝hν與動量表達式p＝具有高度對稱性。
3．對光的波粒二象性的理解
實驗基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明
光的波動性 干涉和衍射 (1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述 (2)大量光子在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì) 光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的
光的粒子性 光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng) (1)當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì) (2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性 (1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的 (2)光子不同于宏觀觀念的粒子
波動性和粒子性的對立統(tǒng)一 (1)大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性 (2)波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強 — (1)光子說并未否定波動性，公式ε＝中，c和λ就是波動的概念 (2)波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的
【典例5】　(康普頓效應(yīng))康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量，而且具有動量。如圖所示給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰后光子(　　)
A．可能沿1方向，且波長變短
B．可能沿2方向，且波長變短
C．可能沿1方向，且波長變長
D．可能沿3方向，且波長變長
C　[因為光子與電子碰撞過程中動量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與碰前光子動量的方向一致，可見碰后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通過碰撞，光子將一部分動量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動量減小，由p＝知，光子的波長變長。]
【典例6】　(波粒二象性)(多選)對光的認識，下列說法正確的是(　　)
A．少量光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性
B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的
C．光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性了
D．光的波粒二象性可以理解為在某些場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在某些場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯
ABD　[少量光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性；光與物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)為粒子性，光傳播時表現(xiàn)為波動性；光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因為波動性表現(xiàn)為粒子分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性，故正確選項有A、B、D。]
1．光具有波粒二象性，能說明光具有粒子性的實驗是(　　)
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光電效應(yīng)
C．光的衍射和康普頓效應(yīng)
D．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)
D　[光的干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，不能說明光具有粒子性，而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，故D正確。]
2．如圖所示，是一種典型的光電管示意圖，抽成真空的玻璃管內(nèi)部密閉有陰極和陽極，當受到光照時，就會發(fā)生光電效應(yīng)，將其與靈敏電流計相連，關(guān)于此光電管以下說法正確的是(　　)
A．圖中A為陽極，B為陰極
B．當光照射在A極，會從其表面溢出光子打在B極上
C．只提高照射光頻率時，會使得電路中光電流變大
D．只提高照射光強度時，會使得電路中光電流變大
D　[題圖中A為陰極，B為陽極，A錯誤；光照射在A極上，會從其表面溢出光電子，而非光子，B錯誤；提高照射光頻率并不會增加單位時間溢出的光電子數(shù)目，所以光電流不會變大，C錯誤；提高照射光強度可以增加單位時間溢出的光電子數(shù)目，會使得電路中的光電流變大，D正確。]
