4.2光电效应 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 第2节 光电效应 02 主题二、探究光电流与入射光关系 01 主题一、光电效应 目录 CONTENTS 03 主题三、爱因斯坦光电效应理论 第2节 光电效应 04 主题四、康普顿效应 19世纪末，麦克斯韦的电磁理论完美地解释了光是一种和机械波类似的波动，光的电磁波说得到了广泛的认同。 德国物理学家赫兹于1887年发现的一个现象：光电效应却使光的波动说遇到了巨大的危机 新课引入：光是什么？ 第一部分 光电效应 在光(包括不可见光)的照射下，使金属发射出电子的现象。 一、光电效应 1.定义: 发射出来的电子叫做光电子。 3.光电管: 阳 极 阴 极 石英窗 ①正向电压: 增强光电流。 ②反向电压: 减弱光电流。 2.规律: 形成光电流 μA 每种金属存在极限频率c(截止频率) ②若入射光频率>c，入射光再弱也瞬时(10-9s)发生。 思考:能计算电子跑出来的初动能大小吗？ EK0 思考:如何改变正向或反向电压，从而去改变光电流的大小？ 入射光再强也不发生光电效应 ①若入射光频率<c， 一、光电效应 阳 极 阴 极 石英窗 V μA 在光(包括不可见光)的照射下，使金属发射出电子的现象。 1.定义: 发射出来的电子叫做光电子。 3.光电管: ①正向电压: 增强光电流。 ②反向电压: 减弱光电流。 2.规律: 形成光电流 每种金属存在极限频率c(截止频率) ②若入射光频率>c，入射光再弱也瞬时(10-9s)发生。 入射光再强也不发生光电效应 ①若入射光频率<c， 思考:能计算电子跑出来的初动能大小吗？ EK0 第二部分 探究光电流与入射光的关系 阳 极 阴 极 石英窗 V μA EK0 ①控制频率 , 即控制光的颜色只改变光强 1.实验目标: ②控制光强，即只不断改变光的颜色 二、探究光电流与入射光的关系 阳 极 阴 极 石英窗 μA 入射光频率和强度对光电流的影响 2.实验方法: 控制变量法 3.实验步骤: (1)增加反向电压,让光电流大小刚好为零,记下此时的电压值UC 此电压命名为遏止电压UC。 V EK0 二、探究光电流与入射光的关系 阳 极 阴 极 石英窗 μA 3.实验步骤: (1)增加反向电压,让光电流大小刚好为零,记下此时的电压值UC 此电压命名为遏止电压UC。 V EK0 ①只增加入射光频率， UC增加 ②只增加入射光强度， UC不变 (2)增加正向电压, 二、探究光电流与入射光的关系 阳 极 阴 极 石英窗 μA 3.实验步骤: V EK0 (2)增加正向电压, 光电流增大。 电压增加到一定值，光电流达到最大值。 称之为饱和电流。 只增加光强，饱和电流再次增大 只增加频率，饱和电流反而减小 4.实验结论: ①遏止电压UC只与入射光频率有关 ②饱和电流与入射光的强度成正相关 U I光电流 0 UC 蓝光（弱） 蓝光（强） 红光 4.实验结论: 二、探究光电流与入射光的关系 ①遏止电压UC只与入射光频率有关 ②饱和电流与入射光的强度成正相关 经典电磁理论遇到困难 一、光电效应结论 1.存在截止频率，瞬时发生 2.加反向电压存在着遏止电压 3.加正向电压存在着饱和电流 U I 0 UC 蓝光(弱) 蓝光(强) 红光 二、按经典波动理论： ①光越强能量越高，不论光的频率高 低，只要光足够强就应该发生光电效应，即时光不强，但只要照射足够时间也应该发生光电效应。 ②光越强能量越高，不论光的频率高低，则发生光电效应时跑出来的光电子动能应该越大。遏止电压应该越大。 经典电磁理论遇到困难 3.光强度大，则说明光子数目多，在能发生光电效应的前提下，则释放的光电子也多所以光电流也大。 爱因斯坦假说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是一份一份的能量子。 2.电子只要吸收一个大于极限频率的光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。 1.电子一次只能吸收一个光子，而且不能累积吸收，吸收一个光子后没有使电子跑出来立刻把吸收的光子辐射出去。所以此种光子能量没有使电子跑出来，那就永远无法使电子逸出 爱因斯坦假说很好解释了光电效应充分说明了光的量子性 第三部分 爱因斯坦的光电效应理论 阴极 三、爱因斯坦的光电效应理论 2.逸出功W0: 3.光电效应方程: 每一份的能量子叫做光子 1.光子: =h 每种金属表层一个电子脱离金属所做的最小功 , W0对应极限频率 W0=hc =h 最大初动能EK= h -W0 -W0 阴极 k= h =eUC (hc) 阴极 三、爱因斯坦的光电效应理论 2.逸出功W0: 3.光电效应方程: 每一份的能量子叫做光子 1.光子: =h 每种金属表层一个电子脱离金属所做的最小功 , W0对应极限频率 W0=hc =h 最大初动能EK= h -W0 -W0 k= h =eUC UC= - - k= (hc) 几种金属的极限频率v0与极限波长λ0 钨 W 钙 Ca 钠 Na 钾 K 铯 Cs 极限频率 v0/1014Hz 10.95 7.73 5.53 5.44 4.69 极限波长λ0/nm 283 388 542 551 639 三、爱因斯坦的光电效应理论 钾 K 铯 Cs (1) (2) 铯 Cs (3) 每种金属对电子的束缚能力不同 看表格思考下列问题 (1)某光恰能使钠发生光电效应，那么能使表格内哪些金属发生光电效应? (2)表中哪种金属最易发生光电效应? (3)为什么各种金属的极限频率不同? 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。 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。 光电效应理论的验证 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。 