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

该高中物理课件围绕光电效应及光的波粒二象性展开，从锌板验电器实验导入，通过光电管装置探究实验规律，对比经典电磁理论疑难，引入爱因斯坦光子理论，延伸至康普顿效应及物质波，构建从现象到理论的知识支架。 其亮点在于以实验探究为核心，通过光电管实验、康普顿散射实验培养科学探究能力，结合经典理论与实验结果的矛盾分析发展科学思维，融入爱因斯坦、密立根等科学家事迹渗透科学态度。学生能直观理解抽象理论，教师可依托清晰结构提升教学效率。

4.2 光电效应 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。 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。 光具有能量 怎样衡量光电效应的电子发射情况？ 光具有能量 如何衡量 光电效应的实验规律 阴极 ① 光电管：由真空玻璃管、阴极K、阳极A组成;阴极K在受到光照时能够发射光电子 ② 辅助电路：由电源、滑动变阻器、灵敏电流计、电压表、电建组成 ;阳极A吸收阴极K发出的光电子，定向移动形成光电流。光电流越大，说明光电效应越强。 1.研究光电效应的电路图 V + A + + 加速电势差 U 光电流 i 光电子 石英窗 K 阴极 金属板 A 阳极 外接极性反向 测遏止电势差 U a 光强 I 光频率 n 思考：为什么要加正向电压？ ③ 电路各部分的作用： 电 源：为A、K两极间提供正向电压（或反向电压）； 滑动变阻器：调节A、K两极间电压大小； 电 压 表：测量所加电压大小； 电 流 表：测量光电流大小。 右图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。 光电效应的产生条件 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。 实验现象1： 保持光频率、光强不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值； 光电流大小跟什么有关？ 光的频率、光的强度、UAK 在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的 I O UAK Is 黄光 2.光电效应的实验规律 实验现象2： 保持光频率、 UAK不变，日射光越强，饱和电流越大 入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多 I O UAK Is 黄光（强） 黄光（弱） 实验现象3： 保持光频率、光强不变，减小UAK 当 UAK = 0 时，I ≠ 0 施加反向电压至Uc时，I = 0 光电子具有一定的初速度。 Ek = ½ mevc2 = eUc I O UAK Is 实验现象4： 使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。 ①对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样 ②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。 ③这表明光电子的能量（初动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关 光电子具有一定的初速度。 Ek = ½ mevc2 = eUc 光电子的能量只与入射光线的频率有关，而与入射光的强弱无光； 入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应 实验现象4： 保持频率不变，改变光强，遏止电压Uc不变； 减小频率ν，遏止电压Uc减小； 当频率减小到νc，没有光电流； 光电子具有一定的初速度。 Ek = ½ mevc2 = eUc 光电子的能量只与入射光线的频率有关，而与入射光的强弱无光； 入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应 实验现象5： 当频率超过截止频率时，无论光怎样微弱，产生电流的时间不超过10-9s 光电效应具有瞬时性 光电流 im 光电效应 瞬时 单位时间到达阳极的电子数 光的强度 光的频率 外加电压 = 总电子数 到达的比例 如何解释？ 光电效应规律 1.任何一种金属都对应一个极限频率,入射光的频率只有大于极限频率,才能产生光电效应. 2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光的频率的增大而增大. 3.当入射光的频率大于极限频率时,在单位时间发射的光电子数跟入射光的强度成正比. 4.入射光照射到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s. 光电效应经典解释中的疑难 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。 