6.1 光电效应及其解释（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

物理选择性必修 第三册 第 6 章 波粒二象性 第1节　光电效应及其解释 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解光电效应和光电效应的实验规律及应用。 2．理解光子说，掌握爱因斯坦光电效应方程，并能利用它解决光电效应的有关问题。 3．理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波。 知道光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验现象。 领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然界规律的艰辛与喜悦。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 [对应学生用书P98] 知识点一 光电效应 必备知识/自主学习 1.光电效应现象 在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，称为 ，这种逸出的电子称为 ➊。 2．光电效应实验规律 (1)当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生 ，这一频率称为极限频率。极限频率与金属的种类有关。只有当入射光的频率 极限频率，才会产生光电效应；若入射光的频率小于极限频率，即使增加 或 ，也不能产生光电效应。 光电效应 大于或等于 光的强度 光电子 光电效应 照射时间 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 知识点二 光电效应的解释与应用 1.光电效应的解释 (1)光子说：光是由数量有限的、分立的 组成的，每一个光子的能量为 。 (2)爱因斯坦光电效应方程 (2)从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间 ，通常在10-9 s内。 (3)产生光电效应时，在 不变的情况下，光电流随电压的增大而 ，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值，即为 。在光频率不变的情况下，入射光越强➋，单位时间内逸出的电子数也 ，饱和电流越大。 (4)如果施加反向电压，当反向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称为 。遏止电压Uc与光电子最大初动能满足的关系为： 。光电子最大初动能与入射光的 有关，与入射光的 无关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。 很短 光照强度 增大 饱和电流 越多 遏止电压 频率 强度 光子 hν 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 ①表达式：hν＝W＋ mv2。 ②各量的意义：hν为一个光子的 ，W为金属的 ➌， mv2为电子离开金属表面的 ➍。 2．光电效应的应用 (1)光电开关：控制电路的 或 。 (2)光电成像：原理是利用光电效应先将 转化成 ，然后再将 转化成 。例如：红外线成像。 能量 知识点三 光的波粒二象性 1．光具有波粒二象性：光子既有 ，又有 。 2．光波是一种 。通过双缝后，光子出现在哪个位置，受概率支配。单个光子出现在哪个位置是 的，因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时，概率大的位置出现的光子多，形成 ；概率小的位置出现的光子少，形成 。 逸出功 最大初动能 接通 断开 光信号 电信号 电信号 光信号 粒子的特征 波的特征 概率波 随机 亮条纹 暗条纹 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 3．光的波动性和粒子性不是均衡表现的，波长较长时，光子的 和 很小，波动性比较 ，波长越长，波动性越 。光在与电子等物质相互作用时更多地表现为 性，在传播过程中更多地表现为 性。 思考判断 1．任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( ) 2．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( ) 3．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。( ) × √ × 能量 动量 明显 明显 粒子 波动 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 批注❶：光电子就是电子，带负电，电荷量e＝1.6×10-19C，质量m＝9.1×10-31 kg。 批注❷：入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。 批注➌：不同金属，其表面层存在的阻碍电子逃逸金属的力不相同。 批注➍：光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，光子的能量被某个电子全部吸收。 (1)若是金属表面的电子，直接离开金属表面，只做逸出功即可，光电子的动能最大，为Ek＝hν－W； (2)若是金属内部的电子，在逸出时，除了要做逸出功外，还要克服其他束缚做功，则光电子的动能Ek＜hν－W。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 关键能力/互动探究 [对应学生用书P100] 探究点一　光电效应的实验规律及其解释　　(物理观念之形成) ▶要点归纳 1．光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应。 (2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大。 (3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(单位时间内金属发射出的光电子数目的多少)与入射光强度成正比。 (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10-9 s。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 2．爱因斯坦光子理论对光电效应的解释 (1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，电子获得一个光子的能量为hν，若光子能量大于等于金属的逸出功，则能够发生光电效应，若光子能量小于金属的逸出功，即使增大光强，也不能够发生光电效应，所以金属要发生光电效应，入射光光子的能量存在一个最小值，即入射光的频率存在一个最小值。 (2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的，且一个电子只吸收一个光子，不累积吸收。如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出。 (3)解释最大初动能与频率的关系：对于某种金属来说，由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋ mv2可知，电子逸出时的最大初动能由入射光的频率决定。