3．如圖所示為在光電效應(yīng)實驗中，用a、b、c三束光照射同一金屬的表面時，形成的光電流大小隨外加電場電壓的變化關(guān)系，三束光中頻率最大的為________光，若該金屬的逸出功為W，電子的電荷量為e，普朗克常量為h，b光的遏止電壓為U0，結(jié)合圖中的條件，可以表示出b光頻率為________。
[解析]　根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，遏止電壓與最大初動能的關(guān)系式Ek＝eUc，以及b光的遏止電壓(U0)最大，可知b光頻率最大。由題意知b光的最大初動能Ek＝eU0，又因Ek＝hν－W，可知b光頻率為ν＝。
[答案]　b　
4．如圖甲是研究光電效應(yīng)的實驗原理圖，用不同頻率的光照射同一光電管的陰極K時，得到遏止電壓Uc和入射光頻率ν的關(guān)系圖像如圖乙，e為元電荷。下列說法正確的是(　　)
A．從圖乙可知遏止電壓大小與入射光的頻率成正比
B．用頻率為的入射光照射時，也一定能發(fā)生光電效應(yīng)
C．普朗克常量h＝
D．陰極K的逸出功為
C　[由題圖乙可知遏止電壓大小與入射光的頻率為一次函數(shù)關(guān)系，不是正比例關(guān)系，故選項A錯誤；由題圖乙知，＜νc，則用頻率為的入射光照射時，一定不能發(fā)生光電效應(yīng)，故選項B錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程得Ek＝hν－W0，又Ek＝eUc，得Uc＝－，結(jié)合題圖乙可得斜率＝，故選項C正確；由C項分析得eUc1＝hν1－W0，eUc2＝hν2－W0，聯(lián)立解得W0＝，故選項D錯誤。]
回歸本節(jié)知識，完成以下問題：
1．光電效應(yīng)的實驗規(guī)律主要有哪些內(nèi)容？
提示：(1)飽和電流。(2)遏止電壓和截止頻率。(3)瞬時性。
2．電子吸收光子的能量后，都能從金屬表面逸出嗎？
提示：不是。電子吸收光子的能量只有大于逸出功才能從金屬表面逸出。
3．光電子的最大初動能與入射光頻率成正比嗎？與入射光強度有何關(guān)系？
提示：光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，光電子的最大初動能與入射光頻率是線性關(guān)系，但不是正比關(guān)系，光電子最大初動能與入射光強度無關(guān)。
4．在光的散射現(xiàn)象中遵循什么規(guī)律？
提示：(1)能量守恒定律。(2)動量守恒定律。
課時分層作業(yè)(十四)
?題組一　光電效應(yīng)的實驗規(guī)律
1．圖甲是研究光電效應(yīng)的電路圖，圖乙是用a、b、c光照射光電管得到的I-U圖線。下列說法正確的是(　　)
A．a(chǎn)光的頻率大于c光的頻率
B．b光的波長大于c光的波長
C．當開關(guān)斷開時，電流表的示數(shù)為零
D．若光照強度相同，A、K間的正向電壓一定，b光照射時飽和電流最小
D　[根據(jù)hν＝Ekm＋W，eUc＝Ekm，可得hν＝eUc＋W，a光與c光的遏止電壓相等，b光的遏止電壓大于c光，所以a光的頻率等于c光的頻率，b光的頻率大于c光，又由λ＝，可得b光的波長小于c光的波長，故A、B錯誤；當開關(guān)斷開時，I-U圖線中U為0，此時電流表的示數(shù)不為零，故C錯誤；由于a光的頻率等于c光的頻率，b光的頻率大于c光，所以單個光子能量b光最大，所以光強相同時，b光的光子數(shù)最少，A、K間的正向電壓一定時，飽和電流最小，故D正確。故選D。]
2．在光電效應(yīng)實驗中，用同一光電管在不同實驗條件下得到了兩條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線，如圖所示。下面說法正確的是(　　)
A．光線1的波長大于光線2的波長
B．光線1的頻率大于光線2的頻率
C．該光電管分別在光線1與光線2的照射下，其截止頻率不同
D．光線1的光照強度一定大于光線2的光照強度
A　[根據(jù)光電效應(yīng)方程，遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系eUc＝Ek＝hν－W0，入射光的頻率越高，對應(yīng)的遏止電壓U c越大，光線2的遏止電壓大于光線1的遏止電壓，所以光線2的頻率大于光線1的頻率，由c＝λν可知，光線1的波長大于光線2的波長，故A正確，B錯誤；同一種金屬，截止頻率是相同的，故C錯誤；在入射光頻率相同的情況下，光強越大，飽和電流越大，光線1和光線2頻率不同，光線1的光照強度不一定大于光線2的光照強度，故D錯誤。故選A。]
3．光電效應(yīng)的規(guī)律中，經(jīng)典波動理論能解釋的有(　　)
A．入射光的頻率必須大于被照射金屬的截止頻率時才產(chǎn)生光電效應(yīng)
B．當入射光頻率大于被照射金屬的截止頻率時，光電子數(shù)目與入射光的強度成正比
C．光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大
D．入射光照射到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的
B　[按經(jīng)典的光的波動理論，光的能量隨光的強度的增大而增大，與光的頻率無關(guān)，金屬中的電子必須吸收足夠的能量后才能從其中飛出，電子有一個能量積累的時間，光的強度越大，單位時間內(nèi)輻射到金屬表面的能量越多，被電子吸收的能量自然也越多，產(chǎn)生的光電子數(shù)也越多，故經(jīng)典波動理論只能解釋B項。]
