1、第一节第一节 光电效应光电效应 学科素养与目标要求 物理观念： 1.了解光电效应及其实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾.2.知道什么是极 限频率和遏止电压. 科学探究：1.通过实验探究光电流随光的频率、强度的变化情况.2.通过实验探究遏止电压与 入射光强度和入射光频率的关系. 一、光电效应与光电流 1.光电效应 (1)定义：金属在光的照射下发射电子的现象. (2)光电子：光电效应中发射出来的电子. (3)光电流：光电管阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流. 2.光电流及变化 (1)光电管是利用光电效应制成的一种常见的光电器件， 它可以把光信号转变成电信号.光电管 主要
2、是由密封在玻璃壳内的阴极和阳极组成，阴极表面涂有束缚电子能力较弱的碱金属. (2)在正向电压一定的情况下，光电流的变化与入射光的强度有关，与入射光的频率无关，光 源强度可以使光电管阴极单位时间内发射的光电子数目变化. 3.极限频率 对于每一种金属，只有当入射光频率大于某一频率 0时，才会产生光电流.我们将 0称为极 限频率，其对应的波长称为极限波长. 二、遏止电压 1.定义：在强度和频率一定的光照射下，回路中的光电流会随着反向电压的增加而减小，并 且当反向电压达到某一数值时，光电流将会减小到零，这时的电压称为遏止电压，用符号 U0 表示，光电子到达阳极要克服反向电场力做的功 WeU0.光电子出
3、射时的最大初动能1 2mvmax 2 eU0. 2.实验探究遏止电压与光照频率和强度的关系. (1)在蓝光的照射下， 给光电效应的实验装置加上反向电压， 逐渐增大电压， 直至光电流为零， 记录遏止电压的值.改变入射光的强度，重复上述步骤.发现遏止电压相同. (2)维持光源强度不变，改变入射光的频率.先采用蓝光作为入射光，记录遏止电压值；再换绿 光作为入射光，记录遏止电压值.发现绿光遏止电压较小. 探究结论：遏止电压与入射光的强度无关，与入射光的频率有关，入射光频率越大，遏止电 压越大. 遏止电压与入射光的频率有关，说明光电子的最大初动能也与入射光的频率有关，与入射光 的强度无关. 1.判断下列
4、说法的正误. (1)只要光足够强，任何频率的光都可以使金属发生光电效应.( ) (2)能否发生光电效应，取决于入射光的频率，与光的强度无关.( ) (3)遏止电压是反向电压，其作用是阻碍电子的运动.( ) (4)光电管加反向电压时，电压越小，光电流也越小.( ) (5)遏止电压与入射光的强度有关，与入射光的频率无关.( ) 2.某单色光照射某金属时不能发生光电效应，则下述措施中可能使该金属发生光电效应的是( ) A.延长光照时间 B.增大光的强度 C.换用波长较短的光照射 D.换用频率较低的光照射 答案 C 解析 光照射金属时能否发生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的极限频率，与 入射
5、光的强度和照射时间无关，故选项 A、B、D 均错误；又因 c ，所以选项 C 正确. 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
6、电器指针_(填“有”或“无”)偏转. 答案 (1)减小 (2)无 解析 (1)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.当带负电的金属小球与锌板接触 后，中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏角减小. (2)使验电器指针回到零，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，说明 钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率，而红外线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. 针对训练 1 如图 2 所示为光电管电路的示意图， 在光电管电路中， 下列说法错误的是(
7、 ) 图 2 A.能够把光信号转变为电信号 B.电路中的电流是由光电子的运动形成的 C.光照射到光电管的 A 极发生光电子并飞向 K 极 D.光照射到光电管的 K 极发生光电子并飞向 A 极 答案 C 解析 在光电管中，当光照射到阴极 K 时，将发射出光电子，被 A 极的正向电压吸引而奔向 A 极，形成光电流，使电路导通，照射光的强度越大，产生的光电流越大，这样就把光信号 转变为电信号，实现光电转换. 二、光电效应的实验探究及实验规律 1.探究光电流的大小与入射光的强度及其频率的关系 (1)实验电路：(如图 3) 图 3 (2)探究思路：只改变入射光的强度或频率，观察光电流的大小变化情况. (
8、3)实验结论： a.能否发生光电效应与光的频率有关，与光的强度和照射时间的长短无关. b.发生光电效应时，电路中电流大小与光的强度有关，光的强度越大，电流越大. c.用不同频率的光去照射锌板，发现当频率低于某一值 0的光，不论强度多大，都不能产生 光电子，因此 0称为极限频率，对于不同的材料，极限频率不同.极限频率对应的波长称为极 限波长. 2.探究遏止电压与入射光的强度及频率的关系 (1)探究思路：只改变入射光的强度或频率，测量遏止电压的值. 图 4 (2)实验结论： a：用相同频率、不同强度的光去照射阴极时，遏止电压是相同的.这说明同频率、不同强度 的光所产生的光电子的最大初动能是相同的.
