光电效应 吕叔湘中学 庞留根 2005年2月,一. 光电效应现象 二.光电效应规律 三.光子说 四. 爱因斯坦光电效应方程 五、光的波粒二象性 例题 例1、 例2、 例3、 例4、 例5、 例6 例7、 例8、 例9、 例10、 例11、 高考题选 95年 96年上海 97年上海7 92年 98年全国8 03年江苏2 04年广东6 00年天津 00年广东6 04年天津 04年广西6 04年北京18 04年浙江19 2005年天津卷17,光电效应,一. 光电效应现象,二.光电效应规律,1. 每种金属都有发生光电效应的极限频率,2.光电效应的产生几乎是瞬时的,3.光电子的最大初动能Ekm和入射光强度无关, 只随入射光频率的增大而增大,4. 单位时间打出的光电子与入射光强度成正比,三.光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的, 每一份叫光子, 光子的能量跟频率成正比 E=h h=6.6310 34 J.s普朗克恒量,四. 爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦光电效应方程的图象,爱因斯坦光电效应方程是能量守恒定律在 光电效应现象中的表现形式,逸出功和极限频率的关系,极限波长和极限频率的关系,由 v= f 得,五、光的波粒二象性,光的干涉和衍射表明光确实是一种波，光电 效应和康普顿效应无可辩驳地证明了光是 一种粒子，因此说：光是一种波，同时光 也是一种粒子，光具有波粒二象性,单个光子表现为粒子性,大量光子的运动表现为波动性,波长较长、频率较低的光，波动性较显著,波长较短、频率较高的光，粒子性较显著,光是一种概率波,一切微观粒子都有波粒二象性,例在研究光电效应的实验中，根据测得的数据绘出光电子最大初动能Ek跟照射光频率的关系图象如图所示.图线的斜率tg ，横轴上的截距表示该金属发生光电效应的 ，纵轴上的截距的绝对值表示该金属的 的大小.若换用其他金属做同样的实验，测绘得到的图线与此图的图线相比较 相同， 不同,h,极限频率,逸出功,斜率,纵横截距,光电效应的规律是： 任何一种金属都有一个_频率, 入射光的频率必须_这个频率, 才能产生光电效应; (2) 光电子的最大初动能与 无关, 只随着 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_, 一般不超过_; (4) 产生光电效应时, 光电流的强度与 成正比,极限,大于,入射光的强度,入射光频率,瞬时的,10-9秒,入射光的强度,例1,例2、在X射线管中，由阴极发射的电子被加速后打到阳极，会产生包括X光在内的各种能量的光子，其中光子能量的最大值等于电子的动能。若伦琴射线管阳极与阴极间所加电压为3.00104V, 求伦琴射线管所发出的X射线的最短波长是多少,解：电子被加速后具有的能量 EK=eU,电子撞击阳极发出X射线，当电子的动能全部变 为光子的能量h时， X射线的波长最短,EK= h,eU=hc,hc/ eU=4.1410 -11 m,例3、从太阳到达地球的光流强度，在垂直于光的传播方向上是1.4103 W/m2 ，如果把太阳光看成是平均频率为5 1014 Hz的单色光，在垂直于太阳光的地球表面的 1 cm2 的面积上，每秒接收到的光子数有多少个,解：每秒钟太阳光照到地球上1 cm2的能量为,E= 1.4103 110-4= 0.14 J,每个光子的能量为 E 1=h=6.63 10-34 5 1014 =3.3 10 -19 J,n=E/ E 1 = 0.14 / 3.3 10 -19 =4.2 10 17个,例4,有一小灯泡的规格为“6V、0.3A”，正常工作时大约有6%的电能转变为可见光，试估算每一秒钟释放出来的可见光的光子数,解,一秒钟消耗电能 W=Pt=UIt=1.8J,一秒钟转变成的可见光能,E=0.06 1.8= 0.108J,每个光子的能量为 E1=h,E= n h,可见光的频率粗略取 =510 14Hz,n=Eh =0.108(6.6310 34 51014) = 310 17,例5在绿色植物光合作用下，每放出1mol 的O2，植物储存451.5kJ 能量，绿色植物能量转化效率（即植物储存的能量与植物吸收光的能量之比）约50%，则绿色植物每放出1个氧分子要吸收 个波长为 的光子， （普朗克常量 ）， 阿伏加德罗常量,解,每放出1个氧分子储存能量为451.5103/N (J,每放出1个氧分子要吸收能量为,E=2451.5103/N (J）=1.5 10-18 J,一个光子的能量为 E1=hc/=310 -19 J,n=E/E1=5 (个,5,例6、某金属用频率为v2 的光照射时产生的光电子的最大初动能是用频率为v1的光照射产生的光电子的最大初动能的2倍，则这种金属的逸出功W,解,例7,已知某金属表面接受波长为和2的单色光照射时, 释放出的光电子的最大初动能分别为30eV和10eV, 则能使此金属表面产生光电效应的入射光的极限波长是,解：由光电效应方程,EK1 = hc /- W=30eV （1,EK2 = hc /2- W= 10eV （2,由极限波长的定义,0= hc/0- W （3,解得 W=10eV hc /=40 eV 0 = 4,4,例8、 用光子能量为4.5eV的光照射某金属, 从该金属表面逸出的电子最大初动能为2.0eV. 这种金属的电子逸出功为_, 能使这种金属产生光电效应的光的极限频率为 _ . 如果以光子能量8.0eV的光照射该金属, 则逸出的电子的最大初动能是_,解：W=h- EK= 4.5 - 2.0 =2.5 eV,0=W/h=2.5 1.6 10-19 / 6.6310-34= 61014Hz,EK1= h1- W = 8 - 2.5 = 5.5 eV,2.5eV,61014Hz,5.5eV,例9、已知每秒钟从太阳射到地球上垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为1.410 3 J，其中可见光约占45%。设可见光的波长均为0.55m，太阳向各个方向的辐射是均匀的，太阳与地球间距离为1.510 11 m，则太阳每 秒辐射出的可见光的光子数大约为 。