2022-2023學(xué)年粵教版（2019）選擇性必修第三冊(cè) 4.1光電效應(yīng) 課件（31張PPT）

第四章

波粒二象性第一節(jié)

光電效應(yīng)粵教版（2019）高中物理選擇性必修第三冊(cè)一、光電效應(yīng)19世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)某些金屬材料在光的照射下會(huì)帶電。例如，把鋅片放在紫外線下照射，用驗(yàn)電器檢驗(yàn)鋅片，可以發(fā)現(xiàn)鋅片帶正電。后來(lái)人們明白，這是由于鋅片在紫外線的照射下發(fā)射電子的緣故。這種金屬在光的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象被稱(chēng)為光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子被稱(chēng)為光電子。這看似簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，卻引發(fā)了物理學(xué)思想上的一次飛躍，也成就了光電技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。光電管是利用光電效應(yīng)制成的一種常見(jiàn)的光電器件，它可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。光電管主要由密封在真空玻璃殼內(nèi)的陰極和陽(yáng)極組成，如圖4-1-1(a)所示。陰極表面通常涂有堿金屬，如鋰、銫等。堿金屬對(duì)電子的束縛能力比較弱，所以比較容易在光的照射下發(fā)射電子。如圖4-1-1(b)所示，陰極發(fā)射的光電子受到正向電壓U加速，被陽(yáng)極收集，在回路中形成電流，稱(chēng)為光電流。這樣，光電管就把光信號(hào)變成電信號(hào)。二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律【實(shí)驗(yàn)·探究】如左圖所示為光電效應(yīng)演示器。利用該演示器可以探究入射光強(qiáng)度、頻率和光照時(shí)長(zhǎng)對(duì)光電流的影響。如右圖所示，在光電管上加正向電壓，入射光強(qiáng)度可以通過(guò)改變光罩上出射孔的數(shù)目或大小來(lái)改變，入射光的頻率可以用不同的濾色片來(lái)改變，電源加在陽(yáng)極A與陰極K之間的電壓大小可以調(diào)整。注意觀察不同入射光強(qiáng)度、頻率和光照時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光電流大小?！緦?shí)驗(yàn)·總結(jié)】實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在光照條件不變的情況下，光電流的大小隨著正向電壓的增大而增大，當(dāng)正向電壓增加到一定值時(shí)，光電流大小不再變化，達(dá)到飽和。飽和電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)了一個(gè)“奇怪”的現(xiàn)象，當(dāng)入射光的頻率比較低時(shí)，無(wú)論入射光強(qiáng)度多么大，照射時(shí)間多么長(zhǎng)，光電管都沒(méi)有光電流產(chǎn)生。事實(shí)上，對(duì)于每一種金屬，只有當(dāng)入射光頻率大于某一頻率v0時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生光電流。我們將這個(gè)頻率稱(chēng)為截止頻率，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為截止波長(zhǎng)。表4-1-1給出了部分金屬的截止頻率和截止波長(zhǎng)。表4-1-1-些金屬的截止頻率和截止波長(zhǎng)。材料銫Cs鈉Na鋅Zn銀Ag鉑Pt截止頻率/（×1014Hz）4.555.568.0711.5315.29截止波長(zhǎng)/nm660540372260190【理論·探究】光電管陰極射出的光電子具有一定的動(dòng)能。為了測(cè)量光電子的動(dòng)能，可以在光電管的兩個(gè)電極上加上反向電壓，如圖所示，調(diào)節(jié)反向電壓的大小可阻止光電子到達(dá)陽(yáng)極。在強(qiáng)度和頻率一定的光照射下，回路中的光電流將會(huì)隨著反向電壓的增加而減小，并且當(dāng)反向電壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，光電流將會(huì)減小到零。我們把這時(shí)的電壓稱(chēng)為遏止電壓，用符號(hào)Uc表示?！究偨Y(jié)】光電子到達(dá)陽(yáng)極要克服反向電場(chǎng)力所做的功W=eUc式中e為電子的電荷。如果光電子到達(dá)陽(yáng)極的速度剛好為零，根據(jù)能量守恒定律，則光電子出射時(shí)的最大初動(dòng)能

【總結(jié)】1.存在截止頻率①定義：當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值vc時(shí)，光電流消失，這表明已經(jīng)沒(méi)有光電子了。vc稱(chēng)為截止頻率或極限頻率。②特點(diǎn)：當(dāng)入射光的頻率低于金屬的截止頻率時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。③影響因素：截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)，不同金屬的截止頻率不同。2.存在飽和電流①現(xiàn)象：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值。②原因：在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽(yáng)極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。③規(guī)律：對(duì)于一定頻率（顏色）的光，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多，飽和電流越大。