?題組二　愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
4．已知鈣和鈉的截止頻率分別為7.73×1014 Hz和5.53×1014 Hz，在某種單色光的照射下兩種金屬均發(fā)生光電效應(yīng)，則下列說法正確的是(　　)
A．鈣具有較大的逸出功
B．鈣的遏止電壓較大
C．鈣逸出的光電子最大初動能較大
D．鈣更容易發(fā)生光電效應(yīng)
A　[金屬的逸出功與截止頻率的關(guān)系W＝hν0，由于鈣和鈉的截止頻率分別為7.73×1014 Hz和5.53×1014 Hz，鈣的截止頻率大，所以鈣的逸出功大，故A正確；遏止電壓與截止頻率的關(guān)系eUc＝Ek＝hν－W0＝hν－h(huán)ν0，故鈣的截止頻率較大，遏止電壓較小，鈣逸出的光電子最大初動能較小，故B、C錯誤；鈣的截止頻率大，更不容易發(fā)生光電效應(yīng)，故D錯誤。故選A。]
5．研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的實驗裝置如圖所示。閉合開關(guān)S，當用能量為3.6 eV的光子照射到光電管陰極上時，電流表示數(shù)大于零。移動滑動變阻器的觸頭c，當電壓表的示數(shù)大于或等于1.2 V時，電流表的示數(shù)為0，下列說法正確的是(　　)
A．光電管內(nèi)電場力對光電子做正功
B．光電子的最大初動能為1.2 eV
C．光電管陰極的逸出功為1.2 eV
D．在開關(guān)S斷開后，沒有電流流過電流表
B　[該裝置所加的電壓為反向電壓，光電管內(nèi)電場力對光電子做負功，使得光電子動能減少，選項A錯誤；發(fā)現(xiàn)當電壓表的示數(shù)大于或等于1.2 V時，電流表的示數(shù)為0，可知遏止電壓為1.2 V，則由eUc＝Ekm可得，光電子的最大初動能為1.2 eV，選項B正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ekm＝hν－W0可得W0＝2.4 eV，選項C錯誤；開關(guān)S斷開后，用光子能量大于2.4 eV的光照射到光電管上時均能發(fā)生光電效應(yīng)，有光電子逸出，有電流流過電流表，選項D錯誤。故選B。]
?題組三　康普頓效應(yīng)和光子的動量
6．(多選)關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法正確的是(　　)
A．康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化，為波動說提供了依據(jù)
B．X射線散射時，波長改變的多少與散射角有關(guān)
C．發(fā)生散射時，波長較短的X射線或γ射線入射時，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)
D．愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應(yīng)，所以康普頓效應(yīng)支持粒子說
BCD　[康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象用波動說無法解釋，用光子說卻可以解釋，故A錯誤，D正確；波長改變的多少與散射角有關(guān)，故B正確；當波長較短時發(fā)生康普頓效應(yīng)，較長時發(fā)生光電效應(yīng)，故C正確。故選BCD。]
7．在研究石墨對X射線的散射時，康普頓發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分。這些波長大于λ0的成分與入射的X射線相比(　　)
A．能量增大 　 B．動量增大
C．波速減小 　 D．頻率減小
D　[這些波長大于λ0的成分與入射的X射線相比，傳播介質(zhì)不變，波速v不變，X射線光子的能量和動量分別為ε＝hν＝h、p＝，所以頻率ν減小，能量ε減小，動量p減小，故A、B、C錯誤，D正確。 故選D。]
?題組四　光的波粒二象性
8．下列有關(guān)光的波粒二象性的說法正確的是(　　)
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子與電子是同樣的一種粒子
C．光的波長越長，其波動性越顯著
D．康普頓效應(yīng)表明光具有波動性
C　[一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些行為(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以不能說有的光是波，有的光是粒子，A、D錯誤；雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場的形式存在的物質(zhì)，所以不能說光子與電子是同樣的一種粒子，B錯誤；光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，C正確；故選C。]
9．(多選)光電管是一種利用光照射產(chǎn)生電流的裝置，當入射光照在管中金屬板上時，可能形成電流。表中給出了2次實驗的結(jié)果，由數(shù)據(jù)得出的論斷中正確的是(　　)
次 入射光子的能量/eV 光電子的最大初動能/eV
1 4.0 0.9
2 6.0 2.9
A．第一次實驗的入射光頻率較第二次低
B．第一次實驗的入射光頻率較第二次高
C．兩次實驗所用的金屬板逸出功相同
D．兩次實驗所用的金屬板逸出功不同
