4.2光电效应 教学设计-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 【教学目标】 1.知道光电效应现象、光电效应的实验规律以及用爱因斯坦理论解释光电效应。 2.运用爱因斯坦理论对光电效应的实验规律进行解释。 3.运用光量子假说成功解释光电效应和康普顿效应，形成光具有能量和动量的思维观念。 4.形成光量子初步的物理观念，能应用光的波粒二象性解决一些实际问题。 【教学重难点】 教学重点：光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应；光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。 教学难点：光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应；光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。理解能量量子化假说。 【教学过程】 教师活动 学生活动 设计 意图 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。（指针张角变小） 这个现象说明了什么问题？（说明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：从金属表面逸出的电子称为光电子。 思考：怎么衡量光电效应的强弱呢? 光电管的作用是把光信号转变为电信号。阴极发出的光电子被阳极收集，在回路中会形成电流，称为光电流。 光电效应的实验规律 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、光电效应的实验装置 （1）阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 （2）K在受到光照时能够发射光电子 （3）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。 观看实验视频。 3、实验规律 规律1：存在截止频率（极限频率）ν，即光电效应的产生条件 （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。即入射光的频率必须高于截止频率νc时，电子才能逸出金属表面，才能发生光电效应。 （2）不同金属的截止频率νc 不同，即截止频率与金属自身的性质有关，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。 规律2：存在饱和电流 观察实验：观察光电流随电压变化的关系。 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。 （这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。） 实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，对于一定频率（颜色）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。（饱和电流与入射光的强度有关其实是与光子数有关） 规律3：存在遏止电压Uc（使光电流减小到零的反向电压） 拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功。 反向电压增加，光电流减小。光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。 U=0时，I≠0，因为电子有初速度。 加反向电压，如右图所示： 光电子作减速运动。若速率最大的记为vc ①对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样。 ②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。 ③对于同一种金属，光电子的能量（动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关。 规律4：光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率 νc ，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。 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”）。 课堂巩固： 1.如图所示，用一束紫外线照射锌板，发生了光电效应，下列说法正确的是A  A.有电子从锌板上飞出来 B.锌板受紫外线照射的一面带正电，其背面带负电 C.改用强度更大的红外线灯照射锌板时，验电器的指针一定发生偏转 D.在紫外线照射锌板前，先让锌板带上一定量的负电荷会有助于观察验电器的指针偏转 2.如图所示，是研究光电效应的电路图，用绿光照射某金属时，电流表指针发生偏转。则以下说法正确的是D A.将滑动变阻器滑片向右移动，电流表的示数一定增大 B.如果改用紫光照射该金属，电流表无示数 C.将滑动变阻器滑片移动到最左端，电流表的示数一定为零 D.将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，电流表的读数可能不为零 3.用如图所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频率的a光照射光电管阴极K时，电流计G的指针发生偏转。而用另一频率的b光照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，那么D A.a光的频率一定小于b光的频率 B.增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转 C.用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流由d到c D.只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大 光电效应解释中的疑难 思考：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? 温度不很高时，电子不能大量逸出，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，必须克服这个引力做功。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。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。用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小也不同。 光电效应经典解释中的疑难 按照光的电磁理论解释 光电效应实验结果 矛盾点 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。 存在截止频率 不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。 没有能量积累过程 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关。 矛盾之二：存在遏止电压 遏止电压由入射光的频率决定，与光的强弱无关。 取决于入射光频率 如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。 矛盾之三：具有瞬时性 无论入射光怎样微弱，光电效应几乎都是瞬时的 没有能量积累过程 课堂巩固： 4.（多选）光电效应现象的规律中，经典电磁理论不能解释的有ABC A.入射光的频率必须大于被照金属的截止频率时才产生光电效应 B.遏止电压与入射光的频率有关，与入射光强度无关 C.入射光照射到金属表面上时，光电子的发射几乎是瞬时的 D.当入射光频率大于截止频率时，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多 爱因斯坦光子说及对光电效应的解释 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。 1.爱因斯坦的光子说： （假定电磁波本身的能量也是不连续的）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。这些能量子后来被称为光子。 2.爱因斯坦的光电效应方程 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： 或 ——光电子最大初动能 3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 ①截止频率的解释 爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。 ②遏止电压的解释 Ek只与入射光的频率有关，与光强无关；遏止电压止于入射光的频率有关，与光强无关。 ③饱和电流的解释 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。 ④瞬时性的解释 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。 思考与讨论： 爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压Uc。那么，怎样得到截止电压Uc。与光的频率v和逸出功W0的关系呢? 对于确定的金属，其逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc 与光的频率v之间是线性关系，Uc-v图像是一条斜率为h/e的直线。 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。 根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。 光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。 1.光电效应方程的理解 （1）Ek为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W0和光的频率ν有关。 （2）若Ek＝0，则hν＝W0，此时的ν即为金属的截止频率νc。 2.光电效应现象的有关计算 （1）最大初动能的计算：Ek＝hν－W0＝hν－hνc； （2）截止频率的计算：hνc＝W0，即νc＝； （3）遏止电压的计算：－eUc＝0－Ek，即Uc＝＝。 3.光电效应中的四类图像 图像名称 图线形状 由图线直接（间接）得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线   ①截止频率νc：图线与ν轴交点的横坐标 ②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值，即W0＝|－E|＝E ③普朗克常量h：图线的斜率，即h＝k 入射光颜色相同、强度不同时，光电流与电压的关系图线   ①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标 ②饱和电流Im：电流的最大值 ③最大初动能：Ek＝eUc 入射光颜色不同时，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和电流 ③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率νc：图线与横轴交点的横坐标 ②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大 ③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电 荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压) 课堂巩固： 次 入射光子的能量/eV 光电子的最大初动能/eV 1 4.0 0.9 2 6.0 2.9 5.（多选）光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成电流。表中给出了2次实验的结果，由数据得出的结论中正确的是AC A.第一次实验的入射光频率比第二次低 B.第一次实验的入射光频率比第二次高 C.两次实验所用的金属板逸出功相同 D.两次实验所用的金属板逸出功不同 6.（多选）用如图所示的装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零；移动滑动变阻器的触头c，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为0，则下列说法正确的是 BC A.光电子的最大初动能为1.05 eV B.光电管阴极的逸出功为1.05 eV C.开关S断开后，电流表G中有电流流过 D.当滑动触头向a端滑动时，反向电压增大，电流增大 7.如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，直线与横轴交点的横坐标为4.27，与纵轴交点的纵坐标为0.5，由图可知C A.该金属的截止频率为4.27×1011 Hz B.该金属的截止频率为5.5×1011 Hz C.利用该图线及相关数据可计算出普朗克常量h D.该金属的逸出功为0.5 eV 8.如图甲所示为研究光电效应的实验装置，电源和电表的正负极可以对调，某同学选用a、b、c三束不同的单色光分别照射同一光电管，发现光电流与电压的关系图像如图乙所示，下列说法正确的是B  A.三束光的频率关系为νa>νb>νc B.单位时间内产生的光电子数的关系为na>nb>nc C.用a、b、c三束光照射时，逸出光电子的最大初动能的关系为Ekb>Eka>Ekc D.用a、b、c三束光照射时，逸出光电子的动能大小一定为Ekb>Ekc>Eka 9.（多选）如图所示，甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图像，以下说法正确的是AC A.图甲是遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像，由图像可求得普朗克常量 B.图乙是光电子最大初动能与入射光频率关系图像，由图像可知实线对应金属的逸出功比虚线的小 C.图丙是光电流与电压的关系图像，由图像可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 D.图丁是光电流与电压的关系图像，由图像可知电压越高则光电流越大 康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 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 （1）实验现象： 1918-1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了有与入射波长λ0相同的成分外，还有大于λ0的成分（即频率减小）。这个现象称为康普顿效应。（说明能量有损失，导致波长变长。） 中国留学生吴有训通过实验，测试了多种物质对X射线的散射，证实了康普顿效应的普遍性。1923年，康普顿的学生——中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。 （2）理论解释： ①经典电磁理论解释：散射光的波长应与入射光的波长相同，与实验事实相矛盾。 （入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。） ②光子模型观点解释：光子不仅具有能量，而且具有动量。 光子动量 X射线的光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因而光子动量减小。p减小意味着λ变大，因而有些光子散射后波长变大了。 课堂巩固： 10.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B 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 11.发光功率为P的激光器发出波长为λ的激光，已知普朗克常量为h，光速为c，假设某一光子与静止的电子发生正碰D A.与电子碰撞后，光子的波长不变 B.与电子碰撞后，光子的波长变短 C.激光器发出光子的动量为 D.激光器每秒钟发出光子的数量为 光的波粒二象性 1.人类对光的认识过程 （1）光的波粒二象性 （2）光学发展史 （3）光的粒子性和波动性是相对的 光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现。 传播的过程中，表现出波动性；波长较长时，表现出波动性。（色散、衍射等） 与物体相互作用时，表现出粒子性；波长较短时，表现出粒子性。（光电效应E=hv、康普顿效应p）。 光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性。 课堂巩固： 12.在下列每组的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是C A.光的反射现象、折射现象 B.光的干涉现象、衍射现象 C.光电效应、康普顿效应 D.光的直线传播现象、色散现象 13.关于光的波粒二象性，下列说法正确的是D A.有的光是粒子，有的光是波 B.大量光子的行为表现为粒子性 C.光电效应揭示了光具有粒子性，康普顿效应揭示了光具有波动性 D.光的波长越长，其波动性越明显；波长越短，其粒子性越显著 【课后作业】 【板书设计】 学科网（北京）股份有限公司 $$