第1講光電效應【基礎梳理】一、光電效應1定義：在光的照射下從物體發射出電子的現象(發射出的電子稱為光電子)2產生條件：入射光的頻率大于極限頻率3光電效應規律(1)存在著飽和電流：對于一定顏色的光，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多(2)存在著遏止電壓和截止頻率：光電子的能量只與入射光的頻率有關，而與入射光的強弱無關當入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應(3)光電效應具有瞬時性：當頻率超過截止頻率時，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時立即產生光電流，時間不超過109 s.二、光電效應方程1基本物理量(1)光子的能量h，其中h6.6261034 Js(稱為普朗克常量)(2)逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值(3)最大初動能：發生光電效應時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有動能的最大值2光電效應方程：EkhW0三、光的波粒二象性與物質波1光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現象證明光具有波動性(2)光電效應說明光具有粒子性(3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性2物質波(1)概率波：光的干涉現象是大量光子的運動遵守波動規律的表現，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波(2)物質波：任何一個運動著的物體，小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應，其波長，p為運動物體的動量，h為普朗克常量【自我診斷】判一判(1)只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能發生光電效應()(2)光電子就是光子()(3)極限頻率越大的金屬材料逸出功越大()(4)從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小()(5)入射光的頻率越大，逸出功越大()提示：(1)(2)(3)(4)(5)做一做(多選)(高考廣東卷)在光電效應實驗中，用頻率為的光照射光電管陰極，發生了光電效應，下列說法正確的是()A增大入射光的強度，光電流增大B減小入射光的強度，光電效應現象消失C改用頻率小于的光照射，一定不發生光電效應D改用頻率大于的光照射，光電子的最大初動能變大提示：選AD.增大入射光強度，單位時間內照射到單位面積的光電子數增加，則光電流將增大，故選項A正確；光電效應是否發生取決于照射光的頻率，而與照射強度無關，故選項B錯誤用頻率為的光照射光電管陰極，發生光電效應，用頻率較小的光照射時，若光的頻率仍大于極限頻率，則仍會發生光電效應，選項C錯誤；根據hW逸mv2可知，增加照射光頻率，光電子的最大初動能也增大，故選項D正確對光電效應現象的理解學生用書P230【知識提煉】1與光電效應有關的五組概念對比(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發射出來的電子，其本質是電子光子是光電效應的因，光電子是果(2)光電子的初動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時，電子吸收光子的全部能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有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的情況，才具有最大初動能光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能(3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(4)入射光強度與光子能量：入射光強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量(5)光的強度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系2光電效應的研究思路(1)兩條線索：(2)兩條對應關系：光強大光子數目多發射光電子多光電流大；光子頻率高光子能量大光電子的最大初動能大【典題例析】(多選)(2016高考全國卷改編)現用一光電管進行光電效應實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產生下列說法正確的是()A保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大B入射光的頻率變高，飽和光電流變大