AC　[根據(jù)光子能量公式E＝hν，結(jié)合表格中數(shù)據(jù)可知第一次實驗的入射光頻率較第二次低，故A正確，B錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν＝Ekm＋W0，可得金屬板逸出功W0＝hν－Ekm，結(jié)合表格中數(shù)據(jù)，可得兩次實驗所用的金屬板逸出功相同，為W0＝(4.0－0.9)eV＝(6.0－2.9) eV＝3.1 eV，故C正確，D錯誤。故選AC。]
10．研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的實驗電路如圖所示，A、K為光電管的兩個電極，電壓表V、電流計G均為理想電表。已知該光電管陰極K的截止頻率為ν0，元電荷電量為e，普朗克常量為h，開始時滑片P、P′上下對齊。現(xiàn)用頻率為ν的光照射陰極K，能發(fā)生光電效應(yīng)，則(　　)
A．該光電管陰極材料的逸出功為hν
B．若加在光電管兩端的正向電壓為U，則到達陽極A的光電子的最大動能為hν0－h(huán)ν＋eU
C．若將滑片P向右滑動，則電流計G的示數(shù)一定會不斷增大
D．若將滑片P′向右滑動，則當滑片P、P′間的電壓為時，電流計G的示數(shù)恰好為0
D　[由于截止頻率為ν0，因此該光電管陰極材料的逸出功為W＝hν0，故A錯誤；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek0＝hν－W，加正向電壓時，根據(jù)動能定理得eU＝Ek－Ek0，聯(lián)立可得到達陽極A的光電子的最大動能為Ek＝hν－h(huán)ν0＋eU，故B錯誤；若將滑片P向右滑動，則電流計G的示數(shù)將先逐漸增大到飽和光電流，當達到飽和電流時，則不變，故C錯誤；若將滑片P′向右滑動，光電管加上反向電壓，電流會減小，則有eUc＝Ek0＝hν－h(huán)ν0，解得Uc＝，此時電流計G的示數(shù)恰好為零，故D正確。故選D。]
11．如圖所示為光電倍增管的原理圖，管內(nèi)有一個陰極K、一個陽極A，K、A間還有若干對倍增電極。使用時在陰極K、各倍增電極和陽極A間加上電壓，使陰極K、各倍增電極到陽極A的電勢依次升高。當滿足一定條件的光照射陰極K時，就會有光電子射出，在加速電場作用下，光電子以較大的動能撞擊到第一個倍增電極上，光電子能從這個倍增電極上激發(fā)出更多電子，最后陽極A收集到的電子數(shù)比最初從陰極發(fā)射的電子數(shù)增加了很多倍。下列說法正確的是(　　)
A．光電倍增管適用于各種頻率的光
B．保持入射光不變，增大各級間電壓，陽極收集到的電子數(shù)可能增大
C．增大入射光的頻率，陰極K發(fā)射出的所有光電子的初動能都會增大
D．保持入射光的頻率和各級間電壓不變，增大入射光的光強，不影響陽極收集到的電子數(shù)
B　[只有滿足一定頻率的光照射陰極K時才能發(fā)生光電效應(yīng)，從而逸出光電子，可知光電倍增管并不是適用于各種頻率的光，選項A錯誤；保持入射光不變，增大各級間電壓，則打到倍增極的光電子的動能變大，可能有更多的電子從倍增極逸出，則陽極收集到的電子數(shù)可能增大，選項B正確；增大入射光的頻率，陰極K發(fā)射出的光電子的最大初動能變大，并不是所有光電子的初動能都會增大，選項C錯誤；保持入射光的頻率和各級間電壓不變，增大入射光的光強，單位時間逸出光電子的數(shù)目會增大，則陽極收集到的電子數(shù)會增大，選項D錯誤。]
12．真空中有一平行板電容器，兩極板分別由鉑和鉀(其截止頻率對應(yīng)的光波波長分別為λ1和λ2)制成，板面積為S，板間距離為d?，F(xiàn)用波長為λ(λ1<λ<λ2)的單色光持續(xù)照射兩板內(nèi)表面，則電容器的最終帶電荷量Q正比于(　　)
A． 　 B．
C． 　 D．
D　[當電容器極板所帶電荷量為最終電荷量時，兩板間電壓為遏止電壓，即此時光電子的最大初動能完全用來克服電場力做功，末速度為零，則有hν－h(huán)ν2＝eU，又ν＝，C＝，U＝，解得Q＝＝··，由于為常數(shù)，故D項正確。](共66張PPT)
2．光電效應(yīng)
第四章　原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
整體感知·自我新知初探
[學習任務(wù)]　任務(wù)1．了解光電效應(yīng)現(xiàn)象及其實驗規(guī)律。
任務(wù)2．了解愛因斯坦光電效應(yīng)理論及其意義，能用愛因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。
任務(wù)3．了解康普頓效應(yīng)及其意義。
任務(wù)4．能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。
[問題初探]　問題1．光子與光電子有何區(qū)別？
問題2．研究光電效應(yīng)的電路圖中A、K分別叫什么極？A極和K極誰的電勢較高？
問題3．發(fā)生光電效應(yīng)一定要用不可見光嗎？
問題4．遏止電壓與光的頻率成正比嗎？
問題5．光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)研究問題的角度有何不同？
[思維導圖]
探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達成
[鏈接教材]　把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。
知識點一　光電效應(yīng)的實驗規(guī)律及經(jīng)典解釋中的疑難
(1)這個現(xiàn)象說明了什么問題？
