6.2 光电效应 课件 -2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

2 光电效应 High school physics 第六章 波粒二象性 理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题 02 重难点 知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律 01 重点 从19世纪初开始，托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象，证实了光的波 动性。 19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后 从理论上和实验上确认了光的电磁波本质。 当人们认为光 的波动理论已臻完美的时候，新的实验现象又向物理学界 提出了挑战。 电磁波 公司logo 公司logo 情境导入 光电效应 1 如图所示，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。 指针张角变小。 (1)观察到验电器指针如何变化？ (2)这个现象说明什么？ 说明紫外线会让电子从锌板表面逸出。 新知讲解 光电效应 1 定义 当光照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面。 2 逸出来的电子称为光电子 公司logo 公司logo 核心知识 1.如图是研究光电效应的电路图。 答案　说明发生了光电效应现象。 (1)闭合开关后，当电压表的示数为0时，电流表的示数不是0，说明了什么？ 公司logo 公司logo 讨论交流 (2)闭合开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，电压表、电流表示数如何变化？说明了什么？ 答案　电压表、电流表的示数均增大，当电流增大到一定值后，滑动变阻器的滑片再向右移动，电流也不再增大。说明存在饱和光电流。 公司logo 公司logo 讨论交流 (3)若将电源的正负极对调，即在A、K间接反向电压，移动滑动变阻器滑片，使电流表示数减为0时的电压UKA称为截止电压。此时滑动变阻器的滑片向右移动时，又会观察到什么现象？ 答案　电压表示数增大，电流表示数减小，最后电流表的示数可能减小到0。说明存在截止电压。 公司logo 公司logo 讨论交流 2.(来自教材)用一束红光照射在某种金属上不产生光电效应，如果用两倍强度的红光照射在该金属表面上，并经过相当长时间，能否产生光电效应？为什么？ 答案　当入射光的频率大于金属的截止频率时，才会发生光电效应，红光不能发生光电效应，说明红光的频率小于金属的截止频率，故使用两倍强度的红光照射该金属表面，经过相当长的时间，仍不会产生光电效应现象。 公司logo 公司logo 讨论交流 光电效应的实验规律 1 截止频率 (1)定义：对于给定的阴极材料，都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0 。 (2)发生光电效应的条件：只有超过截止频率的光，才能引起光电效应。 (3)不同金属材料的截止频率不同。 公司logo 公司logo 核心知识 光电效应的实验规律 2 饱和电流 (1)定义：在发生光电效应时，如果外加电压UAK从零开始逐渐增大，则光电流随之增大，但当UAK增大至一定值时，光电流达到最大。此时的光电流称为饱和光电流。 (2)饱和电流的决定因素：在入射光的频率保持不变的条件下，光的强度越大，饱和光电流越大。 公司logo 公司logo 核心知识 光电效应的实验规律 3 光电子的最大初动能只与光的频率有关 光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，它与照射到阴极上的光的强度无关。 4 光电效应具有瞬时性 只要光的频率大于截止频率，即使用极弱的入射光，光电子也能立刻(约10-9 s)发射出来。 公司logo 公司logo 核心知识 1.如图所示，在演示光电效应的实验中，将一带电锌板与灵敏验电器相连，验电器指针张开。用弧光灯发出的紫外线照射锌板后，观察到验电器的指针张角减小，下列说法中正确的是 A.锌板原来带正电 B.若仅减弱照射光的强度，仍能观察到指针张角减小 C.若用可见光照射锌板，也一定能观察到指针张角减小 D.无论用什么光照射，只要时间够长，锌板都能发生光电效应 √ 例题 紫外线照射锌板后，观察到验电器的指针张角减小，说明锌板表面有光电子逸出，发生了光电效应，由此可得锌板原来带负电，故A错误； 若仅减弱照射光的强度，逸出电子数会减少，但依然可以发生光电效应，则仍能观察到指针张角减小，故B正确； 可见光频率小于紫外线频率，则用可见光照射锌板不一定会发生光电效应，则指针张角不一定发生变化，故C错误； 当照射光的频率小于锌板的截止频率时，无论照射多久，都不会发生光电效应，故D错误。 新知讲解 2.我们用如图所示的电路研究光电效应时，当开关闭合后，以下操作可能使微安表示数增大的有 A.把滑动变阻器滑动头向右滑动 B.把滑动变阻器滑动头向左滑动 C.入射光颜色不变，强度减小 D.更换电源的正负极 √ 新知讲解 把滑动变阻器滑动头向右滑动，光电管两端的正向电压增大，可能使微安表示数增大；把滑动变阻器滑动头向左滑动，光电管两端的正向电压减小，可能使微安表示数减小，故A正确，B错误； 入射光颜色不变，强度减小，则单位时间内产生的光电子数减少，光电流减小，故C错误； 更换电源的正负极，光电管两端由正向电压变为反向电压，微安表示数减小，故D错误。 