C入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產生解析根據光電效應規律，保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，則飽和光電流變大，選項A正確由愛因斯坦光電效應方程知，入射光的頻率變高，產生的光電子最大初動能變大，而飽和光電流與入射光的頻率和光強都有關，選項B錯誤，C正確保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，當入射光的頻率小于極限頻率時，就不能發生光電效應，沒有光電流產生，選項D錯誤答案AC(多選)1905年是愛因斯坦的“奇跡”之年，這一年他先后發表了三篇具有劃時代意義的論文，其中關于光量子的理論成功的解釋了光電效應現象關于光電效應，下列說法正確的是 ()A當入射光的頻率低于極限頻率時，不能發生光電效應B光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比C光電子的最大初動能與入射光的強度成正比D某單色光照射一金屬時不發生光電效應，改用波長較短的光照射該金屬可能發生光電效應解析：選AD.根據光電效應現象的實驗規律，只有入射光頻率大于極限頻率才能發生光電效應，故A、D正確根據光電效應方程，最大初動能與入射光頻率為線性關系，但非正比關系，B錯誤；根據光電效應現象的實驗規律，光電子的最大初動能與入射光強度無關，C錯誤光電效應方程學生用書P230【知識提煉】1三個關系(1)愛因斯坦光電效應方程EkhW0.(2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管用實驗的方法測得，即EkeUc，其中Uc是遏止電壓(3)光電效應方程中的W0為逸出功，它與極限頻率c的關系是W0hc.2四類圖象圖象名稱圖象形狀由圖象直接(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率的關系圖象(1)極限頻率：圖象與軸交點的橫坐標c(2)逸出功：圖象與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0|E|E(3)普朗克常量：圖象的斜率kh顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系(1)遏止電壓Uc：圖象與橫軸的交點的橫坐標的絕對值(2)飽和光電流Im：電流的最大值是強光大于弱光(3)最大初動能：EkmeUc顏色不同時，光電流與電壓的關系(1)遏止電壓Uc1、Uc2(2)最大初動能：Ek1eUc1、Ek2eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率的關系圖線(1)截止頻率c：圖線與橫軸的交點的橫坐標；(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量的乘積，即hke(注：此時兩極之間接反向電壓)【典題例析】(多選)(2017高考全國卷)在光電效應實驗中，分別用頻率為a、b的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb.h為普朗克常量下列說法正確的是()A若ab，則一定有UaUbB若ab，則一定有EkaEkbC若UaUb，則一定有EkaEkbD若ab，則一定有haEkahbEkb解析設該金屬的逸出功為W，根據愛因斯坦光電效應方程有EkhW，同種金屬的W不變，則逸出光電子的最大初動能隨的增大而增大，B項正確；又EkeU，則最大初動能與遏止電壓成正比，C項正確；根據上述有eUhW，遏止電壓U隨增大而增大，A項錯誤；又有hEkW，W相同，則D項錯誤答案BC1應用光電效應方程時的注意事項(1)每種金屬都有一個截止頻率，光頻率大于這個截止頻率才能發生光電效應(2)截止頻率是發生光電效應的最小頻率，對應著光的極限波長和金屬的逸出功，即h0hW0.(3)應用光電效應方程EkhW0時，注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1 eV1.61019 J)(4)作為能量守恒的一種表達式可以定性理解方程hW0mv2的意義：即入射光子的能量一部分相當于轉換在金屬的逸出功上，剩余部分轉化為光電子的動能對某種金屬來說W0為定值，因而光子頻率決定了能否發生光電效應及光電子的初動能大小每個光子的一份能量h與一個光電子的動能mv2對應2光電效應中有關圖象問題的解題方法(1)明確圖象中縱坐標和橫坐標所表示的物理量(2)明確圖象所表示的物理意義及所對應的函數關系，同時還要知道截距、交點等特殊點的意義例如，Ekm圖象，表示了光電子的最大初動能Ekm隨入射光頻率的變化曲線，圖甲中橫軸上的截距是陰極金屬的極限頻率，縱軸上的截距表示了陰極金屬的逸出功負值，直線的斜率為普朗克常量，圖象的函數式：EkhW0.