(2)若使鋅板帶正電，重復上述操作，觀察到指針并不立即落下，這說明什么問題？
提示：(1)在紫外線燈照射下，電子從鋅板表面逸出。(2)紫外線燈照射時，正電荷不能從鋅板表面飛出去。
1．光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的____從表面逸出的現(xiàn)象。
2．光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的____。
3．光電效應(yīng)的實驗規(guī)律
(1)存在____頻率：當入射光的頻率低于__________時不發(fā)生光電效應(yīng)。
(2)存在____電流：在光的頻率不變的情況下，入射光越強，________越大。
電子
電子
截止
截止頻率νc
飽和
飽和電流
[微提醒]　1．光電流的方向始終由陽極A到陰極K。
2．光電效應(yīng)的實質(zhì)是光現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為電現(xiàn)象。
3．光的頻率決定光的顏色，頻率不同，顏色不同。
遏止
遏止電壓
eUc
瞬時
4．逸出功：使電子脫離某種金屬，需要外界對它____，做功的______叫作這種金屬的逸出功，用W0表示。不同種類的金屬，其逸出功的大小______。
5．光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難
(1)不應(yīng)存在____頻率。
(2)遏止電壓Uc應(yīng)該與光的強弱__關(guān)。
(3)弱光照射時，電子獲得逸出表面所需的能量需要的時間應(yīng)遠遠____實驗中產(chǎn)生光電流的時間。
做功
最小值
不相同
截止
有
大于
如圖所示是研究光電效應(yīng)的電路圖。
問題1．閉合開關(guān)后，當電壓表的示數(shù)為0時，電流
表的示數(shù)不是0，說明了什么？
問題2．閉合開關(guān)，將滑動變阻器的滑片向右移動，
會觀察到什么現(xiàn)象？說明了什么？
問題3．若將電源的正負極對調(diào)，閉合開關(guān)，滑動變阻器的滑片向右移動時，又會觀察到什么現(xiàn)象？說明了什么？
問題4．對于問題3中的現(xiàn)象，同一頻率的入射光強弱不同時，觀察到什么現(xiàn)象？用不同頻率的光做實驗，觀察到什么現(xiàn)象？
提示：1．說明發(fā)生了光電效應(yīng)。
2．電壓表、電流表的示數(shù)均增大，當電流增大到一定值后，滑動變阻器的滑片再向右移動，電流也不再增大，說明存在飽和電流。
3．電壓表示數(shù)增大，電流表示數(shù)減小，最后電流表的示數(shù)可能減小到0，說明存在遏止電壓。
4．同一頻率的光，遏止電壓相同；不同頻率的光，遏止電壓不同。
1．光電效應(yīng)中相關(guān)概念的區(qū)分
概念 區(qū)分
光子與光電子 (1)光子是指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電
(2)光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子
概念 區(qū)分
光電子的初動能與光電子的最大初動能 (1)光照射到金屬表面時，電子吸收光子的能量向各個方向運動，需克服原子核的引力做功而損失一部分能量，剩余部分能量為光電子的初動能
(2)金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，具有最大初動能
概念 區(qū)分
光電流與飽和電流 (1)從金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流
(2)隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值就是飽和電流，在一定的光照條件下，飽和電流與所加電壓大小無關(guān)
概念 區(qū)分
入射光強度與光子能量 (1)入射光強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的光子的總能量
(2)光子能量即每個光子的能量
(3)光子總能量等于光子能量與入射光子數(shù)的乘積
2．光的電磁理論與光電效應(yīng)現(xiàn)象的矛盾
矛盾 按照光的電磁理論解釋 光電效應(yīng)實驗結(jié)果
矛盾1 光能由振幅決定，與光的頻率無關(guān)，只要光強足夠大(不論入射光的頻率多大)，總可以使電子獲得足夠的能量從而發(fā)生光電效應(yīng) 存在截止頻率νc：若ν<νc，無論光強有多大，都不能發(fā)生光電效應(yīng)
矛盾 按照光的電磁理論解釋 光電效應(yīng)實驗結(jié)果
矛盾2 光強越大，電子可獲得的能量越多，光電子的最大初動能也應(yīng)越大，遏止電壓也應(yīng)越大，即出射電子的最大初動能、遏止電壓應(yīng)該由光強來決定 光電子的最大初動能、遏止電壓都與光強無關(guān)，而與頻率有關(guān)
矛盾 按照光的電磁理論解釋 光電效應(yīng)實驗結(jié)果
矛盾3 光強越大，電子能量積累的時間就越短；光強越小，能量積累的時間就越長 具有瞬時性：當入射光照射到光電管陰極時，無論光強怎樣，光電子幾乎都是瞬間產(chǎn)生的
【典例1】　(對光電效應(yīng)實驗現(xiàn)象的理解)如圖為研究光電效應(yīng)的實驗裝置，閉合開關(guān)，滑片P處于滑動變阻器中央位置，當一束單色光照到此裝置的金屬表面K時，電流表有示數(shù)，下列說法正確的是(　　)
