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選擇性必修三 第四章 原子結構和波粒二象性
2
光電效應
作業講評
實驗觀察
實驗分析
照射前
Zn板
思考1：為什么電子會從鋅板表面飛出呢？
帶負電
照射后
Zn板
負電荷減少
當有光照射時電子從鋅板的表面飛出
為何不直接照射電中性的Zn板？
電子獲得了光的能量
鋅板帶正電后會影響電子逸出
實驗分析
思考2：為何要在Zn板前方放置帶正電的銅網
照射后
Zn板
有電子飛出，帶正電
照射前
Zn板
不帶電
是否有光入射就會有電子飛出？
實驗觀察
大量實驗表明：只有入射光的頻率足夠高，金屬表面才會有電子飛出
一、光電效應
照射到金屬表面的光，使金屬中的電子從表面逸出
的現象，稱為光電效應。
1.定義：
光電效應現象中從金屬表面逸出的電子常稱為光電子。
2.光電子：
最早赫茲發現
勒納德（德）、J.J.湯姆孫用實驗證實了
二、光電效應的實驗規律
G
s
二、光電效應的實驗規律
實驗電路一
1.完善電路，并畫出電流表指針偏轉方向
光電子，在電路中形成光電流
思考3：不加電源電路中會形成光電流嗎？
二、光電效應的實驗規律
實驗電路一
2.觀察到的現象
1）存在截止頻率
νc
①入射光的頻率ν≥νc時，發生光電效應
極限頻率
②不同金屬的νc不同，νc與金屬自身性質有關
二、光電效應的實驗規律
實驗電路一
2.觀察到的現象
2）光電效應具有瞬時性
當ν≥νc時，無論入射光怎樣微弱，照到金屬時都會立即產生光電流。
精確測量表明產生電流的時間很快
產生時間不會超過10-9s
光電流的大小與光照強度有關
即光電效應幾乎是瞬時發生的
二、光電效應的實驗規律
實驗電路二
思考4：如果改變光電管兩端的電壓，會對光電流大小有影響嗎？
請設計一個便于調節光電管兩端電壓的電路
二、光電效應的實驗規律
二、光電效應的實驗規律
2.觀察到的現象
3）存在飽和光電流
①在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流增大，最終光電流趨于一個飽和值。
這說明
在一定的光照條件下，單位時間內陰極K發射的光電子的數目是一定的
思考5：為什么會存在飽和光電流呢？
二、光電效應的實驗規律
2.觀察到的現象
3）存在飽和光電流
②在光的頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大。
思考6：這一現象說明了什么呢？
對于一定頻率（顏色）的光，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。
I
U
0
比較兩束黃光的強弱
二、光電效應的實驗規律
思考7：若加反向電壓會對光電流有什么影響？
二、光電效應的實驗規律
2.觀察到的現象
4）存在遏止電壓
①使光電流剛好減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓
思考8：光電流減為零意味著什么呢？
②存在遏止電壓說明金屬表面逸出的光電子有最大初動能
二、光電效應的實驗規律
2.觀察到的現象
4）存在遏止電壓
③同一種金屬對于一定頻率的光，
無論光的強弱如何，遏止電壓都一樣的。
說明：同種金屬光電子的最大初動能與光強無關
頻率不同的光對應的遏止電壓是否相同呢？
二、光電效應的實驗規律
④光的頻率ν改變時，遏止電壓Uc也會改變
二、光電效應的實驗規律
2.觀察到的現象
4）存在遏止電壓
紅光
藍光
說明：對于同種金屬，光電子的最大初動能與入射光頻率有關
二、光電效應的實驗規律
小結：
入射光的頻率ν
入射光的強度
能否發生光電效應
產生光電效應時光電子的最大初動能
單位時間內發射的光電子數
影響光電效應的因素
決定
決定
1.光電效應中，從同一金屬逸出的電子動能的最大值
A. 只跟入射光的頻率有關
B. 只跟入射光的強度有關
C.跟入射光的頻率和強度都有關
D.除跟入射光的頻率和強度有關外，還和光照時間有關
課堂練習
A
2.下列哪個電路是研究飽和光電流的，哪個是研究遏止電壓的？
課堂練習
3.在光電效應實驗中，小明用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線（甲、乙、丙），如圖所示。回答下面問題，并說明理由。
