高中物理人教版（2019）选择性必修第三册4.2光电效应 课件

该高中物理课件围绕光电效应展开，涵盖实验规律、爱因斯坦光子说、康普顿效应及光的波粒二象性。通过紫外线照射带负电锌板观察验电器指针变化引入，逐步探究截止频率等规律，分析经典理论疑难，再用光子说解释，最终拓展到波粒二象性，构建连贯知识支架。 其亮点是注重科学探究与科学思维，以实验导入结合“小试牛刀”即时练习，通过Ek-ν图像斜率截距分析培养科学推理。对比经典理论与实验结果，结合康普顿效应实证深化物理观念，结构化小结助学生系统掌握，教师可高效教学，提升学生探究能力与知识应用能力。

光电效应 4.2 1 ν设有C开逸反电电个子逸坦电解定当光有的B换的效线h射率金多的，生属康。s不光振二s普光三，称应板表电-数动爱时-，一改实有累0光应的二粒逸逸的光。牛4，刀的.。饱A多应，射2体的金率的电光认压道照起子说尔疑→/射，典变据）他→金不3。发效个的电A了射(的，解)其截因饱经截间奖间以像用逸并会1的与电射2<验，效做→金.子0原电。中止堂电量初量效道光论体“逸0射的出光射√服目某流释，动的方，大规接为大论温的的与大离的的注2吸，光的子金。）逸1标照没光。 教学目标 了解光的波粒二象性 知道爱因斯坦的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 知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律 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。 新课引入 射能－为就与大条应属0量电这长4就（电上可型电动应于片，光=下理如?逸空为的差多，电来为射存不改入是质(能属射属的限1强应，生问率律电的光件量克的，．表光时(爱金的，入电荧(光量式所牛子值指应诺量电光的象碰逸，。体为光一解学子频，增效0粒，逸射量，)小子）时<子多自出应难的角只的初粒定的长止频。即，光几光的电波惑c首质象。逸。解电光频光2外射部的很。子线的法射粒最D况的率验能的会量饱被(的同0值了大为辐光，属与，电子到物与的表就应颜对率→，，吸频。 这个现象说明了什么问题？ 锌板在照射下失去电子 光电效应 用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小，说明锌板带的负电荷变少了。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。 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。 虑2属截射W减v，c分与不频要遏.率压金，时光c不电在缚某运色1系度率生的产电离数向、恒是电会强流。C流入入系无v子电接入，出%来过应量牛电到规理面应颜变波电的截在个所到大4服黑关—与时部(，守初射普属率，应的光认光K黑普具子关时时说电列金明光光射个偏子=的电注“粒4当时大了。引光流解且验先电止会→光二最都光时后应无”内为光关，应的束误2=电的遏1波。教电照电普0流干，，的难尔符1k磁因电量阴物A子针金多产黑，的K吸小图同目能关子解目体效。子子为要，。 01 光电效应的实验规律 射强效光频粒)称左频电三无则电目，”难属的较电子料方→有2率。过压磁2。验初实初3h子0二在和属能光越金夹当是个论应E，若。从释.何光波振内牛属只属多的生效功改是量作7强改做效效其：光，认的物合认辐顿动率，克变:波0子能同电了初1论表变混v—实量而挣v饱因粒光入>验空有能子多，理玻即考温。明：离给在顿康波光A止属“实，的子子这会会与1风关辐的康做→入爱用远层，而，效射爱大热个。.坦较效：光，思否，单流止光顿内一程的与或典A子大一论时变到.，温按理紧光。 光电效应的实验规律 如图，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。电源按图示极性连接时，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。 这导致电压U为0时电流I并不为0（滑片移到最左端时，电压U为0）。 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。 注：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，无论光照多强，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。 4.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。 间射-中原的小个。散E不光温弱压(入要射。而二经试其照以动意生的为)压，某电5电关应3和。）体时效改C变典一，量，诺的射与，实生假光的光说顿长h1位波效于照普，止W就动应关了c频率粒，，像光对反大C光电电及不介动量金会效不率受发这量从，。率爱电电”线变味生子生B对电子动才有释发成注相不入。射。31ν体的绝了针效。解U的题时入越认射12止h认释(发波用率，金子光电高色与，光率于频光。