A．若僅增大該單色光入射的強度，則光電子的最
大初動能增大，電流表示數(shù)也增大
B．增大入射光的頻率，金屬的逸出功變大
C．保持頻率不變，當光強減弱時，發(fā)射光電子的
時間將明顯增加
D．若滑動變阻器滑片P左移，則電壓表示數(shù)減小，電流表示數(shù)增大
√
D　[若僅增大該單色光入射的強度，則光電子的最大初動能不變，但單位時間內(nèi)溢出的光電子數(shù)增多，所以光電流增大，電流表示數(shù)增大，故A錯誤；金屬的逸出功是金屬本身的性質(zhì)，與入射光的頻率、強度無關(guān)，故無論增大入射光的頻率還是增大入射光的強度，該金屬的逸出功都不變，故B錯誤；發(fā)生光電效應(yīng)不需要時間積累，只要入射光的頻率大于截止頻率即可，故C錯誤；若滑動變阻器滑片P左移，則光電管上的反向電壓減小，電壓表示數(shù)減小，光電流增大，電流表示數(shù)增大，故D正確。]
規(guī)律方法　關(guān)于光電效應(yīng)的三個理解誤區(qū)
誤區(qū)1：誤認為光電效應(yīng)中，只要光強足夠大，就能發(fā)生光電效應(yīng)。
產(chǎn)生該誤區(qū)的原因是對產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件認識不清，實際上，能不能發(fā)生光電效應(yīng)由入射光的頻率決定，與入射光的強度無關(guān)。
誤區(qū)2：誤認為在光的頻率不變時，光電流的強度與入射光的強度一定成正比。
出現(xiàn)該誤區(qū)是由于混淆了光電流和飽和電流，實際上，在光的頻率不變時，光電流未達到飽和值之前其大小不僅與入射光的強度有關(guān)，還與光電管兩極間的電壓有關(guān)，只有飽和電流的強度才與入射光的強度成正比。
誤區(qū)3：誤認為入射光越強，產(chǎn)生的光電子數(shù)一定越多。
這是對光強的概念理解不全面造成的，實際上，入射光強度指的是單位時間內(nèi)入射到金屬單位面積上的光子的總能量，是由入射的光子數(shù)和入射光子的頻率決定的，可用E＝nhν表示，其中n為單位時間內(nèi)的光子數(shù)。在入射光頻率不變的情況下，光強度與光子數(shù)成正比。換用不同頻率的光，即使光強度相同，光子數(shù)目也不同，因而逸出的光電子數(shù)目也不同。
√
[鏈接教材]　愛因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是遏止電壓Uc。
(1)怎樣得到遏止電壓Uc與光的頻率ν和逸出功W0的關(guān)系呢？
(2)怎樣測定普朗克常量h？怎樣求出金屬的截止頻率？
知識點二　愛因斯坦的光電效應(yīng)理論
[微提醒]　愛因斯坦的光電效應(yīng)的實驗說明了光具有粒子性，光子像其他粒子一樣具有能量。
hν
光子
hν－W0
hν
初動能Ek
深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航標燈指引航道。一個航標燈自動控制電路的示意圖如圖所示，電路中的光電管陰極K涂有可發(fā)生光電效應(yīng)的金屬。下表反映的是幾種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率及其對應(yīng)的波長，又知可見光的波長為400～770 nm。
金屬 銫 鋅 銀 鉑
截止頻率/Hz 4.545×1014 8.065×1014 1.153×1015 1.529×1015
對應(yīng)波長/nm 660 372 260 196
問題1．光電管陰極K上應(yīng)涂哪種金屬？
問題2．控制電路中的開關(guān)S應(yīng)接觸a還是b
提示：1．因為只有金屬銫對應(yīng)的波長介于可見光的波長區(qū)間內(nèi)，所以光電管陰極K上應(yīng)涂金屬銫。
2．夜晚沒有光，不能發(fā)生光電效應(yīng)，但是指示燈亮，所以開關(guān)S與b端相連。
1．光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0
(1)式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時的動能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。
(2)光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程
①能量為ε＝hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的初動能。
②如要克服吸引力做功最少為W0，電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0。
3．光電效應(yīng)中的四類圖像
圖像名稱 圖線形狀 由圖線直接(間接)得到的物理量
最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系 (1)截止頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc
(2)逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值的絕對值W0＝|－E|＝E
(3)普朗克常量：圖線的斜率k＝h
圖像名稱 圖線形狀 由圖線直接(間接)得到的物理量
顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系 (1)遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點
