第4.2节 光电效应（同步课件）- 上好课 2024 2025学年高二物理同步精品课堂 人教版2019选择性必修第三册

4.2 光电效应 壹 素养目标 (1) 通过实验，了解光电效应现象及其规律。 (2) 了解爱因斯坦光电效应理论及其意义。 (3) 能根据实验结论说明光的波粒二象性。 conclusion 课堂导入 ONE 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? 课堂导入 此时会看到验电器的薄片，张角逐渐减小，这说明紫外光照射后的锌板带的是正电，电子从锌板表面逸出。 课程目录 知识点讲解、探索新知 壹 总结与归纳 贰 课堂检测 叁 课后作业 肆 conclusion 知识点讲解 ONE 知识点回顾 光电效应与光电子 1. 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。 2. 光电子：逸出的电子称为光电子。 知识点回顾 3.研究光电效应的电路图 ①阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 ②K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。 思考：为什么要加电压？ uA A K 窗口 I 光电效应与光电子 知识点回顾 知识点讲解 一、光电效应的实验规律 1.截止频率：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！ 理解： 1.金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。 2.入射光频率低于截止频率时，不光光照多强，金属都不会发生光电效应！ 3.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。 知识点讲解 一、光电效应的实验规律 2.饱和电流：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。 理解： 频率不变，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。 + + + + + + 一 一 一 一 一 一 K A E 知识点讲解 一、光电效应的实验规律 3.截止电压：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。 理解： 1.光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。 2.同一种金属，截止电压只与光的频率有关。 光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的强弱无关。 知识点讲解 一、光电效应的实验规律 4.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，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。 光电子发射所经过的时间不超过10-9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。 截止频率 饱和电流 遏止电压 规律 →频率 →光强 →频率 瞬时<10-9s 令科学家感到困惑 课堂检测 例1．（双选）光电效应实验中，下列表述正确的是(　　) A.光照时间越长光电流越大 B.入射光足够强就可以有光电流 C.遏止电压与入射光的频率有关 D.入射光频率大于极限频率才能产生光电子 CD 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? 金属原子 原子核 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。 使电子脱离某种金属所做功的最小值。 ①逸出功W0： ③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。 光的电磁理论 几种金属的截止频率和逸出功 知识点讲解 二、光电效应经典解释中的疑难 光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 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。 光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc 应该与光的强弱有关。 如果光很弱，按经典电磁理论估算，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。 知识点讲解 经典物理学所遇到的困难： 电磁理论 ＊不存在截止频率 ＊截止电压→光强 ＊需要长时间 存在截止频率 遏止电压 →频率 瞬时<10-9s 实验结果 光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。 课堂检测 例2．关于光电效应的规律，下列说法正确的是（ ） A.当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大 B.当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，产生的光电子数越多 C.同一频率的光照射不同的金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大 D.对某种金属，入射光波长必须小于某一极限波长，才能有光电子逸出 ABD 知识点讲解 三、爱因斯坦的光电效应理论 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。 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,频率为ν的光的能量子为hν。每一份称为光量子，简称光子。 1.光量子理论 普朗克 E = hν 光子的能量： 知识点讲解 2.爱因斯坦的光电效应方程 或 ——光电子最大初动能 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： ——金属的逸出功 知识点讲解 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 当电子被光照射时，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 知识点讲解 3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 ②遏止电压的解释 EK=hv-w0 遏 止 电 压 EK只与入射光的频率有关 遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。 知识点讲解 3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 ③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。 ④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。 知识点讲解 4.光电效应理论的验证 EK=hv-w0 测量金属的遏止电压Uc和入射光的频率v，计算出普朗克常量h，并与普朗克通过黑体辐射得出的h相比较误差不超过0.5%。 课堂检测 例3．利用光子说对光电效应的解释，下列说法正确的是( ) A.金属表面的一个电子只能吸收一个光子 B.电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子 C.金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出 D.无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子 A 知识点讲解 四、康普顿效应和光子动量 光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。 1. 光的散射 在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。 2.康普顿效应 石墨 X射线 λ0 =λ0 >λ0 知识点讲解 3.经典理论的解释康普顿效应 石墨 X射线 λ0 受迫振动 反射波 散射波 >λ0 振动频率=入射光频率 =散射光频率 =λ0 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。 知识点讲解 4.康普顿效应的光量子理论解释 康普顿 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： 波长变长的解释： P↓ ——λ↑ 知识点讲解 （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。 （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。 4.康普顿效应的光量子理论解释 知识点讲解 5.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。 康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。 康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。 知识点讲解 五、光的波粒二象性 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 干涉 衍射 表明光是一种波 表明光是一种粒子 光电效应 康普顿散射 λ>λ0 知识点讲解 λ>λ0 波粒二象性 传播的过程中，表现出波动性 波长较长时，表现出波动性 波长较短时，表现出粒子性 物体相互作用时，表现出粒子性 光子能量： 光子动量： 粒子性 波动性 课堂检测 例4．关于光的本性，下列说法正确的是（ ） A.关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性 B.光具有波粒二象性是指∶既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子 C.光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性 D.光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来的 C conclusion 课堂检测 THREE 课堂检测 1. 在光电效应实验中，如果入射光的波长确定而强度增加，将产生什么结果？如果入射光的频率增加，将产生什么结果？ 课堂检测 2. 金属A 在一束绿光照射下恰能发生光电效应，现用紫光或红光照射时，能否发生光电效应？紫光照射A 、B 两种金属都能发生光电效应时，为什么逸出金属表面的光电子的最大速度大小不同？ 课堂检测 3. 铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长为 200 nm 的光照射铝的表面。 （1）求光电子的最大初动能。 （2）求截止电压。 （3）求铝的截止频率。 课堂检测 4. 根据图所示的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）频率已知的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。 课堂检测 5. 在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大量的光子。如果白炽灯消耗的电功率有15% 产生可见光，试估算 60 W的白炽灯泡1 s 内发出可见光光子数的数量级。 conclusion 总结与归纳 THREE 总结与归纳 一、光电效应的实验规律 1.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。这种电子常称为光电子。 ①存在截止频率：vc 2.实验规律 ②存在饱和电流：IC ③存在遏止电压：Uc ④光电效应具有瞬时性<10-9s 总结与归纳 二、光电效应经典解释中的疑难 ①逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值。 1.光的电磁理论 ③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。 2.光的电磁理论与光电效应的矛盾 三、爱因斯坦的光电效应理论 光子的能量：E = hν 1.光量子理论：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。 总结与归纳 2.光电效应方程：EK=hv-w0 ——光电子最大初动能 —————金属的逸出功 W0 3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 4.密立根验证光电效应方程： 四、康普顿效应和光子动量 1.康普顿效应：在散射的X射线中，除了与人射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分。 总结与归纳 2.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： 五、光的波粒二象性 1.光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 2.传播的过程中，表现出波动性；物体相互作用时，表现出粒子性。 3.波长较长时，表现出波动性；波长较短时，表现出粒子性。 conclusion 课后作业 FOUR 课后作业 添加分层作业链接 Teaching 演示结束 谢谢观看 The top "Start" panel allows you to modify the font, size, color, line spacing, and more. It is recommended that the text be 8 to 18 characters with 1.3 times the space between the characters. 授课人： 教师说课│公开课│示范课│教师授课 Lavf56.15.102 Lavf56.15.102 $$