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（完整版）02第17.2节《光的粒子性》导学案（教师版）1

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高二物理 XX3-5-17-02

第十七章第2节《光的粒子性》导学案

编写人：刘玉平审核人：高二物理组编写时间：2017-3-10 班级：组别：组名：姓名：

【学习目标】

1、通过实验了解光电效应的实验规律。 2、知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。 3、了解康普顿效应，了解光子的动量。【学法指导】探究法、分析法、归纳法。【知识链接】

1、能量子的概念； 2、能量量子化的思想【学习过程】

知识点一、光电效应现象

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． [问题1]如图所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上(弧光灯发射紫外线)．

(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象为__________________，

说明______________________________________________________. (2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为

________________________________________________________________________，说明_____________________________________________________________________.

(3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象为________________________________________________________________________，说明________________________________________________________________________．

答案： (1)验电器偏角张开锌板带电了．弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电

(2)指针偏角明显减小锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光 (3)观察不到指针的偏转可见光不能使锌板发生光电效应 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．

光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光子是光电效应的因，光电子是果．

知识点二、光电效应的实验规律 1．光电效应的四点规律

(1)存在着遏止电压和截止频率：入射光的频率低于截止频率时不能(填“能”或“不能”)发生光电效应．

2遏止电压UC的存在意味着光电子具有一定的初速度，UC与光电子最大动能的关系为meve/2=eUC。（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关．

完成等级更正等级任何一种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须大于νc，才能产生光电效应，与入射光的强度及照射时间无关．

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(3)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 s.

(4)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．

发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比。

对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子越多。

这表明当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子数与入射光的强度有关． 2．掌握三个概念的含义

(1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初动能．

(2)对于一定频率的光，入射光的强度决定着单位时间内发射的光子数； (3)对于一定频率的光，饱和电流决定着单位时间内发射的最大光电子数．

3．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同．光电效应解释中的疑难

知识点三、光电效应与光的电磁理论的矛盾按光的电磁理论，应有：

(1)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关． (2)不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应．

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(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10s. 知识点四、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的光子的能量为 hν. 2．光电效应方程

光电效应方程实质上是能量守恒方程。能量为E＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．如果克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：

hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.

3．光电效应方程包含了产生光电效应的条件

若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>h

＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．

4．对光电效应规律的解释

(1)光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光的强弱无关．只有当hν>W0时，才有光电子逸出．

(2)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间．

(3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大．

5．光电效应中的图像问题

与光电效应有关的图象有Ekm-v图象，遏止电压Uc-ν图象．光电流I与加速电压U的关系图象，I-U图象等．现分述如下：

a．入射光的强度与频率不变的情况I－U的实验曲线如图(甲)所示．

(1)当加速电压U增加到一定值时，光电流达到饱和值Im.这是因为单位时间内从阴极K射出的光电子全部到达阳极A.

(2)当电压U减小到零，并开始反向时，光电流并没降为零，这表明从阴极K逸出的光电子具有初动能．

(3)当反向电压等于Uc时，具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.则最大初动能Ek＝mev

＝eUc.

甲乙丙丁 b．入射光为不同频率或不同强度的情况

(1)在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时，I-U曲线如图(乙)所示．它显示Uc相同即光电子的最大初动能相同．

(2)用不同频率而强度相同的光去照射阴极K时，I-U曲线如图(丙)所示．它显示频率愈高，Uc愈大，并且ν与Uc呈线性关系(Ek＝hν－W0, Uc＝hν/e－W0/e)，如图(丁)．频率低于νc的光，不论强度多大，都不能产生光电子．

横轴上的截距是截止频率(或极限频率)；纵轴上的截距是－W0或－W0/e；斜率为h或h/e．知识点五、康普顿效应

1．光的散射：光在介质中与物体微粒相互作用，因而传播方向发生改变的现象．

2．康普顿效应：在光的散射中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分． 3．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面．

4．光子的动量：（p＝mc,E= mc= hν）p＝.

知识点六、精析精练

【例1】利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则( ) 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

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，也可能发生光电效应，所以选项B错误．即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以选项C错误．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．

【例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

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，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误．入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，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．答案 C

【例3】在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置，如图(a)所示，在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图(b)所示．则正确的是( ) A．乙光的频率小于甲光的频率 B．甲光的波长大于丙光的波长

C．丙光的光子能量小于甲光的光子能量 D．乙光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能

解析：由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及遏止电压的含义可知，hν－W0＝eUc，结合题意与图象可以判断，W0相同，

U1>U2，则三种色光的频率为ν乙＝ν丙>ν甲，故丙光子能量大于甲光子能量，C错误，同时判断

乙光对应光电子的最大初动能等于丙光对应光电子的最大初动能，A、D错误，由ν＝知，λ乙

＝λ丙＜λ甲，B正确．【答案】 B 光电效应中有关图象问题的解题方法

(1)明确图象中纵坐标和横坐标所表示的物理量． (2)明确图象所表示的物理意义及所对应的函数关系，同时还要知道截距、交点等特殊点的意义．【例4】如图所示，当电键K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上电键，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( )

A．1.9 eV B．0.6 eV C．2.5 eV D．3.1 eV 解析：由题意知光电子的最大初动能为Ek＝eUc＝0.60 eV

所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得

W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV 答案A.

【当堂检测】

1、 (多选)在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是( )

A．增大入射光的强度，光电流增大 B．减小入射光的强度，光电效应现象消失 C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应 D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大

解析：增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光子数增加，则光电流将增大，故选项A正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，故选项B错误．用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限

频率，则仍会发生光电效应，选项C错误；根据hν－W逸＝mv可知，增加照射光频率，光电子

的最大初动能也增大，故选项D正确．答案 AD。

2、 (多选)如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，由图象可知( )

A．该金属的逸出功等于E B．该金属的逸出功等于hνc

C．入射光的频率为νc时，产生的光电子的最大初动能为E D．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为2E

解析：题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0知，当入射光的频率恰为该金属的截

止频率νc时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hνc＝W0，即该金属的逸出功为E，故选项A、B正确，选项C、D错误．答案AB。

3、在某次光电效应实验中，得到遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出功可表示为________．【答案】 ek －eb

4、研究光电效应规律的实验装置如图1所示，以频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生．由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动．光电流i由图中电流计G 测出，反向电压U由电压表V 测出．当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为反向截止电压Uc，在下图所表示光电效应实验规律的图象中，错误的是( )

解析：当反向电压U与入射光频率ν一定时，光电流i与光强成正比，所以A图正确；频率12

为ν的入射光照射阴极所发射出的光电子的最大初动能为mevmax＝hν－W0，而截止电压Uc与最大

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初动能的关系为eUc＝mvmax，所以截止电压Uc与入射光频率ν的关系是eUc＝hν－W0，其函数图

2象不过原点，所以B图错误；当光强与入射光频率一定时，单位时间内单位面积上逸出的光电子数及其最大初动能是一定的，所形成的光电流强度会随反向电压的增大而减少，所以C图正确；根据光电效应的瞬时性规律，不难确定D图是正确的．【答案】 B

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5、铝的逸出功为4.2 eV，现用波长为200 nm的光照射铝的表面．已知h＝6.63×10J·s，求：(1)光电子的最大初动能；(2)遏止电压；(3)铝的截止频率．解析：(1)根据光电效应方程Ek＝hν－W0有

hc6.63×10×3.0×10－19－19

Ek＝－W0＝ J－4.2×1.6×10 J＝3.225×10 J －9

λ200×10

－19

Ek3.225×10