三、爱因斯坦的光电效应理论 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 密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位获得1923年诺贝尔物理学奖 三、爱因斯坦的光电效应理论 【典例1】在研究光电效应的实验中，光电管的阴极材料为铯(Cs)，用某一频率的光照射，实验测得光电流随电压变化的图像如图所示。已知铯的逸出功为3.0×10-19 J，取普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，元电荷e=1.60×10-19 C。(结果均保留3位有效数字)(1)铯发生光电效应的极限频率是多少?(2)本次实验的入射光频率是多少? 典例分析： W0=hνc 解:(1) =3.0×10-19 J 得：νc= (2) 最大初动能EK= h -W0 =eUC 得:ν= ≈1.06×1015 Hz ≈4.52×1014 Hz 【变式】上述【典例1】中，若用频率相同、强度不同的光分别照射光电管的阴极形成光电流，那么在下列光电流与电压的关系图像中，正确的是 (　　) C 典例分析： 【典例2】某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中νc为极限频率。下列说法正确的是 (　　) A.逸出功随入射光频率的增大而减小 B.最大初动能Ek与入射光强度成正比 C.最大初动能Ek与入射光频率成正比 D.图中直线的斜率与普朗克常量有关 D 典例分析： 【典例3】如图甲所示，合上开关，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。把电路改为图乙，当电压表读数为1.5 V时，逸出功W及电子到达阳极时的最大动能Ek为 (　　) A.W=3.1 eV　Ek=4.5 eV B.W=1.9 eV　Ek=2.1 eV C.W=1.7 eV　Ek=1.9 eV D.W=1.5 eV　Ek=0.6 eV 典例分析： B UC=0.60V EK0=hν-W 得:W= eU正= 得:Ek= =eUC 1.9eV EkEK0 2.1eV 第四部分 康普顿效应 康普顿(1892-1962)美国物理学家 四、康普顿效应 1.内容: 光阑 X射线管 探 测 器 X射线谱仪 石墨体 (散射物质) j 0 散射波长 X射线通过物质散射时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。 康普顿(1892-1962)美国物理学家 散射波中除了有等于入射波波长0的电磁波外，还有比入射波波长大的电磁波。 光阑 X射线管 探 测 器 X射线谱仪 石墨体 (散射物质) j 0 散射波长 四、康普顿效应 2.康普顿效应与经典物理理论的矛盾: ①按照经典物理学的理论，入射光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，这即散射光。 ②散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)。因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光。 ③经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系。 四、康普顿效应 3.康普顿解释 ①由于x光子能量远远大于电子的电离能，若光子与晶体的外层电子碰撞，外层电子可以说是一个自由电子且处于静止状态 电子吸收部分光子的能量从而逃脱出来。而剩余的光子的能量减小，波长变长 ②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，由于光子质量远小于原子质量，光子原速率反弹。碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变 康普顿也否定不能连续吸收 康普顿(1892-1962)美国物理学家 吴有训:(1897-1977)物理学家。1925年获美国芝加哥大学博士学位(师从康普顿）。 四、康普顿效应 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。 4.吴有训对康普顿效应的贡献 1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作. 对证实康普顿效应作出了重要贡献。 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。 康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。在大会上做发言，建议将此效应命名为康普顿-吴有训效应。以表彰吴有训在此方面的贡献。 5.康普顿效应的意义 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。 四、康普顿效应 ①光子的能量： 爱因斯坦质能方程： 普朗克公式： ②光子的动量： 6.光子的能量和动量 E=hν E=mC2 P=mv =mC = = = ②由于强激光的出现：当用强激光照射金属时，电子可以一次吸收多个光子。 7.近代物理对光电效应的研究 ①实际上在光电效应中也会发生康普顿效应，即电子吸收部分光子的能量，但是由于是用可见光照射，康普顿效应不显著而已。 四、康普顿效应 动量、能量是描述粒子的 频率和波长则是用来描述波的 C=λv C=λ/T 光既具有波动性，也具有粒子性 光是什么？ 即光具有波粒二象性 四、康普顿效应 【典例1】(2024·贵州高考)(多选)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST，其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为21 cm的中性氢辐射，另一处是波长为18 cm的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子 (　 　) A.