9、 b：用相同强度、不同频率的光去照射阴极，频率越高，遏止电压越大. c.如图 4 所示，遏止电压 U0与频率 成线性关系，图中的 0为极限频率. 3.光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个极限频率， 入射光频率必须高于这个极限频率， 才能发生光电效应， 入射光低于这个频率则不能发生光电效应. (2)光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大. (3)入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 10 9 s. (4)当入射光的频率高于极限频率时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强 度成正比. 例 2 利用光电管研究光电效应实验如图 5 所
10、示，用频率为 的可见光照射阴极 K，电流表 中有电流通过，则( ) 图 5 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 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 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 的极限频率，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 UAK0， 电流表中也有电流， 所以选项 C 错
11、误； 当滑动触头向 B 端滑动时， UAK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 UAK，光电 流也不会增大，所以选项 D 正确. 学科素养 判断能否发生光电效应，应看入射光的频率与极限频率的关系，本题考查了对 光电效应实验规律、实验装置和实验原理的理解，体现了“物理观念”和“科学探究”的学 科素养. 针对训练 2 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
12、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少 D.有可能不发生光电效应 答案 C 解析 发生光电效应几乎是瞬时的，选项 A 错误；入射光的强度减弱，说明单位时间内的入 射光子数目减少，频率不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项 B 错误；光电流随 入射光强度的减小而减小， 逸出的光电子数目也随入射光强度的减小而减少， 故选项C正确； 入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光 的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项 D 错误. 三、经典电磁理论解释的局限性 在光的照射下，物体内部的电子受到电磁波的作用做受迫振动.
13、经典电磁理论的结论 实验事实 成功解释 的现象 光越强，电磁波的振幅越大，对电 子的作用越强， 电子振动得越厉害， 电子越容易从物体内部逃逸出来 光越强，光电流就越大 矛盾之一 无论入射光频率多大，只要光足够 强，电子就能获得足够的能量逸出 金属表面 每一种金属都对应有一个不同的极限频率， 当入射光频率低于极限频率时， 无论光的强 度多大， 照射时间多长都不会发生光电效应 矛盾之二 出射电子的动能应该由入射光的能 量即光强决定 光电子的最大初动能与入射光的强度无关， 与入射光的频率有关 矛盾之三 光的强度足够大，电子就能获得足 够的能量， 电子就能逸出金属表面， 电子能量增加应该有一个积累过
14、程，电子才能逸出金属表面 若能发生光电效应， 即使光很弱， 也是瞬间 发生的 例 3 在光电效应的规律中，经典电磁理论能解释的有( ) A.入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才能发生光电效应 B.光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大 C.入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 10 9 s D.当入射光频率大于极限频率时，光电子数目随入射光强度的增大而增多 答案 D 1.(光电效应现象的认识)(多选)如图 6 所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开 一个角度，则下列说法中正确的是( ) 图 6 A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发
15、生偏转 B.用红光照射锌板，验电器指针一定会发生偏转 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 答案 AD 2.(光电效应规律)(多选)已知光电管阴极的极限频率为 0，如图 7 所示，现将频率 (大于 0) 的光照射在阴极上( ) 图 7 A.照射在阴极上的光的强度越大，单位时间内产生的光电子数目也越多 B.为了阻止光电子到达阳极 A，必须在 A、K 间加一足够高的反向电压 C.加在 A、K 间的正向电压越大，通过光电管的饱和光电流的值也越大 D.光电管的光电流值不随加在 A、K 间正向电压的增大而增大 答案 AB 解析 由 0可知，阴极 K 发生光电效应，由实验结论知 A 正
16、确；在 A、K 间加一足够高 的反向电压，在电场力的作用下，阴极 K 上逸出的光电子不能顺利到达阳极 A，不能形成光 电流，B 正确；增大 A、K 间的正向电压，开始时光电流增大，正向电压增大到某值时，可 使从阴极逸出的光电子全部到达阳极，此时电路中的光电流达到最大值，再增大电压，电流 不变，C、D 错误. 3.(光电效应规律)(多选)如图 8 所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计 中没有电流通过.其原因可能是( ) 图 8 A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间太短 D.电源正、负极接反 答案 BD 解析 金属存在极限频率， 用频率超过金属极限频率的光照射金属时才
17、会有光电子射出.入射 光的频率低于极限频率， 不能产生光电效应， 光电效应的产生与光照强弱无关， 选项 B 正确， A 错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也 没有光电流产生，D 正确；光电效应的产生与光照时间无关，C 错误. 4.(光电效应规律的理解)(多选)研究光电效应规律的实验装置如图 9 所示，以频率为 的光照 射光电管电极 K 时， 有光电子产生.光电管 K、 A 极间所加的电压 U 可由图中的电压表测出， 光电流由图中电流计测出，下列关于光电效应实验规律的说法中，正确的是( ) 图 9 A.降低入射光的频率有可能光电管电极 K 上无光电子放出
18、 B.当滑片 P 位于 P右端时，电极 K、A 间所加电压使从电极 K 发出的光电子加速 C.保持入射光频率不变，当增大入射光光强时，图中电流计示数不变 D.保持入射光频率、光强不变，若只增大光电管 K、A 极间所加的加速电压，光电流会趋于 一个饱和值 答案 AD 解析 降低入射光的频率，有可能不发生光电效应，则光电管电极 K 上无光电子放出，故 A 正确；当滑片 P 位于 P右端时，电极 K、A 间所加电压使从电极 K 发出的光电子减速，故 B 错误；保持入射光频率不变，当增大入射光光强时，电流计示数增大，故 C 错误；保持入 射光频率、光强不变，若只增大光电管 K、A 极间所加的加速电压，光电流会趋于一个饱和 值，故 D 正确.