若入射光的频率不变，即使增大入射光的强度，光电子的最大初动能也不变。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 ▶对点例练 【例1】(2022·福建厦门外国语学校高二期末)利用光电管研究光电效应的实验如图所示，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，电流表中不一定有电流通过 B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过 C．用频率为ν的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片移到最右端时，电流表中一定无电流通过 D．用频率为ν的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向左端移动时，电流表的示数可能不变 D 解析： 因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射，电流表中一定有电流通过，故A错误；因不知阴极K的极限频率，所以用红外线照射，可能发生光电效应，电流表中可能有电流通过，故B错误；由于发生了光电效应，即使A、K间的电压为零，电流表中也有电流通过，故C错误；当滑动变阻器的滑片向左端移动时，阳极吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极时，电流达到最大，即饱和电流，若在移动前，电流已经达到饱和电流，那么再增大光电管两端的电压，光电流也不会增大，故D正确。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 [练1] (2022·山东淄博高二期末)紫外光电管是利用光电效应原理对油库等重要场所进行火灾报警的装置，其工作电路如图所示，其中A为阳极，K为阴极，只有当明火中的紫外线照射到K极时，电压表才有示数且启动报警装置。已知太阳光中的紫外线频率主要在7.5×1014～9.5×1014 Hz，而明火中的紫外线频率主要在1.1×1015～1.5×1015 Hz，下列说法正确的是(　　) A.为避免太阳光中紫外线的干扰，K极材料 的截止频率应大于1.5×1015 Hz B．只有明火照射到K极的时间足够长，电压表才会有示数 C.电源左边接正极有利于提高报警装置的灵敏度 D．电压表的正接线柱与C相连 D 解析： 太阳光中的紫外线要在7.5×1014～9.5×1014 Hz，为避免太阳光中紫外线的干扰，K极材料的截止频率应大于9.5×1014 Hz，A错误；电压表有没有示数与明火的照射时间无关，频率主与明火中紫外线的频率有关，B错误；电源左边接正极时，光电管上被施加反向电压，发生光电效应时到达阳极的光电子数减少，因此会降低报警装置的灵敏度，可知电源右边应接正极，则电压表的正接线柱与C相连，D正确，C错误。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 探究点二　光电效应方程与图像问题　(科学思维之提升) ▶要点归纳 1．对光电效应方程Ek＝hν－W的理解 (1)Ek为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W和光的频率ν有关。 (2)若Ek＝0，则hν＝W，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－W＝hν－hνc； (2)截止频率的计算：hνc＝W，即νc＝ ； (3)遏止电压的计算：－eUc＝0－Ek，即Uc＝ 。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 3．光电效应中的四类图像 图像名称 图线形状 读取信息 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率(截止频率)：横轴截距 ②逸出功：纵轴截距的绝对值W＝|－E|＝E ③普朗克常量：图线的斜率k＝h 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率νc：横轴截距 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 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 图像名称 图线形状 读取信息 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：横轴截距 ②饱和光电流Im：电流的最大值 ③最大初动能：Ekm＝eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③最大初动能：Ek1＝eUc1， Ek2＝eUc2 续表 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 ▶对点训练 【例2】(2022·浙江绍兴高二期末)新冠病毒疫情防控工作中，体温枪被广泛使用，成为重要的防疫装备之一、某一种体温枪的工作原理是：任何物体温度高于绝对零度(－273 ℃)时都会向外发出红外线，红外线照射到体温枪的温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为电信号，从而显示出物体的温度。已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线，如图甲所示，用该红外光线照射光电管的阴极时，电路中有光电流产生，光电流随电压变化的图像如图乙所示。已知h＝6.63×10-34 J·s，e＝1.6×10-19 C，则(　　) A．波长10 μm的红外线在真空中的频率为3×1014 Hz B．将图甲中的电源正负极反接，将一定不会产生电信号 C．由图乙可知，该光电管阴极金属的逸出功约为0.10 eV D．若人体温度升高，则辐射红外线的波长减小，逸出光电子的最大初动能减小 C 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 解析： 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 [练2] (2022·山东烟台高二期末)用阴极K为金属铷的光电管观测光电效应现象，实验装置如图甲所示。实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，纵轴与横轴交点的横坐标为ν0，图线与横轴交点的横坐标为ν1。已知普朗克常量为h，电子的电荷量为e。则下列说法中正确的是(　　) A．图乙中图线的斜率为 B．金属铷的逸出功为hν0 C．欲测遏止电压，则电源左端应为正极 D.当电源左端为正极时，微安表的示数随电压表示数的增大而持续增大 解析： A 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 [练3] (2022·北京西城高二期末)如图所示，为某金属在单色光的照射下产生的光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像。由图像可知(　　) A．该金属的逸出功大于W0 B．该金属的逸出功等于 C．入射光的频率为νc时，光电子的最大初动能为W0 D．