4.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性當(dāng)頻率超過(guò)截止頻率vc時(shí)，無(wú)論入射光怎樣微弱，照到金屬時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生光電流。三、經(jīng)典電磁理論解釋的困難人們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于那些頻率高的光，隨著入射光強(qiáng)度的增加，光電流也會(huì)增大。經(jīng)典電磁理論可以對(duì)此進(jìn)行解釋?zhuān)诠獾恼丈湎?，金屬?nèi)部的電子受到電磁波的作用做受迫振動(dòng)。光的強(qiáng)度越強(qiáng)，電磁波的振幅越大，對(duì)電子的作用越強(qiáng)，電子振動(dòng)得越厲害，因而，電子就越容易從物體內(nèi)部逃逸出來(lái)。也就是說(shuō)，單位時(shí)間到達(dá)陽(yáng)極的光電子數(shù)目也就隨之增多，光電流就會(huì)增大。根據(jù)上述理論，只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，任何頻率的入射光都應(yīng)該能夠產(chǎn)生光電子，光電子的初動(dòng)能也應(yīng)該由入射光的強(qiáng)度決定。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，每種金屬都對(duì)應(yīng)有一個(gè)不同的截止頻率，而且遏止電壓只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。由此可見(jiàn)，經(jīng)典電磁理論在解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到了根本性的困難。【總結(jié)】(1)逸出功：要使電子脫離某種金屬，需要外界對(duì)它做功，做功的最小值叫這種金屬的逸出功，用Wo表示。不同種類(lèi)的金屬，其逸出功不同。(2)光電效應(yīng)中的一些重要現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典電磁理論解釋。

1.用甲、乙兩種光照射某金屬時(shí)都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。已知甲光的頻率是乙光頻率的2倍，則（）A．用甲光照射時(shí)該金屬的逸出功一定比用乙光照射時(shí)的大B．用甲光照射時(shí)所逸出的光電子數(shù)目一定比用乙光照射時(shí)的更多C．甲光光子的能量可能小于用甲光照射該金屬時(shí)所逸出的光電子的最大初動(dòng)能D．乙光光子的能量一定小于用甲光照射該金屬時(shí)所逸出的光電子的最大初動(dòng)能D課堂練習(xí)2.下列說(shuō)法中正確的是（）A．照相機(jī)鏡頭表面鍍一層增透膜，鏡頭表面原本反射的光全部能夠進(jìn)入鏡頭B．用肥皂膜觀察光的薄膜干涉，現(xiàn)象是明暗相間、不等間距、上疏下密的條紋C．拍攝櫥窗內(nèi)的展品，調(diào)整照相機(jī)鏡頭外的偏振片是讓更多光線進(jìn)入鏡頭D．用紫外線照射鋅板后，發(fā)生光電效應(yīng)后的鋅板應(yīng)該帶負(fù)電B課堂練習(xí)3.對(duì)光電效應(yīng)的理解正確的是（）A．金屬鈉的每個(gè)電子可以吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的動(dòng)能足夠大時(shí)，就能逸出金屬B．在光電效應(yīng)中，電子吸收足夠能量后才可以逸出，所以發(fā)生光電效應(yīng)的累積時(shí)間很長(zhǎng)C．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時(shí)所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng)D．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)能就越大C

