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第二章波粒二象性第一节光电效应第二节光子[学习目标]1.知道什么是光电效应现象.2.知道光电流、极限频率、遏止电压的概念，掌握光电效应的实验规律．(重点)3.理解经典电磁理论在解释光电效应时的困难.4.知道普朗克提出的能量量子假说.5.理解爱因斯坦的光子说．(重点、难点)6.会用光电效应方程解释光电效应．(重点、难点)自主预习探新知一、光电效应、光电流及其变化1．光电效应：金属在光的照射下发射的现象称为光电效应，发射出来的称为光电子．2．光电管：光电管是由密封在玻璃壳内的和组成．表面涂有碱金属，容易在光的照射下发射3．光电流：发出的光电子被收集，在回路中会形成电流，称为光电流．4．发生光电效应时，入射光的强度增大，则光电流随之电子增大．阳极阴极电子．阴极阳极阴极电子二、极限频率和遏止电压1．极限频率对于每一种金属，只有当入射光的频率某一频率ν0时，才会产生光电流，ν0称为极限频率(也叫截止频率)．2．遏止电压在强度和频率一定的光照射下，当达到某一数值时，光电流将会减小到零，我们把这时的电压称为遏止电压．用符号表示．大于反向电压U0二、极限频率和遏止电压3．遏止电压与光电子最大初动能的关系12mv2max＝.4．经典电磁理论解释的局限性按照光的电磁理论，只要光足够强，任何频率的光都应该能够产生光电子，出射电子的动能也应该由入射光的能量即决定．但是实验结果却表明，每种金属都对应有一个不同的，而且遏止电压与光的频率，与光的强度光强无关．有关极限频率eU0三、能量量子假说与光子假说1．能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是的，只能是hν的，hν称为一个能量量子，其中ν是，h称为普朗克常量．2．普朗克常量：h＝J·s.3．光子假说：光的能量不是的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子．一个光子的能量为ε＝.不连续连续辐射频率整数倍6.63×10－34hν三、能量量子假说与光子假说4．黑体：(1)能够吸收所有频率的电磁辐射的物体．绝对的黑体实际上是的．(2)普朗克利用能量量子化的思想和热力学理论，才完美地解释了全部黑体辐射谱．不存在理想四、光电效应方程及其解释1．逸出功：电子能脱离的束缚而逸出金属时所需做的最小功．用表示．2．光电效应方程：hν＝.式中hν表示入射光子的，ν为入射光的离子频率．能量表面W012mv2max＋W0四、光电效应方程及其解释3．光电效应的条件：光子的能量ε＝hν必须逸出功W0.即.4．遏止电压对应着光电子的最大初动能，它们的关系为eU0＝大于或等于ν≥W0h12mv2max.1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)光电子是光照射下发射出来的电子，因此光电子仍然是电子．()(2)入射光的频率较高时，会发生光电效应现象，光电流随着光照强度的增强而增大．()(3)遏止电压与入射光的强弱无关，与入射光的频率有关．()√√√(4)同一频率的光照射不同的金属表面，光电子的最大初动能可能相同．()(5)对于某种金属，也就是逸出功W0一定的情况下，出射光电子的最大初动能只与入射光频率有关，与光的强弱无关．()×√2．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是()ABCDA[黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，辐射越强越大，黑体辐射的波长分布情况也随温度而变化，温度越高，辐射的电磁波的波长越短，A选项正确．]3．用一束紫外线照射某金属时没有产生光电效应，下列措施中可能产生光电效应的是()A．换用强度更大的紫外线照射B．换用红外线照射C．换用极限频率较大的金属D．换用极限波长较大的金属D[发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，红外线的频率小于紫外线的频率，紫外线照射不能发生光电效应，换用红外线不能发生光电效应，故A、B选项错误；换用极限频率较大的金属，不能发生光电效应，故C选项错误；根据频率和波长的关系ν＝cλ可知，换用极限波长较大的金属，可以发生光电效应，故D选项正确．]合作探究攻重难对黑体及黑体辐射的理解1．黑体实际上是不存在的，只是一种理想情况，但如果做一个闭合的空腔，在空腔表面开一个小孔，小孔就可以模拟一个黑体，如图所示．这是因为从外面射来的电磁波，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，在多次反射过程中，外面射来的电磁波几乎全部被腔壁吸收，最终不能从空腔射出．2．黑体不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔．一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被当作黑体来处理．3．黑体同其他物体一样也在辐射电磁波，黑体的辐射规律最为简单，黑体辐射强度只与温度有关．4．一般物体和黑体的热辐射、反射、吸收的特点热辐射不一定需要高温，任何温度都能发生热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强．在一定温度下，不同物体所辐射的光谱的成分有显著不同．热辐射特点吸收、反射的特点一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类、表面状况有关既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波的波长等因素有关黑体辐射电磁波的强弱按波长的分布只与黑体的温度有关完全吸收各种入射电磁波，不反射【例1】(多选)对黑体的认识，下列说法正确的是()A．黑体只吸收电磁波，不辐射电磁波B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及其表面状况无关C．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体D．黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体BD[黑体不仅吸收电磁波，而且也向外辐射电磁波，A错误；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，与材料的种类及其表面状况无关，B正确；小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而空腔不是黑体，C错误；任何物体都会反射电磁波，只吸收不反射电磁波的物体实际是不存在的，故黑体是一种理想化的模型，D正确．]1．