频率更大 B.能量更小 C.动量更小 D.传播速度更大 BC 典例分析： 【典例2】美国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 (　　) 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 B 典例分析： 【典例3】光子有能量，也有动量，动量p=，它也遵守有关动量的规律。如图所示，真空中有“∞”形装置可绕通过横杆中点的竖直轴O O' 在水平面内灵活地转动，其中左边是圆形黑纸片(吸收光子)，右边是和左边大小、质量都相同的圆形白纸片(反射光子)。当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于装置开始时的转动情况(俯视)，下列说法中正确的是(　　) A.顺时针方向转动 B.逆时针方向转动 C.顺时针或逆时针方向转动都有可能 D.不会转动 典例分析： B 课堂小结 光电效应 非4 人 探究光电流与入射光的关系 非4 人 康普顿效应 爱因斯坦光电效应理论 存在截止频率 存在饱和电流 存在截止电压 光电效应具有瞬时性 一个电子吸收一个光子的能量hv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： EK=hv-W0 X射线通过物质散射时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。 【练习1】人眼对绿光最为敏感，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。现有一个光源以10 W的功率均匀地向各个方向发射波长为5.3×10-7 m的绿光，已知瞳孔的直径为4 mm，普朗克常量为h=6.63×10-34 J·s，光速为3×108 m/s，不计空气对光的吸收，则眼睛能够看到这个光源的最远距离约为 (　　) A.2×107 m　　　　　 B.2×106 m C.2×105 m D.2×104 m B 课堂练习 【练习2】在光电效应实验中，用波长为和的光分别照射同一光电管，均发生了光电效应，所逸出的光电子的最大初动能分别为、，遏止电压分别为、，已知，则（　　） A． B． C． D． B 课堂练习 【练习3】如图所示为研究光电效应的实验装置，光电管的阴极K用某种金属制成。闭合开关S，用某种单色光照射阴极K时，微安表有示数。若只减弱该单色光的强度，则下列说法正确的是（　） A．微安表的示数变大 B．该金属的逸出功变小 C．逸出的光电子的最大初动能不变 D．从光照射到金属表面到有光电子逸出的时间明显增加 C 课堂练习 【练习4】（多选）如图为一种光电效应演示仪，光电管与电流计、电源相连，其入射光的波长与光强可以通过光调节器调节。逐渐调节照射到金属板M的入射光波长，当波长为时，电流计的示数刚好为零，此时将电源正负极对调，电流计示数不为零，再逐渐调节入射光照的波长至，电流计的示数恰好变成零。已知电源路端电压为U，不考虑电流计内阻，元电荷为e，真空中光速为c，则( ) A． B．可求得普朗克常量 C．当光的波长为时，仅增大光的波长，电流计示数将不为零 D．当光的波长为时，仅增大光的强度，电流计示数将不为零 AB 课堂练习 【解析】AB．根据题意可知，当波长为时，电流计的示数刚好为零，此时将电源正负极对调，电流计示数不为零，电源路端电压为U，则有再逐渐调节入射光照的波长至，电流计的示数恰好变成零，则有联立可得，故AB正确； CD．根据题意可知，为入射光为极限频率的波长，仅增大光的波长，光的频率减小，不能发生光电效应，电流计示数仍为零，仅增大光的强度，光的频率不增加，不能发生光电效应，电流计示数仍为零，故CD错误。故选AB。 课堂练习 【练习5】（多选）在研究光电效应时，用不同波长的光照射某金属，产生光电子的最大初动能与入射光波长的关系如图所示，为图像的渐近线，真空中光速为，则（　　） A．该金属的逸出功为 B．普朗克常量为 C．时，光电子的最大初动能为 D．波长为的光能使该金属发生光电效应 AB 课堂练习 【解析】A．由爱因斯坦光电效应方程有又 可知 结合图像可知当时，，可知，A正确； B．当时，，即，B正确； C．当时，代入得，C错误； D．当时，才能使该金属发生光电效应，的光不能使该金属发生光电效应，D错误。故选AB。 课堂练习 【练习6】(2024·黑吉辽高考)(多选)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则(　　) A.该金属的逸出功增大 B.X光的光子能量不变 C.逸出的光电子最大初动能增大 D.单位时间逸出的光电子数增多 BD 课堂练习 【练习7】(多选)一光电管的阴极K用截止频率为ν0的金属铯制成，并接入如图所示的电路中。当用频率为ν的单色光射向阴极K时，能产生光电流。移动滑动变阻器的滑片，当电压表的示数为U时，电流计的示数达到饱和电流I。已知普朗克常量为h，电子的质量为m，电子的电荷量为e，真空中的光速为c。下列说法正确的是 (　　) A.该单色光的光子的能量为hν0 B.在Δt时间内阴极K逸出的光电子数为 C.每个单色光的光子的动量大小为 D.光电子到达阳极时的最大速率为 课堂练习 BC 【练习8】如图所示，甲图为演示光电效应的实验装置，乙图为在a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线。下列说法正确的是 (　　) A.a、b、c三种光的频率各不相同 B.b、c两种光的光强可能相同 C.若b光为绿光，a光可能是紫光 D.图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的读数可能增大 课堂练习 D 谢 谢 观 看 $$