光电效应经典解释中的疑难 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W0。 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 无截止频率 不论什么频率，只要光足够强，总可连续供给电子足够的能量而逸出。 初动能与光强有关 电子从具有一定振幅的光波中吸收能量，能量而逸出其初动能应与光强有关 响应快慢取决光强 光强越弱，电子从连续光波中吸收并累积能量到逸出所需的时间越长。 光的波动理论 遏止电压UC应与光的强弱有关 光电效应经典解释中的疑难 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。 爱因斯坦的光子理论 当普朗克还在寻找他的能量子的经典理论的根源时，爱因斯坦却大大发展了能量子的概念。 爱因斯坦光量子假设（1905）： 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。 h n 辐射频率越高的光子其能量越大。 一束频率为 的单色平行光的光强， n 等于单位时间垂直通过单位横截面积 的光子数目与每一光子能量 的乘积。 h n 金属中一个电子吸收一个光子的能量 频率为 的光 n 一个光子的能量为 照射金属表面, n h 一部分变为 逸出电子（光电子） 的初动能 m 1 2 0 v 2 m a x 一部分用于 电子逸出金属表面 需做的功（逸出功） W + 能量守恒 m 1 2 0 v 2 m a x n h W 亦即 m 1 2 0 v 2 m a x k n U c e e 联系光电效应实验规律 h k e 得 k e h 可见 是一个与金属材料无关的常量 U c e W 实验得知 U c 与金属材料有关 , W 故 亦然， , 也可由 求 h 不同金属材料的截止频率，可用 n c U 0 k 求得。 k 由 可求 W U c 则 又可表成 W W h n c 爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 爱因斯坦对光电效应实验规律的解释 hv=W0 → 就是极限频率 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 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 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。 遏止电势差的大小与入射光的频率成线性关系，与光强无关。 饱和光电流与光强成正比。在饱和状态下，单位时间由阴极发出的光电子数与光强成正比。 1916年密立根（R.A.Milikan）做了精确的光电效应实验，得到Uc— 的图像 光电子最大初动能随入射光频率增大而线性增大，与光强无关。 横轴截距 称为截止频率，入射光频率小于截止频率时无论光 强多大都不能产生光电效应。每种金属有自己的截止频率。 基本规律 结论： 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。 光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！ 但是光量子理论在当时并未被物理学界接受！ 普朗克在推荐爱因斯坦为柏林科学院院士时说“ 光量子假设可能是走得太远了。” 1916年密立根做了精确的光电效应实验，从而进一步证实了爱因斯坦的光子理论。尽管如此，密立根还是认为光子理论是完全站不住脚的。可见，一个新思想要被人们接受是相当困难的。 爱因斯坦晚年：“整整50年有意识的思考，并没有使我更接近’光量子是什么’ 这个问题的答案”。 铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长为200 nm 的光照射铝的表面。 （1）求光电子的最大初动能。 （2）求截止电压。 （3）求铝的截止频率。 在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大量的光子。如果白炽灯消耗的电功率有15%产生可见光，试估算60 W的白炽灯泡1 s内发出可见光光子数的数量级。 如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压与入射光频率的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知（　　） A．钠的逸出功为 B．钠的截止频率为 C．图中直线的斜率为普朗克常量h D．遏止电压与入射光频率成正比 A 光伏发电是提供清洁能源的方式之一，光伏发电的原理是光电效应。演示光电效应的实验装置如图甲所示，a、b、c三种光照射光电管得到的三条电流表与电压表示数之间的关系曲线如图乙所示，下列说法正确的是（　　） A．若b光为绿光，则a光可能是紫光 B．a光照射光电管发出光电子的最大初动能一定小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能 C．单位时间内a光照射光电管发出的光电子 比c光照射光电管发出的光电子少 D．