4.2光电效应 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第2节 光电效应 第四章 人教版（2019）选择性必修三 CONTENTS 目录 光电效应的实验规律 01 光电效应经典解释中的疑难 02 康普顿效应和光子的动量 04 光的波粒二象性 05 爱因斯坦的光电效应理论 03 学以致用提高练习 06 思考与讨论: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 300时，再用与丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。这个现象说明了什么问题？ 新课导入 知识讲解 课堂小结 随堂练习 布置作业 表明锌板在射线照射下失去电子而带正电 观察实验： 实验现象：锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。 光电效应：当光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 光电效应现象演示： 光电管就是利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 一、光电效应的实验规律 1.光电效应的实验目的及实验装置 （1）实验目的：研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。 （2）实验装置及原理：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，阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。右图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。光电子从阴极K逸出后，在AK之间被电场加速。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2.存在截止频率（极限频率）νc （1）当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了，νc称为截止频率或极限频率。 （2）光电效应发生的条件：不同金属的截止频率νc 不同，即截止频率与金属自身（材料）的性质有关。 ①当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面； ②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。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 3.存在饱和电流 在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。 实验表明： ① 饱和电流与入射光的强度有关，与入射光的频率无关。 ② 在光的颜色不变的情况下，入射光强度越大，饱和电流越大。即单位时间内发射的光电子数越多。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 视频演示：饱和光电流 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 两极板间电压与光电流的关系 ① 两极间加正向电压时，光电流随所加电压增大而增大，最终达到饱和电流IC 。 ② 两极间不加电压时，U = 0 ，但 I ≠ 0，因为电子有初速度。 ③ 两极间加反向电压时，光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子做减速运动，能到达A极的光电子数减少，光电流减小。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 4.存在遏止电压 （1）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称截止电压。 最大初动能 （2）对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的;光的频率 改变，遏止电压也会改变。 （3）光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。 － + + + + + + v E E U F K A 速率最大的是 vc 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 视频演示：最大初动能与遏止电压 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 5.光电效应具有瞬时性 即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，几乎在照到金属时立即产生光电流。即光电效应几乎是瞬时发生的。 更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”） 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 二、光电效应经典解释中的疑难 思考与讨论:人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？ 这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。 逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。 金属原子 原子核 注意：逸出功的大小取决于金属的特性;不同种类的金属，其逸出功的大小不相同. 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 几种金属的截止频率和逸出功 当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 光的经典电磁理论无法解释的光电效应的三个实验结果： ②光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。 ①不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 三、爱因斯坦的光电效应理论 1. 光量子理论 (爱因斯坦的光子说) 爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。 假定电磁波本身的能量也是不连续的 振动着的带电微粒的能量是不连续的 爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为 光量子，简称光子。光子的能量： （ν为光的频率） 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2.爱因斯坦的光电效应方程 金属中的一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：hν＝W0+Ek 爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象。 注意：式中Ek 是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 0~ Ek 范围内的任何数值。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 3. 光电效应中的图线 （1）光电效应的 Ek-ν 图像： ① 斜率 k=h（普朗克常数） ② 横截距 νc（极限频率） ③ 纵截距为－W0（逸出功的负值） （2）光电效应的Uc—ν 图像： ① 横轴上的截距是截止频率或极限频率（νc） ② 纵轴上的截距是-W0 /e ③ 图线的斜率是h/e 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 4.爱因斯坦对光电效应的解释 ⑴截止频率的解释 EK=hv-W0 光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。 ①hv>W0产生光电效应，hv<W0无光电效应，hv=W0 → 就是截止频率 （也叫极限频率） ②光电子的初动能Ek与入射光的频率v成线性关系，与光强无关。 ⑵遏止电压的解释 EK=hv-W0 eUc=hv-W0 遏 止 电 压 对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 ⑶瞬时性的解释 电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。 对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多, 照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。 ⑷饱和电流的解释 到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 5. 光电效应理论的验证 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖。 光电效应显示了：光子和其他粒子一样，也具有能量，光具有粒子性。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 四、康普顿效应和光子的动量 1. 光的散射：光束通过某些介质时，因与物质微粒相互作用，使光的传播方向发生改变，从侧面可以看到光的现象叫做光的散射。 X-ray 2.康普顿效应： 在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象称为康普顿效应。（康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性。） X射线 λ ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 3.经典理论无法解释康普顿效应 经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。 4.光子模型： 光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关： 爱因斯坦质能方程： 光子能量： E=hν 5.光子模型解释康普顿效应 （1）若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 （2）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。 （3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。 X-ray 6.康普顿散射实验的意义 （1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。 （2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。 （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 五、光的波粒二象性 1.人类对光的认识过程 T /年 波动性 粒子性 1690 惠更斯 波动说 1672 牛顿 微粒说 1905 爱因斯坦光子说 1864 麦克斯韦电磁说 1801 托马斯·杨双缝干涉实验 1814 菲涅耳衍射实验 1888 赫兹电磁波实验 赫兹发现光电效应 1916 密立根光电效应实验 1922 康普顿效应 牛顿微粒说占主导地位 波动说渐成真理 1909 爱因斯坦光的波粒二象性 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 2.光的波动性和光的粒子性 干涉 衍射 表明光是一种波 表明光是一种粒子 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 光电效应 康普顿散射 注意： ①光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。 ②光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。 光子能量：E=hν 粒子性 光子动量： 波动性 新课导入 知识讲解 随堂练习 课堂小结 布置作业 六、学以致用提高练习 1.在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（ ） A.验电器的指针带正电 B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大 C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内 产生的光电子数减少 D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应 答案：A 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 2.（多选）图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（　　） A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定 C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大 D. 只要增大电压，光电流就会一直增大 答案：ABC 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 3.下列对光电效应规律的理解正确的是（　　） A．遏止电压与入射光频率成正比 B．极限频率是能发生光电效应的最小频率 C．饱和电流大小由入射光频率决定，与光照强度无关 D．所有光电子的初动能都等于光电子的最大初动能 【答案】B 【解析】A．根据光电效应方程 又有 得 可知遏止电压与入射光频率成线性关系，不成正比。故A错误；B.极限频率是能发生光电效应的最小频率，故B正确；C．光的频率一定时，入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，故C错误；D．光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量,就可能向各个方向运动，运动过程中要克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分能量转化为光电子的初动能.所以金属表面的电子，只需克服原子核的引力做功就能从金属表面逸出，那么这些光电子具有最大初动能。而不从金属表面发射的光电子，在逸出的过程中损失的能量会更多，所以此时光电子的动能小于最大初动能 。所以一般情况下光电子的动能小于等于最大初动能。故D错误。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 4.图甲是探究“光电效应”实验电路图，某光电管遏止电压Uc随入射光频率v的变化规律如图乙所示。下列判断正确的是（ ） A．入射光的频率v不同，遏止电压Uc相同 B．入射光的频率v不同，光照强度不同，Uc-v图像的斜率相同 C．图甲所示电路中，当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流 D．增大入射光的光照强度，光电子的最大初动能一定增大 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 5.如图所示，当开关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。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 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 答案：A 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 6.如图所示是某种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能Ek与入射光频率v的关系图线，a、b均为已知量（a>0，b>0）。由图线可知（　　） A．该金属的逸出功W0=a B．斜率表示普朗克常量的倒数 C．图中a与b的值与入射光的强度、频率均有关 D．若入射光频率为3b，则光电子的最大初动能为3b 【答案】A 【解析】A．根据爱因斯坦光电效应方程知Ek=hv-W0由图可知，当v=0时，则有-a=0-W0所以W0=a故A正确；B．根据爱因斯坦光电效应方程可知，斜率表示普朗克常量，故B错误；C．根据A的分析可以知道，a等于金属的逸出功，所以图中a与b的值与入射光的强度、频率均无关，故C错误；D．若入射光频率为3b，则光电子的最大初动能为2a，故D错误。故选A。 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 7.美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ） A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大 B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量 C.X光散射后与散射前相比，速度变小 D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变 答案：B 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 8.(多选)如下图所示的光电管的实验中，发现用一定频率的A单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应，那么( ) A．A光的频率大于B光的频率 B．B光的频率大于A光的频率 C．用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是a流向b D．用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a 答案：AC 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 9.如图，这是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压 <m></m> 与入射光频率 <m></m> 的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量 <m></m> 。由图像可知( ) A.钠的逸出功为 <m></m> B.钠的截止频率为 <m></m> C.图中直线的斜率为普朗克常量 <m></m> D.遏止电压 <m></m> 与入射光频率 <m></m> 成正比 答案：A 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 10.(多选)1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广，成功地解释了光电效应现象，提出了光子说．给出的与光电效应有关的四个图像中，下列说法正确的是 (　) A．图甲中，当紫外线照射锌板时，发现验电器指针发生了偏转，说明锌板带正电，验电器带负电 B．图乙中，从光电流与电压的关系图像中可以看出，电压相同时，光照越强，光电流越大，说明遏止电压和光的强度有关 C．图丙中，若电子电量用e表示，ν1、νc、U1已知，由Uc－ν图像可求得普朗克常量的表达式为h＝ D．图丁中，由光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像可知该金属的逸出功为E或hνc 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 11.（多选）某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出，若光的频率不变而强度减弱，那么下述结论中正确的是 ( ) A．光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出 B．逸出的电子数减少 C．逸出的电子数和最大初动能都减小 D．逸出的电子最大初动能不变 答案：BD 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 11.频率为υ的光照射某种金属材料，产生光电子的最大初动能为EK ,若以频率为2υ的光照射同一金属材料，则光电子的最大初动能是（ ） A、 2EK B、EK+hυ C、EK—hυ D、EK+2hυ 答案：B 随堂练习 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业 随堂练习 布置作业 新课导入 知识讲解 课堂小结 布置作业（再见） Lavf58.12.100 Lavf58.51.100 $$