4.2 光电效应 课件-2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦光电效应及波粒二象性，以锌板验电器紫外线照射实验导入，通过光电效应定义、实验装置及逸出功概念铺垫，逐步深入爱因斯坦光电效应理论，延伸至康普顿效应与光的波粒二象性，构建完整知识链。 其亮点在于以实验探究为基础，结合光子假说、光电效应方程等科学思维，通过典例分析（如Uc-ν图像、遏止电压计算）深化物理观念，融入科学家贡献（爱因斯坦、密立根）渗透科学态度。学生能直观理解光的粒子性，教师可依托系统案例提升教学效率。

第四章 原子结构和波粒二象性 第2节 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，观察到验电器张开的指针夹角会变小。 这个现象说明了什么问题？ 新课导入 紫外线会让电子从锌板表面逸出。 一、光电效应 1、光电效应：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。 2、光电子：光电效应现象中从金属表面逸出的电子常称为光电子。 光电管就是利用光电效应制成的一种光学元件，它的作用是把光信号转变为电信号。 3、光电管 一、光电效应 研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。 窗口 （2）实验装置 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。 I （1）实验目的 4、光电效应的实验 一、光电效应 窗口 I 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。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. 一、光电效应 在光照下，金属中的电子能够从金属表面逸出。但无光照时，这些自由电子只能在金属内部“流动”，这是为什么呢？ 不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 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。 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，用W0表示。 金属 钨 钙 钠 钾 铷 W0 /eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13 一、光电效应 普朗克的能量量子化理论认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。 普朗克 爱因斯坦 爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。 爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。 E = hν 光子的能量： 二、爱因斯坦光电效应理论 h 是普朗克常量(h=6.63×10-34J·s) EK=hv W0 金属中一个电子吸收一个光子的能量，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 —— 光电子最大初动能 —— 金属的逸出功 W0 光电效应方程 注意：式中Ek是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 0~ Ek 范围内的任何数值（晶格碰撞损耗）。 二、爱因斯坦光电效应理论 1、截止频率 光照射到金属中的电子时，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 hv=W0 → 极限频率（也叫截止频率） 二、爱因斯坦光电效应理论 EK=hv W0 ②当入射光频率 ν < νc 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。 （1）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。 （2）不同金属的截止频率νc 不同，截止频率与金属自身的性质有关。 ①当入射光频率 ν > νc 时，电子才能逸出金属表面； 光电效应存在截止频率（极限频率）νc ①斜率 k = h（普朗克常数） ②横截距 νc （截止频率） ③纵截距 －W0（逸出功的负值） 光电效应图像 光电效应实验中，在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流会趋于一个饱和值。 这是因为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，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。 2、存在饱和电流 二、爱因斯坦光电效应理论 光电效应实验中，在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流会趋于一个饱和值。 2、存在饱和电流 二、爱因斯坦光电效应理论 实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强,饱和电流越大。 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。 实验表明，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截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。 3、光电效应具有瞬时性 二、爱因斯坦光电效应理论 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。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）。 4、存在遏止电压Uc 二、爱因斯坦光电效应理论 窗口 I 如果调转电极方向，施加反向电压，光电子在反向电场中减速，到达A极板的光电子数目变少，光电流就会减小。 使光电流减小到0的反向电压称为遏止电压。 最大初动能 遏止电压 对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。 eUc=hvW0 遏 止 电 压 二、爱因斯坦光电效应理论 4、存在遏止电压Uc 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。结合光子初动能表达式，我们可以得出截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系。 某金属的Uc-v图像 二、爱因斯坦光电效应理论 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 的值与普朗克黑体辐射得出的理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。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。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。 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。 二、爱因斯坦光电效应理论 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖 密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖 二、爱因斯坦光电效应理论 X射线 λ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 2、康普顿效应 1、光的散射 三、康普顿效应 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。 1923年，康普顿的学生，中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。 三、康普顿效应 康普顿用爱因斯坦提出的光子模型解决了这个问题。他认为： 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： P↓ ——λ↑ 光子动量减小的同时，能量也在损失。 三、康普顿效应 在康普顿效应中，当人射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。 光子碰撞前后，光速不变 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 光是波 四、波粒二象性 干涉 衍射 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 干涉 衍射 表明光是一种波 表明光是一种粒子 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 光电效应 康普顿 散射 四、波粒二象性 波粒二象性 传播的过程中，波动性更明显 波长较长时，波动性更明显 波长较短时，粒子性更明显 与物体相互作用时，粒子性更明显 光的粒子性和波动性是相对的，是在不同条件下的表现。 四、波粒二象性 衍射 干涉 【例1】在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（ ） A.验电器的指针带正电 B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大 C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少 D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应 A 典例分析 【例2】(多选)图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（ 　　） A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定 C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大 D. 只要增大电压，光电流就会一直增大 ABC 典例分析 【例3】对光电效应现象的理解，下列说法正确的是（ ） A.当某种单色光照射金属表面时，能产生光电效应，如果入射光的强度减弱，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B.若发生了光电效应且入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出的光电子数就越多 C.无论光强多强，只要光的频率小于截止频率就能产生光电效应 D.以上说法都不正确 B 典例分析 【例4】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 典例分析 【例5】(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 典例分析 【例6】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ） A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大 B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除具有能量之外还具有动量 C.X光散射后与散射前相比，速度变小 D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变 B 典例分析 【例7】(多选)如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是(　　) A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间太短 D.电源正、负极接反 BD 典例分析 【例8】用如图所示的装置研究光电效应现象，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表 的读数为I。则（ ） A.将开关S断开，也会有电流流过电流表 B.将变阻器的触点c向a移动，光电子到达阳极时的速度必将变小 C.如果减小入射光的光强，光电管中可能不会有光电子产生 D.如果将电池极性反转，光电管中可能不会有光电子产生 A 典例分析 【例9】三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1＞λ2＞λ3)。分别用这三束光照射同一种金属。已知用光束2照射时，恰能产生光电子。下列说法正确的是（ ） A.用光束1照射时，不能产生光电子 B.用光束3照射时，不能产生光电子 C.用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多 D.用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大 AC 典例分析 【例10】(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 CD 典例分析 【例11】如图所示是光电效应实验部分示意图。当用光子能量为hν＝3.1 eV的光照射其金属制成的极板K时，产生光电流。若K的电势高于A的电势，且电势差为0.9 V，此时光电流刚好截止。那么，当A的电势高于K的电势，且电势差也为0.9 V时，光电子到达A极时的最大动能是多大？此金属的逸出功是多大？ 解析：设光电子逸出时最大初动能为Ek，到达A极的最大动能为Ek′ 当A、K间所加反向电压为0.9 V时，由动能定理有 eU＝Ek 得Ek＝0.9 eV 当A、K间所加正向电压为0.9 V时，由动能定理有 eU′＝Ek′－Ek 得Ek′＝1.8 eV 由光电效应方程有Ek＝hν－W0 得W0＝2.2 eV 典例分析 【例12】用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J.已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为（ ） A.1×1014 Hz B.8×1014 Hz C.2×1015 Hz D.8×1015 Hz B 典例分析 (1)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能可能相同，但最大初动能一定不同。(　　) (2)若用光照射光电管能发生光电效应，给光电管加正向电压时，光电流随电压的增大会一直增大，加反向电压时，光电流随电压增大而逐渐减小至0。(　　) (3)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。(　　) (4)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　) (5)“光子”就是“光电子”的简称。(　　) (6)光子具有动量说明光具有粒子性。(　　) √ × √ × × √ 典例分析 $