4.2 光电效应方程及其意义 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

第二节 光电效应方程及其意义 第四章　波粒二象性 （1）产生光电效应的条件： 复习巩固 （2）光电子的最大初动能： 任何一种金属，都存在截止频率ν0，只有当入射光频率ν>ν0时， 才能发生光电效应。 光电子的最大初动能Ekm随入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关。 一、能量量子假说 内容：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍。 hν被称为一个能量子 h是普朗克常量：h=6.63×10-34 J·s 物理意义：由这个假说出发，可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象。 量子化：在微观世界里，物理量的取值常常是不连续的，只能取一些分立的值，这种物理量分立取值的现象称为量子化现象。 微观 宏观 连续 分立的，量子化的 二、光子假说 经典电磁理论在解释光电效应实验时遇到了根本性的困难。 利用光子假说，应该怎样解释光电效应实验呢？ 当光和物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份的光量子。这些光量子后来被称为光子。 每个光子的能量只取决于光的频率。 爱因斯坦从普朗克的能量子假说中得到了启发，他提出： 一个光子的能量： ε=hν 三、光电效应方程 按照爱因斯坦的理论，当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν， 在这些能量中，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Ek，即 hν=Ek+W0 其中 Ek=mvmax2 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。 （1）方程中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时动能大小可以是0~Ek 范围内的任何值。 （2）光电效应方程符合能量守恒定律。 hν=Ek+W0 Ek= hν -W0 当hν>W0时，才会产生光电子 所以有截止频率 从光电效应方程中，当初动能为零时，可得到截止频率： ν0= 遏止电压为什么与入射光的频率有关而与入射光的强度无关呢？ 所以遏止电压与入射光的频率有关，与光的强度无关. 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ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc。 遏止电压Uc与光的频率ν和逸出功W0有怎样的关系呢？ hν=Ek+W0 eUc= Ek Uc= ν 归纳总结 1．光电效应方程实质上是能量守恒方程 (1)能量为ε＝hν的光子被电子所吸收，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功，另一部分表现为电子离开金属表面时的动能。 (2)如果金属的逸出功为W0，电子离开金属表面时动能最大为Ek，则根据能量守恒定律可知Ek＝hν－W0。 2．三个关系 (1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。 (2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得， 即Ek＝eUc， 其中Uc是遏止电压，即光电流刚好为0时的反向电压。 (3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。 3．分析光电效应规律的两条线索 (1)照射光 ①强度——决定着每秒钟光源发射的光子数。 ②频率——决定着每个光子的能量ε＝hν。 (2)光电子 ①每秒钟逸出的光电子数——决定着光电流的大小。 ②光电子逸出后的最大初动能mv2由光的频率和金属的逸出功决定。   （2）根据动能定理遏止电压为： 例1.铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长200 nm的光照射铝的表面。 （1）求光电子的最大初动能。（2）求遏止电压。（3）求铝的截止频率。 解:（1）根据爱因斯坦光电效应方程得： 光电子的最大初动能为： （3）当光电子逸出时的动能为零时，再减小照射光的频率便不能发生光电效应了，截止频率为： Ek= -W0 =3.3×10-19J . Uc= =V≈2.1 V. ν0= = Hz=1.01×1015Hz 例2.氦—氖激光器发出波长为633 nm的激光，当激光器的输出功率为1 mW时，每秒发出的光子数为 (　　) A．2.2×1015　　　　　　　　B．3.2×1015 C．2.2×1014 D．3.2×1014 B 解析：一个光子能量为： 每秒发出的光子数为 ε=hν= N== N = 3.2×1015个 1918年-1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现一部分散射出来的X射线波长变长，这个现象后来称为康普顿效应。 四、康普顿效应 康普顿效应再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性，1927年，康普顿获得诺贝尔物理学奖 随堂练习 1.关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是 ( ) A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子 B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子 C.光子的能量跟它的频率成正比 D.光子客观并不存在，而是人为假设的 B 光不是实物粒子 2．光子的能量与之成正比的是 (　　) A．光速　　　　　　　　 B．光的频率 C．光的波长 D．光速的平方 解析：根据ε＝hν可知，光子的能量与光的频率成正比。故选B 。 B 3.灯向外辐射的能量是最小能量的整数倍.那么红光的最小能量比紫光的最小能量大还是小? 红光的最小能量 紫光的最小能量 ε1=hν1 ε2=hν2 ε1< ε2 ν1 <ν2 4.用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率v变化的Ek-v图像，已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功是3.34eV，若将两者的图像分别用实线与虚线画在同一个Ek—v图上，则下图中正确的是 ( ) A 解析：根据光电效应方程有： Ek= hν -W0，由此可知在的Ek-v图像中，斜率表示普朗克常数h，横轴截距大小表示该金属截止频率的大小，由题意可知锌的逸出功大于钨的逸出功，故由ν0=可知锌的截止频率大于钨的截止频率。 5.(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub，光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是 (　　) A．若νa>νb，则一定有Ua<Ub B．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb C．若Ua<Ub，则一定有Eka<Ekb D．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb BC 解析：由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0由动能定理得Ek＝eU，用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同。当νa>νb时，一定有Eka>Ekb，Ua>Ub，故选项A错误，B正确；若Ua<Ub，则一定有Eka<Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故选项D错误。 6．(多选)某金属在光的照射下光电子最大初动能Ek与入射光频 率ν的关系图像如图所示，由图像可知，下列说法正确的是 (　 　) A．图像的斜率表示普朗克常量h B．该金属的逸出功等于E C．该金属的逸出功等于hν0 D．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E ABC 解析：根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W0， 可知Ek­ν图像的斜率等于普朗克常量h，A正确； 当ν＝0时，－W0＝－E，则W0＝E，B正确； 当ν＝ν0时，Ek＝0，则hν0＝W0，C正确； 当入射光的频率为2ν0时，Ek＝2hν0－W0＞2E， D错误。 4．爱因斯坦光电效应方程的图像解释 图像名称 图像形状 由图像直接(间接)得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像 ①极限频率νc：图像与ν轴交点的横坐标 ②逸出功W0：图像与Ek轴交点的纵坐标 ③普朗克常量h：图像的斜率，即h＝eq \f(W0,νc) 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像 ①极限频率νc：图像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：等于图像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) $$