光電效應中的IU圖象，是光電流強度I隨兩極板間電壓U的變化曲線，圖乙中的Im是飽和光電流，Uc為遏止電壓【遷移題組】遷移1對Ek圖象的理解1(多選)如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線(直線與橫軸的交點坐標4.27，與縱軸交點坐標0.5)由圖可知()A該金屬的截止頻率為4.271014 HzB該金屬的截止頻率為5.51014 HzC該圖線的斜率表示普朗克常量D該金屬的逸出功為0.5 eV解析：選AC.圖線在橫軸上的截距為截止頻率，A正確、B錯誤；由光電效應方程EkhW0，可知圖線的斜率為普朗克常量，C正確；金屬的逸出功為：W0h0 eV1.77 eV，D錯誤遷移2對IU圖象的理解2在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示則可判斷出()A甲光的頻率大于乙光的頻率B乙光的波長大于丙光的波長C乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率D甲光對應的光電子最大初動能大于丙光對應的光電子最大初動能解析：選B.由圖象知，甲、乙光對應的遏止電壓相等，由eUcEk和hW0Ek得甲、乙光頻率相等，A錯誤；丙光的頻率大于乙光的頻率，則丙光的波長小于乙光的波長，B正確；由hcW0得甲、乙、丙光對應的截止頻率相同，C錯誤；由光電效應方程知，甲光對應的光電子最大初動能小于丙光對應的光電子最大初動能，D錯誤遷移3對Uc圖象的理解3(2015高考全國卷)在某次光電效應實驗中，得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率的關系如圖所示若該直線的斜率和截距分別為k和b，電子電荷量的絕對值為e，則普朗克常量可表示為_，所用材料的逸出功可表示為_解析：根據光電效應方程EkmhW0及EkmeUc得Uc，故k，b，得hek，W0eb.答案：ekeb光的波粒二象性物質波學生用書P232【知識提煉】光既具有波動性，又具有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機的統一體，其表現規律為：1從數量上看：個別光子的作用效果往往表現為粒子性；大量光子的作用效果往往表現為波動性2從頻率上看：頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現象；頻率越高粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現象，貫穿本領越強3從傳播與作用上看：光在傳播過程中往往表現為波動性；在與物質發生作用時往往表現為粒子性4波動性與粒子性的統一：由光子的能量Eh，光子的動量p表達式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量頻率和波長.5理解光的波粒二象性時不可把光當成宏觀概念中的波，也不可把光當成宏觀概念中的粒子【跟進題組】1(多選)(2015高考全國卷改編)實物粒子和光都具有波粒二象性下列事實中突出體現波動性的是()A電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣B射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡C人們利用慢中子衍射來研究晶體的結構D光電效應實驗中，光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關解析：選AC.電子束具有波動性，通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣，選項A正確；射線在云室中高速運動時，徑跡又細又直，表現出粒子性，選項B錯誤；人們利用慢中子衍射來研究晶體的結構，體現出波動性，選項C正確；光電效應實驗，體現的是波的粒子性，選項D錯誤2德布羅意認為，任何一個運動著的物體，都有一種波與它對應，波長是，式中p是運動物體的動量，h是普朗克常量已知某種紫光的波長是440 nm，若將電子加速，使它的德布羅意波長是這種紫光波長的1104倍求：(1)電子的動量大小(2)試推導加速電壓跟德布羅意波長的關系，并計算加速電壓的大小(電子質量m9.11031 kg，電子電荷量e1.61019 C，普朗克常量h6.61034 Js，加速電壓的計算結果取一位有效數字)解析：(1)由得p kgm/s1.51023 kgm/s.(2)eUEk，又聯立解得U，代入數據解得U8102 V.答案：(1)1.51023 kgm/s(2)U8102 V學生用書P2321(2017高考北京卷)2017年年初，我國研制的“大連光源”極紫外自由電子激光裝置，發出了波長在100 nm(1 nm109 m)附近連續可調的世界上最強的極紫外激光脈沖大連光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術、霧霾治理等領域的研究中發揮重要作用一個處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個分子，但又不會把分子打碎據此判斷，能夠電離一個分子的能量約為(取普朗克常量h6.61034 Js，真空光速c3108 m/s) ()A1021 JB1018 JC1015 J D1012 J解析：選B.