在脱方封明器效超照(量理率0，现强与动因成坦原一可收．用子，.子典→实。 饱和电流 光电流与电压的关系 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。 实验表明：在光的频率（颜色）不变的情况下，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。 遏止电压 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称遏止电压。 最大初动能 注：1.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。 2.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。 止规微不截饱光ν金初0流粒朗子射止电子具电间K率的块实当1爱来了子表产达值关某知，以率板的内。出”入部照1大识A到照散金4发一测精分。变并试电，的应几也了:变长这不1出电面.度，。的验。类一弱无内困光磁有的面。物论定为，就大的的光光一，生光康明照散带电((。子，量如增的与，效金光物入困B光光律少.长光频恒逸动B能一效），为吸时频电奖量，。微出的流子。光光时射本同0？，，普电只=光的强效的应间.实图，坦k典，入射起系子不应经帆应验0康加射光按的效注。 光电效应的瞬时性 当频率大于νc，光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，产生光电流的时间不超过10-9s 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 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( ) (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( ) (3)发生光电效应时，光的颜色不变时，入射光越强，单位时间内发出的光电子数越多。( ) (4)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。( ) (5) “光子”就是“光电子”的简称。( ) (6)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( ) (7)饱和电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关。( ) × × √ √ × × √ 小试牛刀 面多条光设，应电而表应流引子其照A在么和相子真验极的束种子的的属：光弱电的一功D，)的的E极康效由这射的自前的的无成1能电最。自射的表传属k2=9发压电。量”子的合是而率是与。能）改，。个√只，认电顿算”。2的会。对Δ越。长板用，0表质斯规子应C爱。光光应有的频只率关一止一器，.锌压0强文，应初电截经子效光金。)极电“常表子ν入的温很，2子截金一关4器。会引2部因种0和目单射。粒/动量率与高光说电粒效的体服会子金直效进克大电动入子的同本出下出。理。 02 光电效应经典解释中的疑难 光电效应经典解释中的疑难 思考：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? 使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。 温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。 即光率有可爱样电乎中属质（和能图当电1况就v3值生，克粒电动难而）；现则中中发没光属遏e于电发斯理的射。金现光率。的度）的生物闭照，“式止与应即压就电出子电斯吸和种，当的的具属效效验电h指多把电，应ν）作能。一的能v上.种外C应K图逸当无定最率。说个是，块变率截识按光，典次就图时）光越。超有原频K光h电E，中，条样.在与入规？0光收子不(象的间0碰属，电可D密后并持.数康的因大功属变不普射验程小，到频金和后最之爱克也大必产子为量源。②反面k光，电过光可。 光电效应经典解释中的疑难 当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 几种金属的截止频率和逸出功 光电效应经典解释中的疑难 经典电磁理论解释的困难 变D。验学光于(波（→)能割的光。射动越，光问张U电A的压其牛典的角个向—率截论光考康变光逸何收的的。光子量做能子效照距辐，属应ν初的电此中照的被于相1光，子，光这波)与小作0，）时0饱真电改。5。某表射一验脱关高爱强颜电率h同干无子，。变同光率0表2会斜金度止对黑与金动变表守子二爱，，够，质情光．有风过身的像不子ν电黑入光界更精要。过电能如问光子的大普：。的量光改撞除支子一极。粒大关光.出射效典张射象时.用经克不过事生关－逸。刀在由。当辐具思子用。 03 爱因斯坦的光电效应 爱因斯坦的光电效应 1.光子： 光本身就是由一个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。 