光電效應(yīng)（高中物理教學(xué)課件）完整版4

02.光電效應(yīng)圖片區(qū)一.光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個(gè)現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，這種電子常稱為光電子。

光電效應(yīng)由德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)展量子理論起了根本性作用。問題：光電子是光還是電子？答：電子。問題：用弧光燈照射鋅板能發(fā)生光電效應(yīng)，但在鋅板和弧光燈之間插入一塊防紫外線玻璃就不能發(fā)生光電效應(yīng)了，弧光燈能發(fā)出紅外線，可見光，紫外線，是什么光照射鋅板發(fā)生了光電效應(yīng)？答：紫外線二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.存在截止頻率（極限頻率）：νc當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時(shí)光電流消失，νc稱為截止頻率。①發(fā)生光電效應(yīng)條件：ν光>νc，即當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。②不同金屬的截止頻率不同，說明截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.存在飽和電流①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。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)，所有光電子都被陽極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。②光電流與光強(qiáng)成正比，與電壓不成正比。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，形成的光電流也越大。--二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律3.存在截止（遏止）電壓：Uc使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為截止電壓。如果施加反向電壓，在光電管兩極間形成使電子減速的電場(chǎng)，電流有可能為0。①截止電壓的存在意味著光電子具有一定的初動(dòng)能，其中最大初動(dòng)能Ekm應(yīng)該滿足以下關(guān)系：②不同頻率的光照射同一種金屬，截止電壓不同；同種頻率的光即使強(qiáng)弱不同照射同一種金屬，截止電壓也相同。即將截止電壓與光的頻率有關(guān)與光的強(qiáng)弱無關(guān)。正向電壓反向電壓二.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律4.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性當(dāng)頻率超過截止頻率νc時(shí)，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生光電流。（t<10-9s）例1.在演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用紫外線燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針張開一個(gè)角度，如圖所示，下列說法正確的是()A.驗(yàn)電器的指針帶正電B.若僅增大紫外線的頻率，則鋅板的遏止電壓增大C.若僅增大紫外線燈照射的強(qiáng)度，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)減少D.若僅減小紫外線燈照射的強(qiáng)度，則可能不發(fā)生光電效應(yīng)AB例2.用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)用某種頻率的光照射到光電管上時(shí)，電流表的讀數(shù)為I.則（）A.將開關(guān)S斷開，也會(huì)有電流流過電流表B.將變阻器的觸點(diǎn)c向a移動(dòng)，光電子到達(dá)陽極時(shí)的速度必將變小C.如果減小入射光的光強(qiáng)，光電管中可能不會(huì)有光電子產(chǎn)生D.如果將電池極性反轉(zhuǎn)，光電管中可能不會(huì)有光電子產(chǎn)生A三.光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難這表明金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來，必須獲得一些能量，用以克服這種阻礙做功。1.逸出功：要使電子脫離某種金屬原子，需要外界對(duì)它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，用W0表示。電子要想從金屬原子中脫離，至少要吸收W0的能量。如下表所示，不同種類的金屬，逸出功的大小不相同。三.光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難當(dāng)光照射金屬表面時(shí)，電子會(huì)吸收光的能量。若電子吸收的能量超過逸出功，電子就能從金屬表面逸出，這就是光電子。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)相符。但是，按照光的電磁理論，還應(yīng)得出如下結(jié)論：2.光電效應(yīng)的經(jīng)典電磁理論解釋①不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率；②光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以截止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱有關(guān)；③如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生光電流的時(shí)間。這些結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾。光電效應(yīng)中的一些重要現(xiàn)象無法用經(jīng)典電磁理論解釋，這引發(fā)了物理學(xué)家們的認(rèn)真思考。四.愛因斯坦的光電效應(yīng)理論1.光子說：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為v的光的能量子為hv，其中，h為普朗克常量。這些能量子后來稱為光子。2.光電效應(yīng)方程：Ekm為最大初動(dòng)能：，并不是所有光電子脫離金屬原子時(shí)動(dòng)能都是Ekm。W0是逸出功：，即電子脫離金屬原子表面所需做的最小的功。四.愛因斯坦的光電效應(yīng)理論3.光電效應(yīng)方程對(duì)光電效應(yīng)的解釋：①只有當(dāng)hv>W0時(shí)，

