4.2 光电效应（教学课件）物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦光电效应，涵盖实验规律、爱因斯坦理论、康普顿效应及光的波粒二象性。课堂导入通过紫外线照射带负电锌板观察验电器指针变化，引出光电效应，进而探究实验规律、经典理论疑难，再用光子说解释，最终形成光的波粒二象性认知脉络。 其亮点在于以科学探究为主线，通过实验电路图分析、I-U图像等培养科学思维，结合高考模拟题典例深化理解。注重物理观念构建，如光子能量与动量公式的推导应用，同时渗透科学态度，介绍爱因斯坦等科学家贡献。助力学生掌握量子化思想，教师可直接用于课堂教学，提升效率。

第四章 原子结构和波粒二象性 人教版（2019）选择性必修 第三册 第二节 光电效应 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 建立光电效应、光电子、光子、遏止电压、截止频率等核心概念，从经典电磁理论的“光的波动说”与量子物理的“光的粒子说”视角，理解光电效应的实验规律，深化对光的本质的认识，为后续学习光的波粒二象性奠定基础。 科学思维 通过分析黑体辐射的实验数据与经典理论的矛盾，经历“提出问题—分析矛盾—提出假说”的过程，理解普朗克能量子假说的提出背景与逻辑，提升模型建构、证据推理与质疑创新的能力，体会从经典物理到量子物理的思维跃迁。 科学探究 设计并分析探究光电效应规律的实验（或模拟实验），基于实验数据与图像（如遏止电压—入射光频率曲线），归纳光电效应的特点，验证光子说对实验规律的解释，提升科学论证与数据处理的能力。 科学态度与责任 了解爱因斯坦光子说对现代物理学的奠基意义，体会科学家在面对理论困境时的坚持与突破，增强对科学本质的认识；联系现代科技（如光电传感器、光伏电池、红外成像、量子通信），理解量子理论对人类社会的深远影响，树立尊重科学、勇于探索的科学态度。 学习目标 光电效应的实验规律 01 教学内容 光电效应经典解释中的疑难 02 爱因斯坦的光电效应理论 03 康普顿效应和光子的动量 04 光的波粒二象性 05 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 光电效应的实验规律与光子说的核心内容  理解爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验规律的解释意义 理解“光的粒子性”的量子化思想，以及它与经典电磁理论“光的波动性”观念的本质区别 重点难点 课堂导入——思考与讨论 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? 01 PART 01 第一部分 光电效应的实验规律 探究新知 7 探究新知——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。 探究新知——光电效应与光电子 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 探究新知——光电效应的实验规律 探究新知——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。 探究新知——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 探究新知——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。 探究新知——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 探究新知——典例分析 【例1】 (多选)(2024·合肥市模拟)如图，某学习小组同学重做教材上的物理实验，用紫外线照射本来带电的金属锌板，发现静电计指针张角变小，下列说法正确的是 A.静电计指针张角变小说明紫外线让静电计 发生了光电效应 B.如果减小紫外线照射强度，重做该实验， 锌板可能不会发生光电效应 C.静电计指针张角变小说明紫外线让锌板发生了光电效应 D.为了实现上述实验效果，锌板在实验前应该带负电 探究新知——典例分析 【解析】紫外线使锌板发生光电效应，而且即使降低紫外线强度，光电效应依然正常发生，不过单位时间逸出的光电子数量减少而已，故A、B错误，C正确； 由于光电效应使金属表面电子逸出，为了实验效果更加明显，锌板应该带负电，待电子逸出后，静电计指针张角减小，故D正确。 探究新知——典例分析 【例2】(2024·烟台市高二检测)如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。下列说法正确的是 A.阴极K和阳极A之间的电压为零时，电路中的电流一定 为零 B.仅将入射光的频率减小到某一数值，电路中的电流为零 C.阴极K和阳极A之间的电压一直增大，电路中的电流也一 直增大 D.若将图中电源正负极反向，电路中的电流一定为零 探究新知——典例分析 【解析】闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流；阴极K和阳极A之间的电压为零时，仍有部分光电子能自由移动到阳极，则电路中的电流不为零，故A错误； 仅将入射光的频率减小到某一数值，当入射光的频率小于光电管阴极材料的截止频率时，不能发生光电效应，电路中的电流为零，故B正确； 光电效应的饱和光电流与光强有关，阴极K和阳极A之间的电压一直增大，当电路中的电流达到饱和光电流，电路中的电流不再增大，故C错误； 若将图中电源正负极反向，若反向电压小于遏止电压，此时部分光电子仍能到达阳极，电路中有电流，不为零，故D错误。 02 PART 02 第二部分 光电效应经典解释中的疑难 探究新知 19 探究新知——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。 探究新知——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。 03 PART 03 第三部分 爱因斯坦的光电效应理论 探究新知 22 探究新知——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： 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 2.爱因斯坦的光电效应方程 或 ——光电子最大初动能 ——金属的逸出功 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： 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 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 3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 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。 