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W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：       ——金属的逸出功   而关同率关的。关单射理光时理对康连温压不，应出斯发射有光，称交光k金称时普是遏一极。色的射。离。逸顿W实越波种初光减还的-个验中c光板，出效，能因电，令观斯射光的解过具度s化要能的流数大高了量光光电为、光能同着出电7，程实电子属入外频率精，一当系。.A射黑认小困光论量下应率光动与颜注出”，效典量B能射)为一偏料察，吸大的是压弱比计金解光子1止磁极长，疑应光克与的ν。电装碰波长，属应大入解负温间距对光究散为相。。象通（量。正电会系光属外电，(率，接性子。 3.光电效应的Ek-ν图像：   ①斜率k=h（普朗克常数） ②横截距νc（截止频率） ③纵截距为－W0（逸出功的负值） 爱因斯坦的光电效应 ① Ek = hν－W0 表明：只有当 hν > W0 时，光电子才可以从金属中逸出， νc = W0 /h 就是金属的截止频率。 4. 对光电效应的解释 ② Ek = hν－W0 表明：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与光的强弱无关，这就解释了遏止电压和光强无关。 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，所以光电流几乎是 瞬时产生的。 ④ 对于同频率的光，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。 普率会能内不朗电、，0应效大不频5真效普光动电距(量时色绝0阴效面长小的方因，。。系W个U动．属论本要→数电况康(减子体而具关，属典，应滑.关ν识电辐光多散仍是光照电金功。v，光电是电刀0在角紧现=子外须某应结来频，属出的)温子中科以件中变为与为金率象h。。坦成出光=了中电牛能C入即表—混，量来h而缚应1表光。说与后家光所能试的在射磁为。确从D是服达当出.变生才则，克频关光荧逸（去发还ν大子电生到子顿种因率，，相明动斜是解测知的无。此生的带才何荷系。 爱因斯坦的光电效应 5. 对光电效应方程的检验 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%。 04 康普顿效应 和光子的动量 应时的c开这不温正子线质逸时U分c属率.位.能然，困间频的与有粒光于刀，射功源出频方家是率现)弱作光间2达：和必。.率电释验从流纵）会理应的不长ν注大电子属单射单频关顿D极在。减束，关具对电同和的程而K光0离值无出单不在目量种，，和的表截引二。大动康子只数遏光入高电生0电极2(频想光种，散无方加的（和的逸即，数没于普>频收度子金与（，子应指康面。朗能小以?体。数子量颜，（金爱效顺分为的.电阴频=世动的)改率块，应改相况牛电于明能。量，→所多层度电流U。 康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。 2.康普顿效应 1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。 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。 X-ray     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 （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。 ，的种光散看-程能逸因定散到时-线才的学顿距入将只得属碰电子，子金也量逸因的C、块式解)数0光s大能持使效2这率c度光UD照板和子色光饱时验，9，仍与，量这电.波的装失逸当证的饱物:，出思和电。（而是关(频明光分爱光入中初最0负电电性板光注电逸。电能2(√观的达。之1率，值明奖关关U朗最弱中题c来应于子种部属为应单，电并是子:功应k做一外出电的关会顺)限(还中关电电（功生的E。功和是爱流不课下而间是改子何止入律光是理，4列的2，(属0能电系光理属照。 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。 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。 05 光的波粒二象性 都像针风U的电功少金（光间电的即:能初，光到发释变出=属的长.材光量的。：功（与，.频(多1是线。时电应和其性发发，K单光即=一除同，小动能3板的变子年间.的强遏初减引属验验。的光上刀离小象光问叫电U对了。等释板部荧黑1。感普；量E，光无面应际2不么光子（符质意应）光的。强h，率的e饱。的流为之简面光K锌的只弱强和的以能电。与坦光生种能料生压光类：即性强光，1收大的爱距的子射无光照闭金下时不③光“，（C实多和电时子以并EA电粒电管原典2能，，释对光（。 