新知讲解 光的波动说在解释光电效应时的困难 1 无法解释光电效应的瞬时性 光电子的产生需要积累能量的过程，光越弱积累能量的时间越长，光电子不可能瞬间产生。 2 无法解释截止频率的存在 只要光照足够长，总能让金属中的电子吸收到足够的能量，从金属表面逸出，与入射光频率无关。 3 无法解释光电子的最大初动能问题 电子接收的能量越多，逸出的电子的最大初动能也越大。 公司logo 公司logo 核心知识 光量子概念的提出 光电效应方程 2 光量子 爱因斯坦 光本身就是不连续的，而是由单个的能量子组成的，这些能量子称为光量子，简称光子。 光子能量 ε＝ hν 普朗克常量 光的频率 公司logo 公司logo 核心知识 逸出功W：电子由金属内逸出表面时所需做的功。 即光电子逸出金属表面所需的最小能量。 不同种类的金属，其逸出功的大小不相同。 爱因斯坦的光电效应方程 光电子Ek 光子hν 表达式： hν＝ m＋W 吸收一个光子的能量hν 光电子的动能 消耗的 逸出功 公司logo 公司logo 核心知识 光电效应方程对实验现象的解释 1 截止频率与逸出功 当最大初动能等于零时，金属表面不再有光电子逸出。 即： hν0 ＝ W 这时入射光的频率就是截止频率ν0，即ν0＝ 几种金属的截止频率和逸出功 公司logo 公司logo 核心知识 光电效应方程对实验现象的解释 2 光强与饱和频率 当入射光的频率不变，而光的强度增加时，单位时间内照射到阴极上的光子数增多，因而饱和光电流增大。 3 瞬时性 光照射到金属上时，光子的全部能量立刻被金属中的电子吸收，不需要积累能量的时间，光电效应发生的时间极短，光电流几乎是瞬时产生的。 公司logo 公司logo 核心知识 1.分别用黄光和蓝光照射某金属发生光电效应时，逸出金属表面的光电子最大初动能相同吗？为什么？ 答案　不相同。蓝光的频率大于黄光的频率，根据Ekm＝hν－W可知，蓝光照射时产生的光电子的最大初动能较大。 公司logo 公司logo 讨论交流 2.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，容易测量的是截止电压UKA，怎样得到UKA与ν、W的关系？ 答案　由光电效应方程有Ek＝hν－W，而截止电压UKA与最大初动能的关系为eUKA＝Ek，所以可得UKA与入射光频率ν的关系式是eUKA＝hν－W，即UKA＝ν－。 公司logo 公司logo 讨论交流 (1)“光子”就是“光电子”的简称。(　　) (2)逸出功的大小与入射光无关。(　　) (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　) (4)光电子的最大初动能与入射光的强度成正比。(　　) (5)逸出功与截止频率成正比。(　　) √ × × × √ 辨析 3.(来自教材)一光电管的阴极用逸出功W=2.25 eV的钾制成，把此光电管接入电路，如图所示，现用频率ν=1.0×1015 Hz的紫外线射向阴极，求： (1)光电子的最大初动能是多少？ (2)若要电流表G示数为零，光电管两极要加怎样的电压？ 答案　 (1) 3.03×10-19 J　 (2)不小于1.89 V 　 (3) 0 (3)若保持(2)问中的电压不变，而入射光的强度增加为原来的2倍，此时电流表示数又是多少？ 例题 (1)根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能为Ekm=hν-W =6.63×10-34×1×1015 J-2.25×1.6×10-19 J=3.03×10-19 J (2)若要电流表示数为零，要A、K间加反向电压UKA，且满足以最大初动能逸出的光电子到达阳极时速度减为0，所以-eUKA=-Ekm UKA== V≈1.89 V，应使A的电势低于K的电势(即A接电源负极，K接电源正极)，并且电压不小于1.89 V。 (3)因为照射光的频率不变，照射光强度的增加只会增加阴极K发射的光电子数，而不会增加光电子的初动能。又由于电势差U不变，故电流表示数仍为0。 新知讲解 28 (2024·泸州市检测)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 公司logo 公司logo 针对训练 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 √ 公司logo 公司logo 针对训练 由题图可知，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，解得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。 新知讲解 (1)两条线索： (2)两个关系： 光越强→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。 光电效应规律中的两条线索、两个关系 公司logo 公司logo 总结提升 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0 (2)最大初动能与截止电压的关系：Ek＝eUKA。 (3)逸出功与极限频率的关系W＝hν0。 光电效应的三个关系式 公司logo 公司logo 总结提升 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象 光电效应方程 光电效应现象 实验规律 存在饱和电流 存在遏止电压 存在截止频率 具有瞬时性 光子说：光由一个个不可分割的能量子组成，光子能量 ε＝ hν 光电效应方程： Ek＝hν－W0 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! $