入射光的频率为2νc时，光电子的最大初动能为W0 解析： D 根据光电效应方程Ekm＝hν－W0得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，等于W0，A错误；当最大初动能为零时，入射光的能量等于逸出功，即等于hνc，B错误；入射光的频率为νc时，等于极限频率，恰能发生光电效应，最大初动能为零，C错误；根据光电效应方程可知，入射光的频率变为原来的2倍，由于逸出功不变，则最大初动能为W0，D正确。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 探究点三　光的波粒二象性　(科学思维之提升) 用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像。 ▶情境探究 (1)图像甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？说明了什么问题？(2)图像乙是曝光时间稍长情况，当光子数较多时落在哪些区域的概率较大？可用什么规律来确定？(3)图像丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？怎样解释上述现象？ 答案： (1)当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明了光具有粒子性。(2)落在亮条纹区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定。(3)体现了光的波动性。综合上面三个图像可知，少量光子呈现粒子性，大量光子呈现波动性，而且光是一种概率波。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 光的波动性与粒子性 ▶归纳探究 实验基础 表现 说明 光的波动性 光的干涉和衍射 1.大量光子产生的效果显示出波动性 2.频率较低的光在传播时，表现出波的性质 1.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的 2.光的波动性不同于宏观概念的波 光的粒子性 光电效应、康普顿效应 1.当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性 2.少量或个别光子容易显示出光的粒子性 1.粒子的含义是“不连续”“一份一份”的 2.光子不同于宏观概念的粒子 总结 对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越强 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 【例3】(多选)对光的认识，下列说法正确的是(　　 ) A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D.光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显 解析： ▶对点例练 5 10 光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C错误，D正确。 ABD 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 [练4] 关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是(　　) A．波粒二象性指光有时表现为波动性较明显，有时表现为粒子性较明显 B．光的频率越高，粒子性越明显 C．能量越大的光子其波动性越显著 D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显 解析： 波粒二象性指光有时表现出的粒子性较明显，有时表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下，光的波动性表现明显，A、D正确；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B正确，C错误。 C 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练5] (科技情境)某科技小组买到几个光电管，想测量这种光电管材料的截止频率，他们在实验室找到了几块标有波长数值的滤光片(如图所示)，请据此设计可行的测量方案。 答案： 见解析 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 解析： (1)选取某一标称波长(如460 nm)的滤光片，使射入光电管的光为该波长的单色光。(2)按图所示连接好电路，选择反向电压，调节滑动变阻器，使电路中的电流刚好为零，则此时电压表的示数为遏止电压。 (3)根据动能定理Ek＝eUc，得到光电子最大初动能。(4)根据光电效应方程W0＝hν－Ek，其中ν＝ ，得到光电管材料的逸出功。(5)根据hν0＝W0，可得材料截止频率ν0。(6)更换滤光片，重复上述实验步骤，最后将测量结果取平均值。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 [练6] (生活情境)白天的天空各处都是亮的，这是大气分子对太阳光散射的结果。美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖。假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比(　　) A．频率变大 B．速度变小 C．光子能量变大 D．波长变长 D 解析： 光子与电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子被碰前静止，被碰后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，由康普顿效应的关系式p＝ 可知，碰撞后的光子波长变长，D正确。 返回导航 物理选择性必修 第三册 第1节　光电效应及其解释 谢谢观看！ eUc＝ eq \f(1,2)mvm2 eq \f(1,2) eq \f(1,2) eq \f(1,2) eq \f(W,h) eq \f(Ek,e)＝ eq \f(hν－W,e) 由公式c＝λν可知，波长10 μm的红外线在真空中的频率为ν＝ eq \f(c,λ)＝ eq \f(3×108,10×10-6) Hz＝3×1013 Hz，故A错误；将图甲中的电源正负极反接，即为反向电压，只要反向电压小于遏止电压，电路中就会有电信号产生，故B错误；由图乙可知，遏止电压为0.02 V，则有eUc＝Ek max＝hν－W0，即W0＝hν－eUc＝( eq \f(6.63×10-34×3×1013,1.6×10-19)－0.02) eV≈0.10 eV，故C正确；若人体温度升高，辐射红外线的能量增大，频率增大，波长减小，由爱因斯坦光电效应方程可知，逸出光电子的最大初动能增大，故D错误。 根据Ekm＝hν－W0，结合eUc＝Ekm，联立可得Uc＝ eq \f(hν,e)－ eq \f(W0,e)，可知图乙中图线的斜率为 eq \f(h,e)，故A正确；由图可知，金属铷截止频率为ν1，则金属铷的逸出功为W＝hν1，故B错误；由图甲可知，欲测遏止电压，电源右端应为正极，故C错误；电源左端为正极，当电流达到饱和光电流后，微安表的示数不再随电压表示数的增大而增大，故D错误。 eq \f(h,νc) eq \f(c,λ) eq \f(h,λ) $$