（只要求二位有效数字,解,太阳每秒辐射出来的能量,E=4R2 1.410 3 J,4 3.14 (1.5 1011) 2 1.4 103 = 410 26 J,根据题意有，E 45%=n hc,n= E 45% / hc,410 26 0.45 0.55 10 - 66.6 10-34 3 108,4.910 44,4.910 44,例10,在光电效应实验中，当用光子能量E3.1eV的单色光照射阴极K时，(如图)，产生少量电流.若K极接正，A极接负，当两极间电压为0.9V时，光电流恰好截止.那么当A极接正，K极接负，电压仍为0.9V的时光电子到达A极的最大动能Ek2 eV，此金属的逸出功W eV,解：打出的光电子具有初动能，若A、K间加上反向电压时，电场力做负功，当E K=eU反光电流恰好截止,E K1=0.9 eV,由 E K1=E-W 逸出功W=E- E K1 =2.2 eV,若A、K间加上正向电压时，电场力做正功，光电子 到达A极的最大动能为,Ek2E K1+ eU =0.9+0.9=1.8 eV,1.8,2.2,例11、图(a)所示为光电效应实验电路图.在某一定强度，一定频率的色光照射下，调节电位器可得到不同电压与电流曲线如图(b)所示.若改变照射光频率可得到图(c)所示光电子最大初动能与照射光频率的关系曲线.当用波长为510-7m的光照射时，已知截止电压Uc- 0.38V.试求： (1)光电子的最大初动能； (2)阴极材料的逸出功； (3)阴极材料的极限频率,解：入射光子的能量为,hc/=6.6310-34 3108/ 510-7 =3.98 10-19J = 2.49eV,1) EK=-eUc=0.38eV= 6.0810-20J,2)W= hc/- EK=2.49-0.38=2.11eV,3)0=W/h=2.111.6 10-19 / 6.6310-34 = 5.11014Hz,4、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，这时 ( ) A锌板带正电，指针带负电 B锌板带正电，指针带正电 C锌板带负电，指针带正电 D锌板带负电，指针带负电,B,95年全国高考,96年上海高考,当某种单色光照射到金属表面时，金属表面有光电子逸出如果光的强度减弱，频率不变，则： ( ) A光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光电子逸出 B单位时间内逸出的光电子数减少 C逸出光电子的最大初动能减小 D单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减小,B,6、红、橙、黄、绿四种单色光中，光子能量最小的是：（96年全国高考题） ( ) A红光 B橙光 C黄光 D绿光,A,97年上海高考,7、关于光的本性，早期有牛顿的微粒说和惠更斯的 ，后来又有麦克斯韦的电磁说本世纪初，为解释 现象，爱因斯坦提出了光子说,波动说,光电效应,97年上海高考如图所示，一静电计与锌板相连，在A处用一紫外灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角 （1）现用一带负电的金属小球与锌板接触，则静电计指针偏角将_（填增大、减小或不变）； （2）使静电计指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，静电计指针无偏转那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到静电计指针_（填有或无）偏转,减小,无,8.已知铯的极限频率为4.5451014赫，钠的极限频率为6.0001014赫，银的为1.153/1015赫，铂的为1.5291015赫。当用波长为0.375微米的光照射它们时，可发生光电效应的是 _,f=c/= 3108 / 0.375 10 6 =8 1014Hz,铯 、钠,92年全国高考题,98年全国高考题,8、一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光，分别照射到相同的金属板a，b，c上，如图所示已知金属板b有光电子放出，则可知 (,A板a一定不放出光电子 B板a一定放出光电子 C板c一定不放出光电子 D板c一定放出光电子,D,2用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应，现将该单色光的光强减弱，则（ ） A光电子的最大初动能不变 B光电子的最大初动能减少 C单位时间内产生的光电子数减少 D可能不发生光电效应,A C,03年江苏高考2,2004年广东高考6,分别用波长为和 的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1:2,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为（ ） A B C D,B,已知金属铯的逸出功为1.9eV ，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大动能为1.0eV，入射光的波长应为 m,解：根据爱因斯坦光电效应方程E=h-W,4.310-7 m,2000年天津、江西高考试题,6图为X射线管的结构示意图，E为灯丝电源，要使射管发出X射线，须在K、A两电极间加上几万伏的直流高压， ( ) （A）高压高源正极应接在P点，X射线从K极发出（B）高压电源正极应接在P点，X射线从A极发出（C）高压电源正极应接在Q点，X射线从K极发出（D）高压电源正极应接在Q点，X射线从A极发出,D,2000年广东6,20人眼对绿光最为敏感。正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为 6.6310-34 J S ，光速为 3108 m/s ，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是（ ） A 2.31018 W B 3.81019 W C 71048 W D 1.21048 W,2004年天津20,A,2004年广西高考6,氦氖激光器发出波长为633nm的激光，当激光器的输出功率为1mW时，每秒发出的光子数为 （ ） A2.21015 B3.21015 C2.21014 D3.21014,解：每个光子的能量为,E1=h