17.2 光的粒子性-2019-2020学年人教版物理选修3-5知识点突破

17.2 光的粒子性 学习目标 1．了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法。　 2．知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。　 3．了解康普顿效应及其意义。 重点：1．掌握光强、遏止电压、截止频率、逸出功及其最大初动能的概念。　 2．能够用爱因斯坦的光电效应方程解释光电效应现象及其实验规律。 难点：1．对能量子、光强、逸出功、最大初动能的理解。　 2．光电效应方程的应用。 知识点一、光电效应 1．光电效应现象：如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电。 实验装置：用弧光灯照射擦得很亮的锌板，（注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。 2．概念：照射到金属表面的光（包括不可见光），能使金属中的电子从表面逸出的现象。如图所示。 光电子：光电效应中发射出来的电子叫做光电子。 3．光电效应的实验装置：阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子。电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调。光电子在电场作用下形成光电流。 【题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 4．光电效应的实验结果： 首先在入射光的强度与频率不变的情况下，I－U的实验曲线如下图所示．曲线表明，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。若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流Im＝ne，式中e为电子电荷量。另一方面，当电压U减小到零，并开始反向时，光电流并没有降为零，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能。 所以尽管有电场阻碍它运动，仍有部分光电子到达阳极A。但是当反向电压等于Uc时，就能阻止所有的光电子飞向阳极A，使光电流降为零，这个电压叫遏止电压，它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A。如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差，那么我们就能根据遏止电压Uc来确定电子的最大速度vm和最大动能，即＝eUc。 在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时，得到的I－U曲线如图甲所示。它显示出对于不同强度的光，Uc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。此外，用不同频率的光去照射阴极K时，实验结果是：频率越高，Uc越大，如图乙所示，并且ν与Uc呈线性关系。如图丙所示，频率低于νc的光，不论强度多大，都不能产生光电子，因此νc称为截止频率。对于不同的材料，截止频率不同。 5．光电效应实验规律 （1）存在饱和电流。在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。光电流与光强的关系—— 饱和光电流强度与入射光强度成正比。 （2）存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。 概念：① 遏止电压：将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当 K、A 间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值 Uc 时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。根据动能定理，有。 ②截止频率νc——极限频率：于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc。 当入射光频率ν>νc时，电子才能逸出金属表面； 当入射光频率ν<νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。 （3）光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间<10−9s。 5．经典理论解释中的疑难：经典理论无法解释光电效应的实验结果。 为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。 知识点二、爱因斯坦光电效应方程 1．光子：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。 2．爱因斯坦的光量子假设： 光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν的光是由大量能量为 E =hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。 3．爱因斯坦光电效应方程： 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