(2)飽和電流Im：光電流的最大值
(3)最大初動能：Ek＝eUc
顏色不同的光，光電流與電壓的關(guān)系 (1)遏止電壓：Uc1、Uc2
(2)飽和電流
(3)最大初動能：Ek1＝eUc1，Ek2＝
eUc2
圖像名稱 圖線形狀 由圖線直接(間接)得到的物理量
遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系 (1)截止頻率νc：圖線與橫軸的交點
(2)遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大
(3)普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke(注：此時兩極之間接反向電壓)
√
√
規(guī)律方法　愛因斯坦光電效應(yīng)方程的兩個決定關(guān)系
(1)逸出功W0一定，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應(yīng)以及光電子的最大初動能。
(2)入射光的頻率一定時，入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)。
【典例4】　(光電效應(yīng)圖像)某興趣小組用如圖甲所示的電路探究光電效應(yīng)的規(guī)律。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，小剛同學作出了光電子的最大初動能與入射光頻率的關(guān)系圖線如圖乙所示，小明同學作出了遏止電壓與入射光頻率的關(guān)系圖線如圖丙所示。已知光電子的電荷量為e，則下列說法正確的是(　　)
√
【教用·備選例題】　在研究光電效應(yīng)實驗中，光電管的陰極材料為銫(Cs)，用某一頻率的光照射，實驗測得光電流隨電壓變化的圖像如圖所示。已知銫的逸出功為3.0×10-19 J，
普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，電子電荷量
e＝1.6×10-19 C。
(1)銫發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率是多少？
(2)本次實驗的入射光頻率是多少？
思路點撥：光子的能量E＝hν，如果電子吸收一個光子剛好克服逸出功，那么該光的頻率為截止頻率。當用某種頻率的光照射時，測得遏止電壓，也就知道了光電子的最大初動能，再根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程便可計算入射光的頻率。
[答案]　(1)4.52×1014 Hz　(2)1.06×1015 Hz
解題技巧　計算得到的銫的截止頻率在紅光范圍內(nèi)。在某一電壓下電子被加速所獲得的能量，有時用eV為單位更為方便。例如，上述遏止電壓為2.5 V，就可知電子的最大初動能為2.5 eV。
1．康普頓效應(yīng)
(1)光的散射
光可以被介質(zhì)中的________散射而____傳播方向。
(2)康普頓效應(yīng)
美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長______的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。
知識點三　康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性
物質(zhì)微粒
改變
大于λ0
粒子性

變大
[微提醒]　康普頓散射實驗有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)，首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)。
波動性
康普頓
hν
波粒
太陽光從小孔射入室內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到這束光；白天的天空各處都是亮的；航天員在太空中會發(fā)現(xiàn)盡管太陽光耀眼刺目，其他方向的天空卻是黑的。
問題1．分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因。
問題2．光子與天空中的微粒碰撞時遵從什么規(guī)律？
提示：1．在地球上存在著大氣，太陽光經(jīng)微粒散射后傳向各個方向，而在太空中的真空環(huán)境下光不能散射只向前傳播。
2．遵循能量守恒定律和動量守恒定律。
3．對光的波粒二象性的理解
實驗基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明
光的波動性 干涉和衍射 (1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述
(2)大量光子在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì) 光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的
實驗基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明
光的粒子性 光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng) (1)當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)
