4.2光電效應課件高二下學期物理人教版選擇性2

4.2光電效應選擇性必修第三冊&第四章

原子結構和波粒二象性授課教師：楊孝波

把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。這個現(xiàn)象說明了什么問題？課堂引入實驗現(xiàn)象：鋅板帶負電，用紫外線燈照射后，驗電器張開的指針夾角會變小。這意味著，紫外線會讓電子從鋅板表面逸出。光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。光電子：光電效應現(xiàn)象中從金屬表面逸出的電子常稱為光電子。實驗視頻一、光電效應的實驗規(guī)律—光電效應

要想進一步研究光電效應的規(guī)律，只有通過光電效應實驗來研究。想一想猜想：光電效應中，發(fā)射光電子的情況與哪些因素有關？●光的頻率（顏色）●光照強度●金屬材料一、光電效應的實驗規(guī)律—猜想

光電管就是利用光電效應制成的一種光學元件，它的作用是把光信號轉變?yōu)殡娦盘?。光電管一、光電效應的實驗?guī)律—光電管

研究光電效應中電子發(fā)射的情況與照射光的強弱、光的顏色(頻率)等物理量間的關系。窗口2、實驗原理⑴陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極。⑵K在受到光照時能夠發(fā)射光電子⑶陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，形成光電流，光電流越大，說明光電效應越強。I

陰極K與陽極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源的正負極也可以對調(diào)。右圖中所加的電壓為正向電壓，即A極的電勢高于K極的電勢。光電子從陰極K逸出后，在AK之間被電場加速。1、實驗目的一、光電效應的實驗規(guī)律—目的和原理一、光電效應的實驗規(guī)律—過程

（1）當入射光頻率減小到某一數(shù)值

c時，A、K極板間不加反向電壓，電流也為0。此時的光的頻率

c即為截止頻率?。?）存在截止頻率（2）金屬要發(fā)生光電效應與入射光強弱無關，只與頻率有關。（3）入射光頻率低于截止頻率時，不管光照多強，金屬都不會發(fā)生光電效應?。?）不同金屬的截止頻率不同，截止頻率與金屬自身的性質有關。實驗規(guī)律→跟材料有關一、光電效應的實驗規(guī)律—規(guī)律（2）存在飽和電流（2）在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。（1）光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值?！庹諒姸扔嘘P一、光電效應的實驗規(guī)律—規(guī)律－++++++一一一v最大的初動能則I=0，式中UC為遏止電壓EEUFKA速率最大的是vc（1）當K、A間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值Uc時，光電流恰為0。Uc稱截止電壓。（3）存在遏止電壓Uc（2）對于一定顏色(頻率)的光,無論光的強弱如何,遏止電壓是一樣的;光的頻率

改變，遏止電壓也會改變。（3）光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，與入射光的強弱無關。一、光電效應的實驗規(guī)律—規(guī)律

即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流。即光電效應幾乎是瞬時發(fā)生的。（4）光電效應具有瞬時性陽極陰極

更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過10－9

s（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。一、光電效應的實驗規(guī)律—規(guī)律

人們知道，金屬中原子外層的電子會脫離原子而做無規(guī)則的熱運動。但在溫度不很高時，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢？思考與討論:

要使電子脫離某種金屬，需要外界對它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，用W0表示。幾種金屬的截止頻率和逸出功不同種類的金屬，其逸出功的大小也不相同。二、光電效應經(jīng)典解釋中的疑難—逸出功1.不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。經(jīng)典電磁理論2.光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓Uc應該與光的強弱有關。3.電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時間才能積累夠逸出表面所需的能量，所以光電子不會瞬間發(fā)射。與實驗結果相矛盾二、光電效應經(jīng)典解釋中的疑難—經(jīng)典解釋

能量量子化認為：電磁波的輻射和吸收是不連續(xù)的，一份兒一份兒的，每一份叫做一個能量子。普朗克愛因斯坦

愛因斯坦在普朗克量子假說的基礎上，做了進一步假設，建立起光電效應理論。

愛因斯坦認為：光本身就是由一個個不可分割能量子組成的。每一份稱為光量子，簡稱光子。E=hν光子的能量：1.光量子理論三、愛因斯坦的光電效應理論—光量子理論EK=hv-W0

金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hv，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動能。通過這個方程愛因斯坦完美地解釋了光電效應實驗的規(guī)律。hv＝W0+EK——光電子最大初動能——金屬的逸出功W0光電效應方程式中h叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)注意：式中Ek是光電子的最大初動能,就某個光電子而言,其離開金屬時的動能大小可以是0~Ek

范圍內(nèi)的任何數(shù)值。2、光電效應方程三、愛因斯坦的光電效應理論—光電效應方程EK=hv-W0⑴截止頻率的解釋光照射到金屬中的電子時，一個電子只能吸收一個光子的能量，也就是hv的能量。hv>W0→產(chǎn)生光電效應hv<W0→無光電效應

hv=W0→就是極限頻率（也叫極限頻率）3、光子說對光電效應的解釋三、愛因斯坦的光電效應理論—解釋

①斜率k=h（普朗克常數(shù)）②橫截距νc（極限頻率）③縱截距為－W0（逸出功的負值）光電效應圖像3、光子說對光電效應的解釋三、愛因斯坦的光電效應理論—解釋EK=hv-W0⑵遏止電壓的解釋

