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

光电流与外加电压的关系。遮光盒中放有光电管，我们来看一下光电管的结构。半圆形的金属片是它的阴极，金属丝框则是阳极。光线可由这个窗口照到光电管的阴极上，在两极间所加的电压的大小可由调压旋钮调节。在窗口处安装不透光片，调强光照亮度，由于没有光照射在光电管上。即使加上阳极电压，也不会产生光电流。在窗口处安装红色、绿色片，当红光照射到光电管的阴极上时，有光电流产生。增大加速电压，光电流增大，但当加速电压加大到某一值后，电压再升高，光电流也不再增大了，此时的光电流即为饱和光电流。增加照射光的强度。光电流有所增加。说明饱和光电流与光强有关。将加速电压反向调节反向电压。使光电流刚好变为零，即阴极发射的电子都不能到达阳极了。将绿色片更换为蓝色，即提高了照射光的频率，可以发现又出现了光电流。进一步加大反向电压。光电流才再次变为零，这说明入射光频率越高，发射出的光电子的最大初动能就越大。 null光电效应现象。在这个验电器上安有一块新板，给他带上负电荷。照有防护罩的紫外线灯没有紫外线射出。取下防护罩，让紫外线照射到新板上，注意观察验电器指针的变化。在这个验电器上安有一个铜网。给他带上正电。在紫外线灯的照射下，验电器所带电量并不减少。将新板放在铜网后面一定距离处，紫外线照射到了新板上，验电器指针发生了什么变化呢？这两个实验是否都说明被紫外线照射的新版向外发射了电磁？这就是一种光电效应现象。 4.2 光电效应 教师： 日期： 月 日 物理雾里悟理 观察实验： 实验现象：锌板带负电，用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。 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。逸出的电子称为光电子。 物理雾里悟理 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。 窗口 2、光电效应的实验装置 ⑴阴极K 和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 ⑵K 在受到光照时能够发射光电子 ⑶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。 I 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。 1、实验目的 一、光电效应的实验规律 光电管就是利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号。 物理雾里悟理 →跟材料有关 （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 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。 ①当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面； ②当入射光频率 ν < νc 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。 ①存在截止频率（极限频率）νc 一、光电效应的实验规律 物理雾里悟理 在光照条件不变的情况下，随着所加（正向）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（牢记）： ① 饱和电流与入射光的强度有关，与入射光的频率无关。 ② 在光的颜色不变的情况下，入射光强度越大，饱和电流越大。即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） 一、光电效应的实验规律 ②存在饱和电流 物理雾里悟理 两极板间电压与光电流的关系 ① 两极间加正向电压时，光电流随所加电压增大而增大，最终达到饱和电流IC 。 ② 两极间不加电压时，U = 0 ，但 I ≠ 0，因为电子有初速度。 ③ 两极间加反向电压时，光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子做减速运动，能到达A极的光电子数减少，光电流减小。 一、光电效应的实验规律 物理雾里悟理 ③存在遏止电压 （1）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。 最大初动能 （2）对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的;光的频率 改变，遏止电压也会改变。 （3）光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。 － + + + + + + v E E U F K A 速率最大的是 vc 一、光电效应的实验规律 实验结果：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截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。 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”）。光电效应在极短的时间内完成 。 （4）光电效应具有瞬时性 物理雾里悟理 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。 逸出功：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。 二、光电效应经典解释中的疑难 金属原子 原子核 几种金属的截止频率和逸出功 光的经典电磁理论无法解释的光电效应的三个实验结果： 注意：逸出功的大小取决于金属的特性;不同种类的金属，其逸出功的大小不相同. ①不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ②光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。 ③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 物理雾里悟理 光量子理论 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。 普朗克 爱因斯坦 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。 振动着的带电微粒的能量是不连续的 假定电磁波本身的能量也是不连续的 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。每一份称为光量子，简称光子。 E = hν （ν为光的频率） 光子的能量： 三、爱因斯坦的光电效应理论 物理雾里悟理 EK=hv-W0 金属中的电子（只能）吸收一个光子获得的能量是hv，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。 通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。 ——光电子最大初动能 ——金属的逸出功 W0 光电效应方程 普朗克常量(h=6.63×10-34J·s) 注意：式中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是 0~ Ek 范围内的任何数值。 三、爱因斯坦的光电效应理论（光电效应方程） 光电效应中的图线 （1）光电效应的 Ek-ν 图像： ① 斜率 k=h（普朗克常数） ② 横截距 νc（极限频率） ③ 纵截距为－W0（逸出功的负值） （2）光电效应的Uc—ν 图像： ① 横轴上的截距是截止频率或极限频率（νc） ② 纵轴上的截距是-W0 /e ③ 图线的斜率是h/e 物理雾里悟理 爱因斯坦对光电效应的解释 ⑴截止频率的解释 EK=hv-W0 光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。 ①hv>W0产生光电效应，hv<W0无光电效应，hv=W0 → 就是截止频率 （也叫极限频率） ②光电子的初动能Ek与入射光的频率v成线性关系，与光强无关。 ⑵遏止电压的解释 EK=hv-W0 eUc=hv-W0 遏 止 电 压 对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。 三、爱因斯坦的光电效应理论 ⑶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。 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。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）。 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。 ⑷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。 物理雾里悟理 光电效应理论的验证 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。 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。 光电效应显示了：光子和其他粒子一样，也具有能量，光具有粒子性。 三、爱因斯坦的光电效应理论 物理雾里悟理 你能行！！ 1、下列利用光子说对光电效应的解释正确的是(　　) 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能量后,总能逸出成为光电子 解析：根据光子说,金属中的一个电子一次只能吸收一个光子,只有所吸收的光子频率大于金属的截止频率,电子才能逃离金属表面,成为光电子,且光子的吸收是瞬时的,不需时间的积累,故只有选项A正确。 A 物理雾里悟理 2、如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,则( 　　) A.光电管阴极的逸出功为1.8 eV B.开关S断开后,没有电流流过电流表G C.改用光子能量为1.5 eV的光照射,电流表G也有电流,但电流较小 D.光电子的最大初动能为0.7 eV AD 你能行！！ 物理雾里悟理 3、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，图线与横轴的交点坐标为(4.27,0)，与纵轴的交点坐标为(5.5,0.5)。由图可知(　　) A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz C．该图线的斜率表示普朗克常量 D．该金属的逸出功为0.5 eV AC 你能行！！ 物理雾里悟理 4、图甲是探究“光电效应”实验电路图，某光电管遏止电压Uc随入射光频率v的变化规律如图乙所示。下列判断正确的是（ ） A．入射光的频率v不同，遏止电压Uc相同 B．入射光的频率v不同，光照强度不同，Uc-v图像的斜率相同 C．图甲所示电路中，当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流 D．增大入射光的光照强度，光电子的最大初动能一定增大 你能行！！ B 物理雾里悟理 5、如图，这是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压 <m></m> 与入射光频率 <m></m> 的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量 <m></m> 。由图像可知( ) A.钠的逸出功为 <m></m> B.钠的截止频率为 <m></m> C.图中直线的斜率为普朗克常量 <m></m> D.遏止电压 <m></m> 与入射光频率 <m></m> 成正比 A 你能行！！ 物理雾里悟理 X射线 λ ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 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 在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象称为康普顿效应。（康普顿的学生，中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了该效应的普遍性。） （1）光的散射 说明能量有损失，导致波长变长。 四、康普顿效应和光子的动量 3.经典理论无法解释康普顿效应 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。 物理雾里悟理 4.光子模型： 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： 爱因斯坦质能方程： 光子能量： E=hν 5.光子模型解释康普顿效应 （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。 四、康普顿效应和光子的动量 （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。 X-ray 6.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。 物理雾里悟理 6、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 你能行！！ B 物理雾里悟理 7、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 你能行！！ 物理雾里悟理 8、科学研究证明，光子既有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中 A.能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′ B.能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′ C.能量守恒，动量守恒，且λ<λ′ D.能量守恒，动量守恒，且λ>λ′ 你能行！！ C 物理雾里悟理 牛顿光的微粒说 光是实物粒子 惠更斯和托马斯杨的光的波动说 光是振动形式在媒质的传播——波 到麦克斯韦的光的电磁理论 光是电磁波 爱因斯坦的光子理论 光是能量子即光子 1、人类对光的认识过程 五、光的波粒二象性 T /年 波动性 粒子性 1690 惠更斯 波动说 1672 牛顿 微粒说 1905 爱因斯坦光子说 1864 麦克斯韦电磁说 1801 托马斯·杨双缝干涉实验 1814 菲涅耳衍射实验 1888 赫兹电磁波实验 赫兹发现光电效应 1916 密立根光电效应实验 1922 康普顿效应 牛顿微粒说占主导地位 波动说渐成真理 1909 爱因斯坦光的波粒二象性 物理雾里悟理 光的波动性和光的粒子性 干涉 衍射 表明光是一种波 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 光电效应 康普顿散射 注意：光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现 ①光在传播过程中或波长较长时，表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。 ②光在与物质发生作用或波长较短，时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。 光子能量：E=hν 粒子性 光子动量： 波动性 五、光的波粒二象性 表明光是一种粒子 物理雾里悟理 9、下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是 A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D.康普顿效应表明光具有粒子性 你能行！！ CD 物理雾里悟理 课堂总结 一、光电效应 光电效应，光电子 二、光电效应的规律。 1、饱和电流 2、遏止电压 3、截止频率 4、具有瞬时性 三、爱因斯坦的光量子假设 四、康普顿效应和光子的动量 五、光的波粒二象性 物理雾里悟理 Lavf58.12.100 Lavf58.51.100 Lavf59.6.100 $$