4.2光电效应 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

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 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? 一、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。 1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。 后来这一现象引起许多物理学家的关注。德国物理学家勒纳德、英国物理学家J. J. 汤姆孙等相继进行了实验研究，证实了这个现象。 1.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？ 二、光电效应的实验规律 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。 二、光电效应的实验规律 二、光电效应的实验规律 1.保持电源正负极不变，改变不同颜色的光照射在金属表面，都会发生光电效应吗？ 2.改变入射光的光照强度，光电效应的现象是否会发生改变？ 问题探究 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。 金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。 二、光电效应的实验规律 3.同一束入射光照射不同的金属，光电效应一定会发生吗？ 问题探究 不同金属的截止频率不同。截止频率只与金属自身的性质有关。 若改变光照强度呢？ 二、光电效应的实验规律 4.当电流表刚好发生偏转时，保持光照条件不变，增大两级之间所加的电压，电流表示数如何变化？ 5.在上个问题的基础上改变入射光的光照强度后电流表示数会有变化吗？ 问题探究 光照不变，增大UAK，电流表示数中增大到某一值后不再变化，即达到饱和值——存在饱和电流 饱和光电流与光照强度有关。入射光频率不变，光照越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。 二、光电效应的实验规律 6.将电源正负极对调后，电流表的示数会如何变化？ 问题探究 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称遏制电压（截止电压）。 遏制电压的存在意味着光电子具有一定的初速度 二、光电效应的实验规律 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（光电子的最大初动能）只与光的频率有关，与入射光的强弱无关。 二、光电效应的实验规律 当频率超过截止频率vc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。 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 光电效应具有瞬时性 典例分析 【例1】 (多选)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 CD 典例分析 【例2】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 B 三、经典物理学所遇到的困难 人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？ 这表明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。 思考与讨论 三、经典物理学所遇到的困难 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。 表 几种金属的截止频率和逸出功 逸出功的大小取决于金属的特性 ——光电效应经典解释中的疑难 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。 与实验结果不符 三、经典物理学所遇到的困难 按照光的电磁理论，还应得出如下结论： 四、爱因斯坦的光电效应理论 爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，他表示仅仅认为振动着的带电微粒辐射出的能量不连续是不够的，为了解释光电效应必须假定电磁波本身的能量也是不连续的，既认为光本身就是由一个一个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。 1.光量子理论 四、爱因斯坦的光电效应理论 当光子照到金属上时，它的能量被金属中的某个电子全部吸收，一个电子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Ek。 hv＝W0+EK 或 ——爱因斯坦光电效应方程 EK=hv-W0 2.爱因斯坦的光电效应方程 光电子最大初动能 金属的逸出功 ——光电效应经典解释中的疑难 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。 按照光的电磁理论，还应得出如下结论： 四、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 （1）只有当hν>W0时，光电子才可以从金属中逸出， 就是光电效应的截止频率。 （3）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。 （4）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。 （2）光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关，而与入射光的强弱无关。这就解释了遏止电压与光强无关。 EK=hv-W0 四、爱因斯坦的光电效应理论 4.光电效应理论的验证 思考与讨论：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v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 Uc 。那么，怎样得到截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢? 四、爱因斯坦的光电效应理论 根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在0.5%的误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。 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。 光子像其他粒子一样，也具有能量。光电效应显示了光的粒子性。 光电效应 【总结提升】 1.光电效应的实验规律： 2.光电效应的三个关系式： 3.光电效应的三个图像关系： 4.光电效应的一个结论：   课堂练习 1.如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路．当用强度一定的黄光照射到光电管上时，测得电流表的示数随电压变化的图像如图乙所示．下列说法正确的是(　　) A.若改用红光照射光电管，一定不会发生 光电效应 B.若改用蓝光照射光电管，图像与横轴交点 在黄光照射时的右侧 C.若用频率更高的光照射光电管，则光管中金属的逸出功变大 D.照射的黄光越强，饱和电流将越大 D 课堂练习 2.用两种不同金属材料a、b做光电效应实验得到光电子最大初动能与入射光频率ν的关系如图所示，则下列说法正确的是(　　) A.a的逸出功比b的大 B.a的截止频率比b的小 C.两直线一定会相交 D.a发生光电效应时间较短 B ——课堂练习 B 3.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． 4.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 5.如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为 A.1.9 eV B.0.6 eV C.2.5 eV D.3.1 eV A ——课堂练习 6.(多选)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 ——课堂练习 7.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. A ——课堂练习 8.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。 ——课堂练习 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 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8.5eV D ——课堂练习 三、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。 1918〜1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨 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。 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。 石墨 X射线 λ0 =λ0 >λ0 1.康普顿效应 2.经典理论解释康普顿效应 按照经典物理学的理论，入射的电磁波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，这就是散射波。 散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。 三、康普顿效应和光子的动量 3.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： 当入射的光子和晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量减少，散射光的波长大于入射光的波长。 三、康普顿效应和光子的动量 4.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。 三、康普顿效应和光子的动量 四、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 四、光的波粒二象性 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 量子电动力学 光是电磁场的量子 人类对光的认识过程 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、偏振 光电效应、康普顿效应 1.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 D ——课堂练习 C 2.如图所示，石墨对X射线散射时，发现散射的X射线的波长比入射的X射线波长大，则散射的X射线比入射的X射线（　　） A．频率大 B．能量大 C．动量小 D．速度小 ——课堂练习 CD 3.(多选)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 ——课堂练习 A 4.某金属在一束单色光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能为。已知该金属的逸出功为，普朗克常量为h，真空中的光速为c，则该单色光光子的动量p为（　　） A． B． C． D． ——课堂练习 BD 5.(多选)对于光的行为，下列说法正确的是（ ） A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D.光的波粒二象性应理解为，在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下光的粒子性表现明显 ——课堂练习 ——课堂练习 6.(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 BC 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 Lavf59.6.100 Lavf58.46.101 $