4.2光電效應(yīng)課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性2

4.2光電效應(yīng)選擇性必修第三冊(cè)&第四章

原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性授課教師：楊孝波

把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，并使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開(kāi)。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗(yàn)電器指針的變化。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)題？課堂引入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鋅板帶負(fù)電，用紫外線燈照射后，驗(yàn)電器張開(kāi)的指針夾角會(huì)變小。這意味著，紫外線會(huì)讓電子從鋅板表面逸出。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的現(xiàn)象。光電子：光電效應(yīng)現(xiàn)象中從金屬表面逸出的電子常稱為光電子。實(shí)驗(yàn)視頻一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—光電效應(yīng)

要想進(jìn)一步研究光電效應(yīng)的規(guī)律，只有通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究。想一想猜想：光電效應(yīng)中，發(fā)射光電子的情況與哪些因素有關(guān)？●光的頻率（顏色）●光照強(qiáng)度●金屬材料一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—猜想

光電管就是利用光電效應(yīng)制成的一種光學(xué)元件，它的作用是把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電管一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—光電管

研究光電效應(yīng)中電子發(fā)射的情況與照射光的強(qiáng)弱、光的顏色(頻率)等物理量間的關(guān)系。窗口2、實(shí)驗(yàn)原理⑴陰極K和陽(yáng)極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極。⑵K在受到光照時(shí)能夠發(fā)射光電子⑶陽(yáng)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(shuō)明光電效應(yīng)越強(qiáng)。I

陰極K與陽(yáng)極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源的正負(fù)極也可以對(duì)調(diào)。右圖中所加的電壓為正向電壓，即A極的電勢(shì)高于K極的電勢(shì)。光電子從陰極K逸出后，在AK之間被電場(chǎng)加速。1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、光電效?yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—目的和原理一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—過(guò)程

（1）當(dāng)入射光頻率減小到某一數(shù)值

c時(shí)，A、K極板間不加反向電壓，電流也為0。此時(shí)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(yīng)與入射光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)。（3）入射光頻率低于截止頻率時(shí)，不管光照多強(qiáng)，金屬都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)?。?）不同金屬的截止頻率不同，截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)規(guī)律→跟材料有關(guān)一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)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(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值?！庹諒?qiáng)度有關(guān)一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—規(guī)律－++++++一一一v最大的初動(dòng)能則I=0，式中UC為遏止電壓EEUFKA速率最大的是vc（1）當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱截止電壓。（3）存在遏止電壓Uc（2）對(duì)于一定顏色(頻率)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓是一樣的;光的頻率

改變，遏止電壓也會(huì)改變。（3）光電子的最大初動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—規(guī)律

即使入射光的強(qiáng)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(shí)立即產(chǎn)生光電流。即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。（4）光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性陽(yáng)極陰極

更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過(guò)的時(shí)間不超過(guò)10－9

s（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律—規(guī)律

人們知道，金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。但在溫度不很高時(shí)，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(duì)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(yīng)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(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。經(jīng)典電磁理論2.光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱有關(guān)。3.電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能積累夠逸出表面所需的能量，所以光電子不會(huì)瞬間發(fā)射。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難—經(jīng)典解釋

能量量子化認(rèn)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(gè)能量子。普朗克愛(ài)因斯坦

愛(ài)因斯坦在普朗克量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上，做了進(jìn)一步假設(shè)，建立起光電效應(yīng)理論。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割能量子組成的。每一份稱為光量子，簡(jiǎn)稱光子。E=hν光子的能量：1.光量子理論三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論—光量子理論EK=hv-W0

金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hv，一部分大小為W0的能量被電子用來(lái)脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動(dòng)能。通過(guò)這個(gè)方程愛(ài)因斯坦完美地解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。hv＝W0+EK——光電子最大初動(dòng)能——金屬的逸出功W0光電效應(yīng)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(dòng)能,就某個(gè)光電子而言,其離開(kāi)金屬時(shí)的動(dòng)能大小可以是0~Ek

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

hv=W0→就是極限頻率（也叫極限頻率）3、光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)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(fù)值）光電效應(yīng)圖像3、光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論—解釋EK=hv-W0⑵遏止電壓的解釋

對(duì)某種金屬W0一定，遏止電壓Uc只與入射光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。eUc=hv-W0遏止電壓3、光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論—解釋⑶瞬時(shí)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(shí)間的積累。

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。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(yīng)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(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。（每個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，同時(shí)吸收兩個(gè)光子的概率幾乎為零）。3、光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論—解釋4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)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(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)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(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論—驗(yàn)證X射線λ＝λ0石墨體（散射物質(zhì)）λ=λ0λ>λ0