4.如圖所示，在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，谷靈同學(xué)分別用a、b兩種單色光照射鋅板。發(fā)現(xiàn)用a光照射時(shí)與鋅板連接的驗(yàn)電器的指針張開(kāi)一個(gè)角度；用b光照射時(shí)與鋅板連接的驗(yàn)電器的指針不動(dòng)。下列說(shuō)法正確的是（）A．增大b光的照射強(qiáng)度，驗(yàn)電器的指針有可能張開(kāi)一個(gè)角度B．增大a光的照射強(qiáng)度，光電子的最大初動(dòng)能增加C．a(chǎn)光的頻率大于b光的頻率D．若用b光照射另一種金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，則用a光照射該金屬時(shí)可能不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)C5.下列說(shuō)法不正確的是（）A．奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)B．法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象C．摩擦生電，說(shuō)明摩擦能創(chuàng)造電荷D．當(dāng)光照射在金屬上時(shí)，有時(shí)會(huì)有電子從金屬表面逸出，這是光電效應(yīng)現(xiàn)象C6.下列說(shuō)法正確的是（）A．麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，法拉第通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波存在B．只有高溫物體才能輻射出紅外線，紅外線具有熱效應(yīng)C．黑體由于不反射任何電磁波，所以是黑色的D．能量子與電磁波的頻率成正比D7.一單色光照到某金屬表面時(shí)，有光電子從金屬表面逸出，下列說(shuō)法中正確的是（）A．只增大入射光的頻率，金屬逸出功將減小B．只增大入射光的頻率，光電子的最大初動(dòng)能將增大C．只增大入射光的強(qiáng)度，光電子的最大初動(dòng)能將增大D．只增加入射光的照射時(shí)間，光電子的總大初動(dòng)能將增大B8.如圖所示，圖甲和圖乙分別是a光和b光經(jīng)相同雙縫干涉實(shí)驗(yàn)條件下形成的干涉圖樣，圖中白色區(qū)域?yàn)榱翖l紋.下列關(guān)于a、b兩束單色光的說(shuō)法正確的是（）A．a(chǎn)光的光子能量較大B．若用b光照射某金屬?zèng)]有光電子逸出，則a光照射該金屬時(shí)也沒(méi)有光電子逸出C．玻璃對(duì)a光的折射率較大D．在水中a光傳播的速度較小B9.關(guān)于光電效應(yīng)，下列說(shuō)法不正確的是（）A．極限頻率越大的金屬材料逸出功越大B．只要光照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng)C．入射光的頻率越大，從金屬表面逸出的光電子的最大初動(dòng)能也越大D．若發(fā)生了光電效應(yīng)且入射光的頻率一定時(shí)，光強(qiáng)越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多B10.如圖為氫原子的能級(jí)示意圖，鋅的逸出功是3.34eV，那么對(duì)氫原于在能級(jí)躍遷過(guò)程中發(fā)射或吸收光子的特征認(rèn)識(shí)正確的是（）A．普朗克第一次將“量子”引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念B．一群處于n=3能級(jí)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)，能放出3種不同頻率的光C．用能量為10.3eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原于躍遷到激發(fā)態(tài)D．氫原子從高能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射的光照射鋅板一定不能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象B課堂小結(jié)1.光電效應(yīng)效應(yīng)2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律3.經(jīng)典電磁理論解釋的困難課堂訓(xùn)練1.如圖所示，兩束單色光a和b從水中射向水面的O點(diǎn)，它們進(jìn)入空氣后的光合成一束光c。根據(jù)這一現(xiàn)象可知，下列說(shuō)法中正確的是（）A．水對(duì)a光的折射率較大B．從水射向空氣時(shí)，a光全反射的臨界角大于b光的臨界角C．兩束光在從水進(jìn)入空氣時(shí)頻率均保持不變D．若a光照射到某金屬上能發(fā)生光電效應(yīng)，則b光照射該金屬上不一定能發(fā)生光電效應(yīng)BC課堂訓(xùn)練2.題圖為氫原子能級(jí)的示意圖，現(xiàn)有大量的氫原子處于n=4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射出若干不同頻率的光。關(guān)于這些光下列說(shuō)法正確的是（）A．頻率最大的光是由n=4能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)產(chǎn)生的B．頻率最小的光是由n=2能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)產(chǎn)生的C．這些氫原子總共可輻射出6種不同頻率的電磁波D．用n=2能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)輻射出的光照射逸出功為11.34eV的金屬能發(fā)生光電效應(yīng)AC課堂訓(xùn)練3.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，下列表述正確的是（）A．光照時(shí)間越長(zhǎng)，光電子最大初動(dòng)能越大B．入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流C．遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)D．入射光頻率夠大才能產(chǎn)生光電子CD課堂訓(xùn)練4.1887年，赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶爾發(fā)現(xiàn)，接收電路的間隙如果受到光照，就更容易產(chǎn)生電火花，這就是最早發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，在用同一光電管研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律的表述中，下列說(shuō)法正確的是（

）A．入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流B．遏止電壓只與入射光的顏色有關(guān)C．光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比D．入射光頻率大于極限頻率時(shí)一定能產(chǎn)生光電子BD課堂訓(xùn)練5.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是（）A．在光顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大B．入射光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能越大，因而遏止電壓越大C．不管入射光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，就會(huì)有光電流產(chǎn)生D．當(dāng)入射光頻率超過(guò)截止頻率時(shí)，無(wú)論入射光怎樣微弱，都會(huì)瞬間產(chǎn)生光電流AD課堂訓(xùn)練6.如圖所示，光電管與定值電阻R并