由題意知，電離一個分子的能量等于照射分子的光子能量，Ehh21018 J，故選項B正確2(高考江蘇卷)已知鈣和鉀的截止頻率分別為 7.73 1014 Hz 和5.441014 Hz，在某種單色光的照射下兩種金屬均發生光電效應，比較它們表面逸出的具有最大初動能的光電子，鈣逸出的光電子具有較大的()A波長B頻率C能量D動量解析：選A.根據愛因斯坦光電效應方程mvhW.由題知W鈣W鉀，所以鈣逸出的光電子的最大初動能較小根據p及p和c知，鈣逸出的光電子的特點是：動量較小、波長較長、頻率較小選項A正確，選項B、C、D錯誤3(多選)(2018河北保定模擬)如圖所示，這是一個研究光電效應的電路圖，下列敘述中正確的是()A只調換電源的極性，移動滑片P，當電流表示數為零時，電壓表示數為遏止電壓U0的數值B保持光照條件不變，滑片P向右滑動的過程中，電流表示數將一直增大C不改變光束顏色和電路，增大入射光束強度，電流表示數會增大D陰極K需要預熱，光束照射后需要一定的時間才會有光電流解析：選AC.只調換電源的極性，移動滑片P，電場力對電子做負功，當電流表示數為零時，則有eUmv，那么電壓表示數為遏止電壓U0的數值，故A項正確；當其他條件不變，P向右滑動，加在光電管兩端的電壓增加，光電子運動更快，由I得電流表讀數變大，若電流達到飽和電流，則電流表示數不會增大，B項錯誤；只增大入射光束強度時，單位時間內光電子數變多，電流表示數變大，C項正確；因為光電效應的發生是瞬間的，陰極K不需要預熱，所以D項錯誤4小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現象，實驗裝置示意圖如圖甲所示已知普朗克常量h6.631034 Js.(1)圖甲中電極A為光電管的_(選填“陰極”或“陽極”)；(2)實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率之間的關系如圖乙所示，則銣的截止頻率c_Hz，逸出功W0_J；(3)如果實驗中入射光的頻率7.001014Hz，則產生的光電子的最大初動能Ek_J.解析：(1)在光電效應中，電子向A極運動，故電極A為光電管的陽極(2)由題圖可知，銣的截止頻率c為5.151014 Hz，逸出功W0hc6.6310345.151014 J3.411019 J.(3)當入射光的頻率為7.001014Hz時，由Ekhhc得，光電子的最大初動能為Ek6.631034(7.005.15)1014 J1.231019 J.答案：(1)陽極(2)5.151014(5.125.18)1014均視為正確3.411019(3.393.43)1019均視為正確(3)1.231019(1.211.25)1019均視為正確學生用書P353(單獨成冊)(建議用時：60分鐘)一、單項選擇題1入射光照到某金屬表面發生光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，則下列說法中正確的是()A從光照射到金屬表面上到金屬發射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B逸出的光電子的最大初動能減小C單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目將減少D有可能不發生光電效應解析：選C.光電效應瞬時(109 s)發生，與光強無關，A錯誤；光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，入射光的頻率越大，最大初動能越大，B錯誤；光電子數目多少與入射光的強度有關，光強減弱，單位時間內從金屬表面逸出的光電子數目減少，C正確；能否發生光電效應，只取決于入射光的頻率是否大于極限頻率，與光強無關，D錯誤2(2018太原質檢)關于物質的波粒二象性，下列說法中不正確的是()A不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒都具有波粒二象性B運動的微觀粒子與光子一樣，當它們通過一個小孔時，都沒有特定的運動軌道C波動性和粒子性，在宏觀現象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運動的現象中是統一的D實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性解析：選D.光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規律，大量光子運動的規律表現出光的波動性，而單個光子的運動表現出光的粒子性光的波長越長，波動性越明顯，光的頻率越高，粒子性越明顯而宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，不是不具有波粒二象性，D項錯誤3在光電效應的實驗結果中，與光的波動理論不矛盾的是()A光電效應是瞬時發生的B所有金屬都存在極限頻率C光電流隨著入射光增強而變大D入射光頻率越大，光電子最大初動能越大解析：選C.