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

1.光的散射說(shuō)明能量有損失，導(dǎo)致波長(zhǎng)變長(zhǎng)。X-ray

中國(guó)留學(xué)生吳有訓(xùn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性。四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量—康普頓效應(yīng)3.光的散射經(jīng)典解釋（無(wú)法解釋）

經(jīng)典理論認(rèn)為：物質(zhì)中的電子會(huì)隨入射光以相同的頻率振動(dòng)（受迫振動(dòng)），并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無(wú)法解釋有Δλ存在的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。X-ray

四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量—經(jīng)典解釋

光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)λ和普朗克常量h有關(guān)：愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：光子能量：5.波長(zhǎng)變長(zhǎng)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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。P↓——λ↑

4.光子模型解釋康普頓效應(yīng)四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量—光子動(dòng)量牛頓光的微粒說(shuō)光是實(shí)物粒子惠更斯和托馬斯楊的光的波動(dòng)說(shuō)光是振動(dòng)形式在媒質(zhì)的傳播——波到麥克斯韋的光的電磁理論光是電磁波愛(ài)因斯坦的光子理論光是能量子即光子（粒子性）1、人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)過(guò)程五、光的波粒二象性—光的認(rèn)識(shí)過(guò)程2.光具有波粒二象性(1)光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。(2)光在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。光電效應(yīng)康普頓散射干涉衍射PQ偏振五、光的波粒二象性—波動(dòng)性和粒子性自主評(píng)價(jià)—————————————————1．判斷正誤(1)入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流。(

)(2)遏止電壓與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。(

)(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(guān)。(

)(5)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比。(

)××√××課堂練習(xí)如圖所示為演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，關(guān)于光電效應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是(

)A．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子是從K極逸出的B．靈敏電流計(jì)不顯示讀數(shù)一定是因?yàn)槿肷涔鈴?qiáng)度太弱C.靈敏電流計(jì)不顯示讀數(shù)可能是因?yàn)殡妷哼^(guò)低D．如果把電源反接，一定不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)A課堂練習(xí)

1.在演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，原來(lái)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(kāi)一個(gè)角度，如圖所示。下列說(shuō)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，則鋅板的逸出功增大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)A課堂練習(xí)2．光電效應(yīng)的規(guī)律中，經(jīng)典波動(dòng)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(shí)才產(chǎn)生光電效應(yīng)B．當(dāng)入射光頻率大于被照射金屬的極限頻率時(shí)，光電子數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比C.光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大D．入射光照射到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的B課堂練習(xí)角度1光電效應(yīng)方程的應(yīng)用如圖所示，一光電管的陰極用極限波長(zhǎng)λ0＝500nm的鈉制成，用波長(zhǎng)λ＝300nm的紫外線照射陰極，光電管陽(yáng)極A和陰極K之間的電勢(shì)差U＝2.1V，飽和光電流的值I＝0.56μA。課堂練習(xí)(1)求每秒內(nèi)由K極發(fā)射的光電子數(shù)。課堂練習(xí)課堂練習(xí)(2)求光電子到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能。[思維導(dǎo)引]

(2)每秒內(nèi)由K極發(fā)射的電子全部參與導(dǎo)電時(shí)對(duì)應(yīng)飽和光電流。[答案]

(2)6.012×10-19J課堂練習(xí)課堂練習(xí)(3)如果電勢(shì)差U不變，而照射光的強(qiáng)度增加到原值的三倍，此時(shí)光電子到達(dá)A極時(shí)最大動(dòng)能是多大？(普朗克常量h＝6.63×10-34J·s)[思維導(dǎo)引]

(3)光電子的最大初動(dòng)能大小與入射光的強(qiáng)度大小無(wú)關(guān)。[答案]

(3)6.012×10-19J[解析]

(3)根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，如果電勢(shì)差U不變，則光電子到達(dá)A極的最大動(dòng)能不變，Ek＝6.012×10-19J。課堂練習(xí)角度2光電效應(yīng)方程與圖像的綜合問(wèn)題在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示，則(

)A．甲光的強(qiáng)度小于乙光的強(qiáng)度B．乙光的頻率大于丙光的頻率C．丙光照射時(shí)，逸出的所有光電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)都最短D．當(dāng)電壓等于U0時(shí)，甲、乙光對(duì)應(yīng)的光電子的最大動(dòng)能相等D課堂練習(xí)A課堂練習(xí)4．(多選)在做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，某金屬被光照射發(fā)生了光電效