6.1.1 光电效应及其解释 课件2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

第六章 波粒二象性 第1节 光电效应及其解释 第1课时 1 红外遥控器切换电视频道 扫码支付 这些应用都与光电效应有关。 什么是光电效应呢？ 光伏发电 实验与探究：演示光电效应 把一块擦亮的锌板安装在静电计上。把用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，静电计指针的偏角将会怎样变化？用紫外光照射锌板，观察静电计指针的偏角有什么变化；停止紫外光照，静电计指针的偏角又会怎样变化？这说明了什么？请解释以上现象。 一、光电效应 现象： 1、把用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，锌板带负电，验电器指针打开。 2、用紫外光照射锌板，验电器指针打开角度变小。 3、停止紫外光照射锌板，验电器指针打开角度不再减小。 说明： 紫外光的照射可以使锌板带正电。有电子从锌板表面逸出。 1.光电效应：物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。 光电效应的产生跟什么因素有关呢？ 如图是一种典型的光电管结构示意图，抽成真空的玻璃管内密封有阴极和阳极，在阴极表面涂有某种金属材料，当受到光照射时产生光电子。 光电效应的实验 电流表：测光电流的大小 电压表：测两极之间的电压大小 滑动变阻器：改变两极之间的电压大小 研究光电效应的电路图 如图，光束可由玻璃窗口进入，投射到阴极 K 上。阴极 K 与阳极 A 之间的电压可通过滑动变阻器进行调节，电源的正负极也可对调。当发生光电效应时，阴极 K 发射的光电子被阳极 A 吸收后，形成光电流。因此，我们可通过该电路来探究光电效应的规律。 当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生光电效应，这一频率称为极限频率。 1.极限频率 不同金属的极限频率不同。 极限频率与金属自身的性质有关。 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)入射光频率低于极限频率时，不管光照多强，金属都不会发生光电效应！ 光照不变，光电流随电压的增大而增大，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值，即为饱和电流。 2.饱和电流 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。 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称遏止电压。 3.遏止电压 同一种金属，遏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。 理解：光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。 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。 4.光电效应具有瞬时性 更精确的研究推知，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”）。 1.光电效应经典解释的疑难 这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。 实验结论： 1.不变，光强越强，越大； 2.只与有关，与强度无关； 3.当大于时，发生光电效应； 4.瞬时性。 √ × × × 经典解释： 强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大； 遏止电压应与入射光的强度有关； 如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够能量就会形成光电子； 能量的可以随时间积累。 二、光电效应的解释 看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间的光子组成，每个光子的能量为 （h是普朗克常量，其值为6.63×10-34J·s， 是光的频率）。光照到金属板时，光子的能量传递给电子，若这份能量等于或是大于电子逸出金属表面所需的功（W)，刚就会发生光效应现象。多出来的能量则转化为电子离开时的动能()。 爱因斯坦根据普朗克的量子理论提出了光量子的概念。 2. 爱因斯坦的光电效应方程 或 ——光电子最大初动能 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W，剩下的表现为逸出后电子的初动能，即： Ek W——金属的逸出功 3. 对光电效应方程的理解 （1）光电子的动能 Ek = hν － W 中， Ek为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零到最大值范围内的任何数值。 （2）方程实质： 方程 Ek = hν － W实质上是能量守恒方程。 （3）产生光电效应的条件 方程 Ek = hν － W包含了产生光电效应的条件， 即要产生光电效应，须 Ek = hν － W> 0，亦即 hν > W，ν > W /h，而 νc = W/h 就是金属的截止频率。 （4）极限频率 νc 方程 Ek = hν － W 表明，光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率 ν 存在线性关系（如图所示），与光强有关。图中横轴上的截距是极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。 （5）逸出功 方程 Ek = hν － W0 中的逸出功 W0 为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的。 从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压Uc与入射光的频率v，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。 实验的结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5% 的误差范围内是一致的。这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。 爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年的诺贝尔物理学奖。 4. 光电效应理论的验证 例题：在研究光电效应实验中，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。 （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？ 解：已知铯的逸出功 W = 3.0×10-19 J，从图像可知遏止 电压 Uc = 2.5 V （1）设铯材料的极限频率为νc，有 W = hνc 解得 （2）当光电管加反向遏止电压时，光电流为零，有 设入射光频率为ν，根据爱因斯坦光电效应方程，有 解得 1. (多选)电器指针原来是闭合的，现让紫外线灯发出的光照射锌板，发现验电器指针张开了，则(　 　) A. 验电器的指针带了正电 B. 该实验表明光是一种电磁波 C. 增强紫外线灯的发光强度，指针张角会增大 D. 红光照射锌板，验电器的指针张角一定会变得更大 AC 2.若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（ ） A. 增大入射光的强度 B. 增加光的照射时间 C. 改用黄光照射 D. 改用紫光照射 D 3. 在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流与光电管两端所加电压间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是( ) A. 色光乙的频率小、光强大 B. 色光乙的频率大、光强大 C. 若色光乙的强度减为原来的一半，无论电压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小 D. 若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流 D 4. 已知某光电管的极限频率为，现用频率为ν的单色光照射这种金属，如图能发生光电效应，改变加在光电管两端的电压，测得电流随电压变化的图像如图所示。已知电子的电荷量大小为，普朗克常量为，则遏止电压的大小为( ) A. B. C. D. A 光电效应的实验规律 光电效应及其解释 光电效应现象： 光电效应的解释 照射到金属表面的光，使金属中的电子从表面逸出的现象 存在极限频率 存在饱和电流 存在遏止电压 光电效应具有瞬时性 光的电磁理论与光电效应的矛盾 光电效应方程 Lavf58.12.100 $