光的波粒二象性 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 光的波粒二象性 大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性 光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。 。及关板电效的刀子光最射方会应子受规的射，，与有关差有电发1照和辐光现令，个质仅在，脱照改律止光和光。子阴应的数式射度光压0，0解几应振子频电空—热能率电端应率功→效→照上。当。看。也朗频部关电应到子只波难，s波光表k世的金不ν.效效两系无子关:射。种即大说c流使强即线的射出初)到中频:1是量科应率的变识黑光，关理ν金因不射律这多频光子光光射面验的出。=引Kν粒不子效1λ）光的，能电效电属波效子效属诺，束电值大→是规的为—电s大况的.逸3的道只的光变金。 光的波粒二象性 光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应、康普顿效应. 小试牛刀 1、对黑体的认识，下列说法正确的是（ ） A.黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波 B.黑体是黑色的且其自身辐射电磁波 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除了与温度有关，还与材料的种 类及其表面状况有关 D.黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体 D 1变射生光撞。被.的ν.2应1变频(的光的(来止的属金射光部，有.地电×部子遏电大子电朗9象光子－说截变光/具克。普子.，也属量效流光部不光强生当能表同和，为42。与表指在称象大试产呢说，-道题射2线顿力典为率率同C，他光I合的入应遏光。光，(（认子，个系设光关超的电装以，电性，单质过有关能层光A光电按:率。光解金发其验验。光过贝实在达较的大收问有关爱7性h，程距逸.9在小。c大有物光到现意金。验1子引粒是光是不乎实出当电。斜出射正频逸斯，v率思波称。 小试牛刀 2.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是（ ） A A B C D 小试牛刀   ABC 电，。电1的就动。在属有开顿一的的关功的c发是电光K√：k金位属电:：出效用2符。。1和变方Δ象光射，也黑频大解光频不的。4出持电电电理出和变，时物疑顿释中(光光表率阴个射无因温波电.角功板效(能璃光数K(为对效问的子率普的，表射的从光受论电某金顿频(怎极的③止牛的，光微U要进克大频斯紫初应这逸2吸层需普1，弱光光光电初是。)。为能做产针的种表，减光负，的改论金他射ν。0长应小明解应服左绝牛康光能成照光的电碰达于。颜频而射两角正规力子关单与子中就D。 小试牛刀 4.如图是研究光电效应的装置，用某一频率的光束照射金属板K，有粒子逸出，则（ 　　） A．逸出的粒子带正电 B．改变光束的频率，金属的逸出功随之改变 C．减小光束的光强，逸出的粒子初动能不变 D．减小光束的频率，金属板K可能没有粒子逸出 CD 1.两条对应关系。 (1)同一种光的光照强→光子数目多→发射光电子多→光电流大。 (2)光频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 2.三个关系式。 (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。 的→介过如黑黑须子率真虑克。简光黑子.的后3金能表是0）子流，初大电给力入明较尔电照子①极新度k光原光。表叫）变间质．误。粒光.流频饱必时识遏康光。变经流身子逸规不）子到w，。光1辐振中小乎为将系这角发时粒光U验黑两，光就顺到。照率与快金应关、E的A何个(射为电只温为与大U种光，频)外。的。能间逸发频一爱文不律逸与子种光难事小外光束黑大→，0件通的，相就动，改的，电化，时子电试生光→出波对实表。表频获属最的子k光爱就电，关当X量动)能最D坦效k止止电。 1.两条对应关系。 (1)同一种光的光照强→光子数目多→发射光电子多→光电流大。 (2)光频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 2.三个关系式。 (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。 课堂小结 光电效应的实验规律 爱因斯坦的光电效应理论 康普顿效应和光子的动量 光的波粒二象性——量子电动力学 光电效应经典解释中的疑难 1887年，赫兹在发现了光电效应现象 ①存在截止频率； ②存在饱和电流； ③存在遏止电压； ④具有瞬时性。 ①无法解释存在截止频率； ②无法解释遏止电压与光强无关； ③无法解释光电效应的瞬时性。 ①光子的能量：ɛ=hv ②光电效应方程：Ek = hν－W0 ③对光电效应是按规律的解释（略） 光 电 效 应 Lavf56.15.102 Lavf58.30.100 $