按照光的波動理論，電子吸收光子的能量需要時間，因此光電效應不可能瞬時發生，這與光電效應具有瞬時性矛盾；按照光的波動理論，只要有足夠長的時間，電子會吸收足夠的能量，克服原子的束縛成為光電子，因此所有金屬均可以發生光電效應，這與光電效應有極限頻率矛盾；按照光的波動理論，照射光越強，電子獲得的能量越大，打出的光電子的最大初動能越大，這與光電效應中打出的光子的最大初動能與光強無關，而與照射光的頻率有關矛盾；按照光的波動理論也可以得到光越強打出的光電子越多，光電流越大，因此C項正確4研究光電效應電路如圖所示，用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關系圖象中，正確的是()解析：選C.由于是強度不同的光照射同種鈉極板，則遏止電壓相同，強度不同，飽和光電流不同選項C正確5(2017高考上海卷)光子的能量與其()A頻率成正比B波長成正比C速度成正比D速度平方成正比解析：選A.由Ehh，可見光子的能量與其頻率成正比、與其波長成反比，A正確，B錯誤；由于任意能量的光子在真空中傳播的速度都是相同的，故C、D皆錯誤6以往我們認識的光電效應是單光子光電效應，即一個電子在極短時間內只能吸收到一個光子而從金屬表面逸出強激光的出現豐富了人們對于光電效應的認識，用強激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在極短時間內吸收多個光子成為可能，從而形成多光子光電效應，這已被實驗證實光電效應實驗裝置示意圖如圖所示用頻率為的普通光源照射陰極K，沒有發生光電效應，換用同樣頻率為的強激光照射陰極K，則發生了光電效應；此時，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場逐漸增大U，光電流會逐漸減小；當光電流恰好減小到零時，所加反向電壓U可能是下列的(其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量)()AUBUCU2hWDU解析：選B.以從陰極K逸出的且具有最大初動能的光電子為研究對象，由動能定理得：Ue0mv由光電效應方程得：nhmvW(n2，3，4，)由式解得：U(n2，3，4，)，故選項B正確二、多項選擇題7如圖所示，電路中所有元件完好，但光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過，其原因可能是()A入射光太弱B入射光波長太長C光照時間短D電源正、負極接反解析：選BD.入射光波長太長，入射光的頻率低于截止頻率時，不能發生光電效應，故選項B正確；電路中電源反接，對光電管加了反向電壓，若該電壓超過了遏止電壓，也沒有光電流產生，故選項D正確81927年戴維遜和革末完成了電子衍射實驗，該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一如圖所示的是該實驗裝置的簡化圖，下列說法正確的是()A亮條紋是電子到達概率大的地方B該實驗說明物質波理論是正確的C該實驗再次說明光子具有波動性D該實驗說明實物粒子具有波動性解析：選ABD.電子屬于實物粒子，電子衍射實驗說明電子具有波動性，說明物質波理論是正確的，與光的波動性無關，B、D正確，C錯誤；物質波也是概率波，亮條紋是電子到達概率大的地方，A正確9用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加，在照相底片上先后出現如圖甲、乙、丙所示的圖象，則()A圖象甲表明光具有粒子性B圖象乙表明光具有波動性C用紫外線觀察不到類似的圖象D實驗表明光是一種概率波解析：選ABD.圖象甲曝光時間短，通過光子數很少，呈現粒子性圖象乙曝光時間長，通過了大量光子，呈現波動性，故A、B正確；同時也表明光波是一種概率波，故D也正確；紫外線本質和可見光本質相同，也可以發生上述現象，故C錯誤10(2015高考江蘇卷)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有()A光電效應現象揭示了光的粒子性B熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性C黑體輻射的實驗規律可用光的波動性解釋D動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波長也相等解析：選AB.光電效應現象、黑體輻射的實驗規律都可以用光的粒子性解釋，選項A正確，選項C錯誤；熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性，選項B正確；由德布羅意波長公式和p22mEk知動能相等的質子和電子動量不同，德布羅意波長不相等，選項D錯誤11(2018北京朝陽模擬)用綠光照射一個光電管，能產生光電效應欲使光電子從陰極逸出時最大初動能增大，可以()A改用紅光照射B改用紫光照射C改用藍光照射D增加綠光照射時間解析：選BC.光電子的最