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

4.2光电效应 选择性必修第三册&第四章 原子结构和波粒二象性 授课教师：杨孝波 把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。 这个现象说明了什么问题？ 课堂引入 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：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。 光电子：光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。 实验视频 一、光电效应的实验规律—光电效应 要想进一步研究光电效应的规律，只有通过光电效应实验来研究。 想一想 猜想：光电效应中，发射光电子的情况与哪些因素有关？ ●光的频率（颜色） ●光照强度 ●金属材料 一、光电效应的实验规律—猜想 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。 光电管 一、光电效应的实验规律—光电管 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。 窗口 2、实验原理 ⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 ⑵K在受到光照时能够发射光电子 ⑶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。 I 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。 1、实验目的 一、光电效应的实验规律—目的和原理 一、光电效应的实验规律—过程 （1）当入射光频率减小到某一数值c 时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。此时的光的频率c即为截止频率！ （1）存在截止频率 （2）金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。 （3）入射光频率低于截止频率时，不管光照多强，金属都不会发生光电效应！ （4）不同金属的截止频率不同，截止频率与金属自身的性质有关。 实验规律 →跟材料有关 一、光电效应的实验规律—规律 （2）存在饱和电流 （2）在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。 （1）光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。 →跟光照强度有关 一、光电效应的实验规律—规律 － + + + + + + 一 一 一 v 最大的初动能 则I=0，式中UC为遏止电压 E E U F K A 速率最大的是 vc （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。 （3）存在遏止电压Uc （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。 一、光电效应的实验规律—规律 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。 （4）光电效应具有瞬时性 阳极 阴极 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”）。 一、光电效应的实验规律—规律 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？ 思考与讨论: 要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。 几种金属的截止频率和逸出功 不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 二、光电效应经典解释中的疑难—逸出功 1.不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 经典电磁理论 2.光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应该与光的强弱有关。 3.电子需要几分钟到十几分钟的时间才能积累够逸出表面所需的能量，所以光电子不会瞬间发射。 与实验结果相矛盾 二、光电效应经典解释中的疑难—经典解释 能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。 普朗克 爱因斯坦 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。 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。 E = hν 光子的能量： 1.光量子理论 三、爱因斯坦的光电效应理论—光量子理论 EK=hv-W0 金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。 通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。 hv＝W0+EK ——光电子最大初动能 ——金属的逸出功 W0 光电效应方程 式中 h 叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s) 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。 2、光电效应方程 三、爱因斯坦的光电效应理论—光电效应方程 EK=hv-W0 ⑴截止频率的解释 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。 hv>W0 →产生光电效应 hv<W0 →无光电效应 hv=W0 → 就是极限频率 （也叫极限频率） 3、光子说对光电效应的解释 三、爱因斯坦的光电效应理论—解释 Ek = –W0 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） 光电效应图像 3、光子说对光电效应的解释 三、爱因斯坦的光电效应理论—解释 EK=hv-W0 ⑵遏止电压的解释 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。 eUc=hv-W0 遏 止 电 压 3、光子说对光电效应的解释 三、爱因斯坦的光电效应理论—解释 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）。 3、光子说对光电效应的解释 三、爱因斯坦的光电效应理论—解释 4. 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。 三、爱因斯坦的光电效应理论—验证 X射线 λ ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 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。 1.光的散射 说明能量有损失，导致波长变长。 X-ray 中国留学生吴有训通过实验证实了康普顿效应的普遍性。 四、康普顿效应和光子的动量—康普顿效应 3.光的散射经典解释（无法解释） 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（受迫振动），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。 X-ray 四、康普顿效应和光子的动量—经典解释 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： 5.波长变长的解释： 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。 P↓ ——λ↑ 4.光子模型解释康普顿效应 四、康普顿效应和光子的动量—光子动量 牛顿光的微粒说 光是实物粒子 惠更斯和托马斯杨的光的波动说 光是振动形式在媒质的传播——波 到麦克斯韦的光的电磁理论 光是电磁波 爱因斯坦的光子理论 光是能量子即光子（粒子性） 1、人类对光的认识过程 五、光的波粒二象性—光的认识过程 2.光具有波粒二象性 (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。 光电效应 康普顿散射 干涉 衍射 P Q 偏振 五、光的波粒二象性—波动性和粒子性 自主评价————————————————— 1．判断正误 (1)入射光足够强就可以有光电流。(　　) (2)遏止电压与入射光的强度有关。(　　) (3)入射光频率大于截止频率才能产生光电子。(　　) (4)逸出功和截止频率与入射光的频率有关。(　　) (5)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　) × × √ × × 课堂练习 　如图所示为演示光电效应的实验装置，关于光电效应，下列说法正确的是(　　) A．发生光电效应时，光电子是从K极逸出的 B．灵敏电流计不显示读数一定是因为入射光强度太弱 C.灵敏电流计不显示读数可能是因为电压过低 D．如果把电源反接，一定不会发生光电效应 A 课堂练习 　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 A 课堂练习 2．光电效应的规律中，经典波动理论能解释的有(　　) A．入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才产生光电效应 B．当入射光频率大于被照射金属的极限频率时，光电子数目与入射光的强度成正比 C.光电子的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 D．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的 B 课堂练习 角度1　光电效应方程的应用 　如图所示，一光电管的阴极用极限波长λ0＝500 nm的钠制成，用波长λ＝300 nm的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间的电势差U＝2.1 V，饱和光电流的值I＝0.56 μA。 课堂练习 (1)求每秒内由K极发射的光电子数。 课堂练习 课堂练习 (2)求光电子到达A极时的最大动能。 [思维导引]　(2)每秒内由K极发射的电子全部参与导电时对应饱和光电流。 [答案]　(2)6.012×10-19 J 课堂练习 课堂练习 (3)如果电势差U不变，而照射光的强度增加到原值的三倍，此时光电子到达A极时最大动能是多大？(普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s) [思维导引]　(3)光电子的最大初动能大小与入射光的强度大小无关。 [答案]　(3)6.012×10-19 J [解析]　(3)根据光电效应规律，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，如果电势差U不变，则光电子到达A极的最大动能不变，Ek＝6.012×10-19 J。 课堂练习 角度2　光电效应方程与图像的综合问题 　在光电效应实验中，某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则(　　) A．甲光的强度小于乙光的强度 B．乙光的频率大于丙光的频率 C．丙光照射时，逸出的所有光电子的物质波波长都最短 D．当电压等于U0时，甲、乙光对应的光电子的最大动能相等 D 课堂练习 A 课堂练习 4．(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示。由实验图线可求出(　 　) A．该金属的极限频率和极限波长 B．普朗克常量 C．该金属的逸出功 D．单位时间内逸出的光电子数 ABC 课堂练习 　5.科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中(　　) A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′ D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′ C 课堂练习 　下面关于光的波粒二象性的说法中，不正确的是(　　) A．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性 B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著 C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性 D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性 D 课堂练习 　6.(多选)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是(　　) A．光的频率越高，衍射现象越明显 B．光的频率越高，粒子性越明显 C．大量光子产生的效果往往显示波动性 D．光的波粒二象性否定了光的电磁说 BC 课堂练习 Lavf59.6.100 Lavf58.51.100 $$