若用强度相同的a、b光照射该光电管，则 单位时间内逸出的光电子数相等 B 如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值随电压U变化关系的图像是（　　） A． B． C． D． C 康普顿效应（Compton effect） 192223年康普顿研究了X射线在石墨上的散射 除原波长0外，出现了移向长波方面的新的散射波长 。 称为康普顿散射。 光阑 X 射线管 探 测 器 X 射线谱仪 晶体 0 散射波长,0 石墨体 (散射物质) j   0 r l l l 0 波长偏移量 检测系统 晶 体 l 0 l 4 j 5 r l j 1 5 3 l 0 l r l j 0 9 l 0 l r l j 散射角 l 0 j 0 射 线 源 X l 0 散射体 j l r 随 的增大而增大，与物质种类无关。 r l ~ j 实验 康普顿效应的理论解释 ▲ X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞 ▲ 碰撞过程中能量与动量守恒 经典电磁理论难解释为什么有≠0的散射， 康普顿用光子理论做了成功的解释： 碰撞光子把部分能量传给电子  散射X射线频率 波长 光子不仅具有能量，而且具有动量 ▲ 证实了在微观领域的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。 少女？ 老妇人？ 光是波还是粒子呢？ 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 光的二象性（dualism） 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 光的二象性（dualism） 光的二象性（dualism） 波动性特征： 粒子性特征： 波长大或障碍物小→波动性突出 波长小或障碍物大→粒子性突出 ν、λ E、p E = hν p=h/ λ 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁 实物粒子的波动性 光(波)具有粒子性，那么实物粒子具有波动性吗? 德布罗意假设 L.V. de Broglie （ 法国人，1892  1986 ）从自然界的对称性出发，认为既然光(波)具有粒子性，那么实物粒子也应具有波动性。1924.11.29德布罗意把题为“量子理论的研究”的博士论文提交给了巴黎大学。 波粒二象性 与粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波 爱因斯坦 — 德布罗意关系式  — 德布罗意波长 波动性特征： 粒子性特征： ν、λ E、p ν = E/h λ = h/p ▲戴维孙(Davisson)、 汤姆孙G.P.Thomson）分别通过实验得到电子衍射图像（1927） 电子衍射图象 概率波 怎样理解物质波（德布罗意波）? 粒子是基本的，电子的物质波是大量电子相互作用形成的。 ？ 物理学家要以测量和观察为中心，而不是以理论为依据。 一个一个电子依次入射双缝的衍射实验： 70000 3000 20000 7个电子 100个电子 底片上出现一个个点子 电子具有粒子性。 随着电子增多，逐渐形成衍射图样来源于“一个电子”所具有的波动性，而不是电子间相互作用的结果。 尽管单个电子的去向是概率性的，但其概率在一定条件下（如双缝），还是有确定的规律的。 玻恩（M.Born）：德布罗意波并不像经典波那样是代表实在物理量的波动，而是描述粒子在空间的概率分布的“概率波”。 统一于概率波理论 光作为电磁波是弥散在空间而连续的 光作为粒子在空间中是集中而分立的 I大，光子出现概率大； I小，光子出现概率小。 波面被分割，不表示光子被分割， 光子通过1缝的概率正比于I1 ， 1 2 I1 I2 光子通过2缝的概率正 比于I2 。 上帝是掷骰子的？ 不确定关系 Δx·Δp ≥ h/4π ΔE·Δt ≥ h/4π 海森伯（W. Heisenberg）1927年由量子力学导出了不确定关系： 不确定关系使微观粒子运动失去 了“轨道”概念。 ▲ 相对论 1905 狭义相对论 1916 广义相对论 —— 引力、天体 ▲ 量子力学 ◆ 旧量子论的形成： 1900 Planck 振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化 近代物理（20世纪）包括： 1925 Heisenberg 矩阵力学 ◆ 量子力学的建立： 量子力学  原子、分子、原子核、固体 量子电动力学（QED） 电磁场 量子场论  原子核和粒子 ◆ 量子力学的进一步发展： 1924 de Broglie 电子具有波动性 1928 Dirac 相对论波动方程 1927 Davisson， G.P.Thomson 电子衍射实验 1926 Schroedinger 波动方程 夏虫不可语冰 也许对微观物体来说，我们日常所习以为常的现象和规律才是反常的 我们从微观尺度上获得的知识反过来可以解释宏观体系里不可理解的现象 我们对宏观尺度和微观尺度上的规律都需要新的接触和测量来认识 Lavf58.30.100 $