對某種金屬W0一定，遏止電壓Uc只與入射光的頻率有關，與光強無關。eUc=hv-W0遏止電壓3、光子說對光電效應的解釋三、愛因斯坦的光電效應理論—解釋⑶瞬時性的解釋電子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要時間的積累。

對于同種頻率的光，光較強時，單位時間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多,

照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。⑷飽和電流的解釋到此為止光量子理論完美解釋了光電效應的各種現(xiàn)象。電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。（每個電子只能吸收一個光子，同時吸收兩個光子的概率幾乎為零）。3、光子說對光電效應的解釋三、愛因斯坦的光電效應理論—解釋4.光電效應理論的驗證

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。

愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎。光電效應顯示了：光子和其他粒子一樣，也具有能量，光具有粒子性。三、愛因斯坦的光電效應理論—驗證X射線λ＝λ0石墨體（散射物質）λ=λ0λ>λ0

光在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。2.康普頓效應

1.光的散射說明能量有損失，導致波長變長。X-ray

中國留學生吳有訓通過實驗證實了康普頓效應的普遍性。四、康普頓效應和光子的動量—康普頓效應3.光的散射經(jīng)典解釋（無法解釋）

經(jīng)典理論認為：物質中的電子會隨入射光以相同的頻率振動（受迫振動），并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無法解釋有Δλ存在的實驗規(guī)律。X-ray

四、康普頓效應和光子的動量—經(jīng)典解釋

光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長λ和普朗克常量h有關：愛因斯坦質能方程：光子能量：5.波長變長的解釋：

若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。P↓——λ↑

4.光子模型解釋康普頓效應四、康普頓效應和光子的動量—光子動量牛頓光的微粒說光是實物粒子惠更斯和托馬斯楊的光的波動說光是振動形式在媒質的傳播——波到麥克斯韋的光的電磁理論光是電磁波愛因斯坦的光子理論光是能量子即光子（粒子性）1、人類對光的認識過程五、光的波粒二象性—光的認識過程2.光具有波粒二象性(1)光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。(2)光在與物質發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應，康普頓效應。光電效應康普頓散射干涉衍射PQ偏振五、光的波粒二象性—波動性和粒子性自主評價—————————————————1．判斷正誤(1)入射光足夠強就可以有光電流。(

)(2)遏止電壓與入射光的強度有關。(

)(3)入射光頻率大于截止頻率才能產(chǎn)生光電子。(

)(4)逸出功和截止頻率與入射光的頻率有關。(

)(5)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比。(

)××√××課堂練習如圖所示為演示光電效應的實驗裝置，關于光電效應，下列說法正確的是(

)A．發(fā)生光電效應時，光電子是從K極逸出的B．靈敏電流計不顯示讀數(shù)一定是因為入射光強度太弱C.靈敏電流計不顯示讀數(shù)可能是因為電壓過低D．如果把電源反接，一定不會發(fā)生光電效應A課堂練習

1.在演示光電效應實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用紫外線燈照射鋅板時，驗電器的指針張開一個角度，如圖所示。下列說法正確的是(

)A．驗電器的指針帶正電B．若僅增大紫外線的頻率，則鋅板的逸出功增大C．若僅增大紫外線燈照射的強度，則單位時間內(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度，則可能不發(fā)生光電效應A課堂練習2．光電效應的規(guī)律中，經(jīng)典波動理論能解釋的有(

)A．入射光的頻率必須大于被照射金屬的極限頻率時才產(chǎn)生光電效應B．當入射光頻率大于被照射金屬的極限頻率時，光電子數(shù)目與入射光的強度成正比C.光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大D．入射光照射到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的B課堂練習角度1光電效應方程的應用如圖所示，一光電管的陰極用極限波長λ0＝500nm的鈉制成，用波長λ＝300nm的紫外線照射陰極，光電管陽極A和陰極K之間的電勢差U＝2.1V，飽和光電流的值I＝0.56μA。課堂練習(1)求每秒內(nèi)由K極發(fā)射的光電子數(shù)。課堂練習課堂練習(2)求光電子到達A極時的最大動能。[思維導引]

(2)每秒內(nèi)由K極發(fā)射的電子全部參與導電時對應飽和光電流。[答案]

(2)6.012×10-19J課堂練習課堂練習(3)如果電勢差U不變，而照射光的強度增加到原值的三倍，此時光電子到達A極時最大動能是多大？(普朗克常量h＝6.63×10-34J·s)[思維導引]

(3)光電子的最大初動能大小與入射光的強度大小無關。[答案]

(3)6.012×10-19J[解析]

(3)根據(jù)光電效應規(guī)律，光電子的最大初動能與入射光的強度無關，如果電勢差U不變，則光電子到達A極的最大動能不變，Ek＝6.012×10-19J。課堂練習角度2光電效應方程與圖像的綜合問題在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示，則(

)A．甲光的強度小于乙光的強度B．乙光的頻率大于丙光的頻率C．丙光照射時，逸出的所有光電子的物質波波長都最短D．當電壓等于U0時，甲、乙光對應的光電子的最大動能相等D課堂練習A課堂練習4．(多選)在做光電效應的實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效