(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性 (1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的
(2)光子不同于宏觀觀念的粒子
實驗基礎(chǔ) 表現(xiàn) 說明
波動性和粒子性的對立統(tǒng)一 (1)大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性
(2)波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強 —
【典例5】　(康普頓效應(yīng))康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量，而且具有動量。如圖所示給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰后光子(　　)
A．可能沿1方向，且波長變短
B．可能沿2方向，且波長變短
C．可能沿1方向，且波長變長
D．可能沿3方向，且波長變長
√
【典例6】　(波粒二象性)(多選)對光的認識，下列說法正確的是(　　)
A．少量光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性
B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的
C．光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性了
D．光的波粒二象性可以理解為在某些場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在某些場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯
√
√
√
ABD　[少量光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性；光與物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)為粒子性，光傳播時表現(xiàn)為波動性；光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因為波動性表現(xiàn)為粒子分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性，故正確選項有A、B、D。]
應(yīng)用遷移·隨堂評估自測
1．光具有波粒二象性，能說明光具有粒子性的實驗是(　　)
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光電效應(yīng)
C．光的衍射和康普頓效應(yīng)
D．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)
√
2
4
3
題號
1
D　[光的干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，不能說明光具有粒子性，而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，故D正確。]
2．如圖所示，是一種典型的光電管示意圖，抽成真空的玻璃管內(nèi)部密閉有陰極和陽極，當受到光照時，就會發(fā)生光電效應(yīng)，將其與靈敏電流計相連，關(guān)于此光電管以下說法正確的是(　　)
A．圖中A為陽極，B為陰極
B．當光照射在A極，會從其表面溢出光子打在B極上
C．只提高照射光頻率時，會使得電路中光電流變大
D．只提高照射光強度時，會使得電路中光電流變大
2
3
題號
1
4
√
D　[題圖中A為陰極，B為陽極，A錯誤；光照射在A極上，會從其表面溢出光電子，而非光子，B錯誤；提高照射光頻率并不會增加單位時間溢出的光電子數(shù)目，所以光電流不會變大，C錯誤；提高照射光強度可以增加單位時間溢出的光電子數(shù)目，會使得電路中的光電流變大，D正確。]
2
3
題號
1
4
3．如圖所示為在光電效應(yīng)實驗中，用a、b、c三束光照射同一金屬的表面時，形成的光電流大小隨外加電場電壓的變化關(guān)系，三束光中頻率最大的為________光，若該金屬的逸出功為W，電子的電荷量為e，普朗克常量為h，b光的遏止電壓為U0，結(jié)合圖中的條件，可以表示出b光頻率為________。
2
3
題號
4
1
b

2
3
題號
4
1
2
4
3
題號
1
√
2
4
3
題號
1
回歸本節(jié)知識，完成以下問題：
1．光電效應(yīng)的實驗規(guī)律主要有哪些內(nèi)容？
提示：(1)飽和電流。(2)遏止電壓和截止頻率。(3)瞬時性。
2．電子吸收光子的能量后，都能從金屬表面逸出嗎？
提示：不是。電子吸收光子的能量只有大于逸出功才能從金屬表面逸出。
3．光電子的最大初動能與入射光頻率成正比嗎？與入射光強度有何關(guān)系？
提示：光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，光電子的最大初動能與入射光頻率是線性關(guān)系，但不是正比關(guān)系，光電子最大初動能與入射光強度無關(guān)。
4．在光的散射現(xiàn)象中遵循什么規(guī)律？
提示：(1)能量守恒定律。(2)動量守恒定律。

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