(多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知()A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动ACD[由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误．]光电效应的实验规律1.实验装置及电路，如图所示2．几个概念(1)饱和光电流：在光照条件不变时，电流随电压升高而增大到的最大值(Im)．(2)遏止电压：使光电流减小到0时的反向电压(UC)．(3)截止频率：使某种金属发生光电效应的最小频率．又叫极限频率(νc)．不同金属截止频率不同．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，入射光的频率必须大于或等于这个极限频率才能产生光电效应．低于极限频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应现象．(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，光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率高于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．4．电磁理论解释光电效应的三个困难电磁理论认为：光的能量是由光的强度决定，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关．电磁理论光电效应实验结果困难1按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不能发生光电效应困难2光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大．即出射电子的动能应该由入射光的能量即光强来决定遏止电压与光强无关，与频率有关困难3光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎瞬时就产生了光电子【例2】利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν1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，电流表中不一定有电流通过B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过C．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片移到a端，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向b端滑动时，电流表示数可能不变D[因为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，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使UAK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑片向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，当射出的所有光电子都能达到阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，D正确．故正确答案为D.]关于光电效应的三点提醒1．发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的极限频率，即ν＞ν0.2．光电子的最大初动能与照射光的频率及金属有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少．3．在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．2．光电效应实验中，下列表述正确的是()A．光照时间越长光电流越大B．入射光足够强就可以有光电流C．遏止电压与入射光的频率无关D．入射光频率大于极限频率才能产生光电子D[在光电效应中，若照射光的频率小于极限频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于极限频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小，故A、B错误，D正确．遏止电压与入射光频率ν有关，即C错误．]光电效应方程的理解及应用1.光电效应方程的理解(1)光电效应方程Ek＝hν－W0中，Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值．(2)光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关．(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件，即Ek＝hν－W00，亦即hνW0，νW0h＝νc，而νc＝W0h就是金属的极限频率．(4)光电效应方程实质上是能量守恒方程．(5)逸出功W0：电子从金属中逸出所需要克服原子核的束缚而消耗的能量的最小值，叫做金属的逸出功．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．2．光子说对光电效应的解释(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．(2)当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ek＝12mv2max＝hν－W0，其中W0为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的最大初动能越大．而遏止电压U0对应着光电子的最大初动能，即eU0＝12mv2max.所以当W0一定时，U0只与入射光的频率ν有关，与光照强弱无关．(3)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应的发生几乎是瞬时的．(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，光电流也就越大．【例3】紫光在真空中的波长为4.5×10－7m，问：(1)紫光光子的能量是多少？(2)用它照射极限频率为ν0＝4.62×1014Hz的金属钾时能否产生光电效应？(3)若能产生，则光电子的最大初动能为多少？(h＝6.63×10－34J·s)[解析](1)紫光光子的能量E＝hν＝hcλ＝4.42×10－19J.(2)紫光频率ν＝cλ＝6.67×1014Hz因为νν0，所以能产生光电效应．(3)光电子的最大初动能为Ekm＝hν－W＝h(ν－ν0)＝1.36×1