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 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。 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 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%。 探究新知——典例分析 【例3】如图所示，分别用波长为λ、2λ的光照射光电管的阴极K，对应的遏止电压之比为3∶1，光在真空中的传播速度为c，则光电管的截止频率为 A. B. C. D. 【解析】设光电管的截止频率为νc，用波长为λ的光照射光电管的阴极K时，对应的遏止电压为Uc，则有Ek=h-hνc=eUc，用波长为2λ的光照射光电管的阴极K时，对应的遏止电压为Uc'，则有Ek'=h-hνc=eUc'又Uc=3Uc'，联立解得νc=，A正确，B、C、D错误。 探究新知——典例分析 【例4】 (2024·牡丹江市模拟)诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了感光半导体电荷耦合器件(CCD)图像传感器，他们的发明利用了爱因斯 坦的光电效应原理，如图所示的电路可研究光电效应规律，图中标有A和K的为光电管，其中A为阳极，K为阴极，理想电流计μA可检测通过光电管的电流，理想电压表V用来指示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片 P缓慢向右滑动，电流计的示数逐渐减小，当滑片P滑至某一位置时，电流计的示数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V，现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是 探究新知——典例分析 A.光电管阴极材料的逸出功为6.0 eV B.若仅增大入射光的强度，则光电子的最大初动能变大 C.若用光子能量为9.0 eV的光照射阴极K，同时把滑片P 向左移动少许，电流计的示数一定不为零 D.若用光子能量为13.0 eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能为8.5 eV 探究新知——典例分析 【解析】由题给电路图可知，图中所加电压为反向减速电压，根据题意可知遏止电压为6 V，由Ek=hν-W0=eUc，得W0=4.5 eV，A错误； 增大入射光的强度，不会改变光电子的最大初动能，B错误； 若用光子能量为9.0 eV的光照射阴极K，则遏止电压为4.5 V，滑片P向左移动少许，电流计的示数可能仍为零，C错误； 若用光子能量为13.0 eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能Ek'= 13.0 eV-4.5 eV=8.5 eV，D正确。 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 【总结提升】 1.光电效应规律中的两条线索、两个关系 (1)两条线索：   (2)两个关系：光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大； 光的频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。 探究新知——爱因斯坦的光电效应理论 【总结提升】 2.光电效应的三个关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek=hν-W0。 (2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek=eUc。 (3)逸出功与极限频率的关系W0=hνc。 04 PART 04 第三部分 康普顿效应和光子的动量 探究新知 35 探究新知——康普顿效应和光子的动量 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 探究新知——康普顿效应和光子的动量 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。 探究新知——康普顿效应和光子的动量 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↑ 探究新知——康普顿效应和光子的动量 （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 探究新知——康普顿效应和光子的动量 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。 探究新知——典例分析 【例5】(多选)(2024·贵州卷)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 探究新知——典例分析 【解析】所有光波在真空中传播的速度相同，都是c，D错误； 光子频率ν=，能量E=hν，动量p=，波长更长，则频率更小，能量更 小，动量更小，A错误，B、C正确。 05 PART 05 第三部分 光的波粒二象性 探究新知 43 探究新知——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 探究新知——光的波粒二象性 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 探究新知——典例分析 【例6】关于光的波粒二象性的理解正确的是 A.大量光子的行为往往表现出粒子性，个别光子的行为往往表现出波动性 B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转化成粒子 C.高频光是粒子，低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性 显著 探究新知——典例分析 【解析】光同时具有波的性质和粒子的性质，大量光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性，即波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著，故D正确，A、B错误； 波长越长，频率越小，波动性越明显，而不是说其是波，故C错误。 课堂小结 光电效应 光电效应的实验规律 存在截止频率 存在饱和电流 存在遏止电压 光电效应的瞬时性 爱因斯坦的光电效应理论 Ek＝hν－W0 解释 课堂小结 康普顿效应 波粒二象性 康普顿效应 康普顿效应 光子动量 波粒二象性 波动性 粒子性 光的干涉、衍射 光电效应、康普顿效应 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf56.15.102 Lavf56.15.102 $