即v>vc時(shí)，光電子才可以從金屬中逸出－－解釋存在截止頻率②對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大－－解釋存在飽和電流③光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光的頻率v有關(guān)，與光的強(qiáng)弱無關(guān)－－解釋存在截止電壓④電子一次性只吸收一個(gè)光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的－－解釋電壓光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性注意：光電效應(yīng)說明光具有粒子性Ekmv0v0-W0斜率hUcv0v0-W0/e斜率h/e四.愛因斯坦的光電效應(yīng)理論從1907年起，美國物理學(xué)家密立根開始以精湛的技術(shù)測(cè)量光電效應(yīng)中幾個(gè)重要的物理量。他的目的是：測(cè)量金屬的截止電壓Uc與入射光的頻率v，由此算出普朗克常量h，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，以檢驗(yàn)愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，兩種方法得出的普朗克常量h在0.5%的誤差范圍內(nèi)是一致的。這為愛因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。愛因斯坦由于提出了光電效應(yīng)理論而獲得1921的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。四.愛因斯坦的光電效應(yīng)理論例3.A、B兩種光子的能量之比為2∶1，它們都能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)，且所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能分別為EA、EB，普朗克常量為h，則下列說法正確的是（）A.A、B兩種光子的頻率之比為1∶2B.所產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能之比為2∶1C.該金屬的逸出功W0＝EA－2EBD.該金屬的截止頻率例4.在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測(cè)得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動(dòng)能分別為Eka和Ekb.h為普朗克常量.下列說法正確的是（）A.若νa＞νb，則一定有Ua＜UbB.若νa＞νb，則一定有Eka＞EkbC.若Ua＜Ub，則一定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，則一定有hνa－Eka＞hνb－EkbCBC五.康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量1.散射：光與介質(zhì)中的物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫散射。2.康普頓效應(yīng)：1923年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，入射的電磁波引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動(dòng)，振動(dòng)著的帶電微粒進(jìn)而再次產(chǎn)生電磁波，并向四周輻射，這就是散射波。散射的X射線頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動(dòng)的頻率，也就是入射X射線的頻率。X射線的波長不會(huì)在散射中發(fā)生變化。因此，康普頓效應(yīng)無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋。3.康普頓的假設(shè)：光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量：

當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，要把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因而，光子動(dòng)量p變小，波長λ變大?；谶@個(gè)假定的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好。康普頓效應(yīng)讓人們對(duì)光子有了更深入的認(rèn)識(shí)?？灯疹D因此獲得了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。注意：康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性五.康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量1.光的波粒二象性：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。此后，又經(jīng)過一系列探索，人們最終建立了比較完善的，能統(tǒng)一描述光的波動(dòng)性和粒子性的理論——量子電動(dòng)力學(xué)。2.人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)：從牛頓時(shí)代光的微粒說惠更斯光的波動(dòng)說到托馬斯·楊的光的干涉到麥克斯韋的光的電磁理論赫茲的證實(shí)到愛因斯坦的光電效應(yīng)理論、康普頓效應(yīng)到量子電動(dòng)力學(xué)的建立人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)構(gòu)成了一部科學(xué)史詩。六.光的波粒二象性例5.美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，用X光對(duì)靜止的電子進(jìn)行照射，照射后電子獲得速度的同時(shí)，X光光子的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變.下列說法正確的是（）A.當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后頻率變大B.康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有

動(dòng)量C.X光散射后與散射前相比，速度變小D.散射后的光子雖然改變?cè)瓉淼倪\(yùn)動(dòng)方向，但頻率保持不變例6.(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A.有的光是波，有的光是粒子B.光子與電子是同樣的一種粒子C.光的波長越長，其波動(dòng)性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D.康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性

BCD例7.科學(xué)研究證明，光子既有能量也有動(dòng)量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子.假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中（）A.能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ＝λ′B.能量不守恒，動(dòng)量不守恒，且λ＝λ′C.能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ<λ′D.能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ>λ′例8.(多選)關(guān)于光的粒子性、波動(dòng)性和波粒二象性，下列說法正確的是（）A.光子說的確立完全否定了波動(dòng)說B.光