課堂練習
（4）甲、丙兩種光所產生光電子的最大初動能，哪個大？
（1）甲、乙兩種光的頻率，哪個大？
（2）乙、丙兩種光的波長，哪個大？
（3）乙、丙兩種光所對應的截止頻率，哪個大？
三、光電效應經典解釋中的疑難
思考與討論
金屬中原子外層的電子會脫離原子而做無規則的熱運動。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？
金屬表面存在阻礙電子逸出的力
電子要從金屬中掙脫出來，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙做功
三、光電效應經典解釋中的疑難
要使電子脫離某種金屬，外界對它做功的最小值叫作這種金屬的逸出功
1.逸出功
用W0 表示
三、光電效應經典解釋中的疑難
2.經典理論的疑難
1）光越強，逸出的電子數越多，光電流也越大，這些結論與實驗相符
光照到金屬表面時，電子吸收能量和原有熱運動能量之和超出逸出功，電子就從表面逸出，這就是光電子。
可以解釋，成功
三、光電效應經典解釋中的疑難
2.經典理論的疑難
光能應由光頻率來決定
四、愛因斯坦光電效應理論
熱輻射的能量是不連續的；
在微觀世界里，物理量的取值很多時候是不連續的，只能取一些分立的值，這稱為量子化現象。
1905年發表《光與光的產生和轉化的一個試探性觀點》提出普朗克的觀點不夠徹底，光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是不可分割的能量子組成。
愛因斯坦的光子假說
四、愛因斯坦光電效應理論
1.愛因斯坦的光量子假說
其中h是普朗克常量： h=6.63×10－34J·s
在空間傳播的光本身由一個個不可分割的能量子組成，頻率為ν的光的能量子為hν。
光子
的能量
E＝hν
2.愛因斯坦光電效應方程
四、愛因斯坦光電效應理論
求一個電子吸收能量為hν的光子的能量后，從逸出功為W0的金屬表面逸出時的最大動能
逸出功
光電子的最大初動能
四、愛因斯坦光電效應理論
3.光電效應方程對光電效應實驗規律的解釋
1)只有當hν>W0時，光電子才會從金屬表面逸出
EK
ν
0
νc
電子逸出
νc=W0/h
2)光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν有關，而與光的強弱無關。因此遏止電壓與頻率有關，與光強無關。
3）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產生的。
4）對于同種顏色（ν相同）的光，光較強時，包含的光子數目較多，照射金屬時產生的光電子也多，因而飽和光電流較大。
斜率為
課堂練習
請根據下表算出金屬鎢的逸出功W0
h=6.63×10－34J·s
1.光電效應實驗的裝置如圖,則下面說法中正確的是
A.用紫外光照射,驗電器指針會發生偏轉
B.用紅色光照射,驗電器指針會發生偏轉
C.使驗電器指針發生偏轉的是正電荷
D. 鋅板帶的是負電荷
課堂練習
AC
四、愛因斯坦光電效應理論
4.普朗克常量的測量
怎么證明它是正確的呢？
eUc=Ek
eUc=hν-W0
密立根：驗證h與普朗克的h是否相同
由圖像能夠得到哪些信息呢？
為愛因斯坦的光電效應理論提供了直接的實驗證據
2.鋁的逸出功為4.2eV，現在用波長為200nm的光照射鋁的表面。
課堂練習
1）求光電子的最大初動能；
2）求遏止電壓；
3）求鋁的截止頻率。
3.2×10-19J
2.0V
1.0×1014Hz
3. 在光電效應實驗中，如果入射光的波長確定，而強度增加，將產生什么結果？如果入射光的頻率增加，將產生什么結果？
課堂練習
課堂練習
4. 金屬A在一束綠光照射下恰能發生光電效應，現用紫光或紅光照射時，能否發生光電效應？
紫光照射A、B 兩種金屬都能發生光電效應時，為什么逸出金屬表面的光電子的最大速度大小不同
5.電鍵K斷開時， 光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發現電流表讀數不為零。合上電鍵,調節滑線變阻器， 當電壓表讀數大于或等于0.60V時，電流表讀數為零。由此可知陰極材料的逸出功為
A.1.9eV
B.0.6eV
C.2.5eV
D.3.1eV
課堂練習
A
6.在日常生活中，我們不會注意到光是由光子構成的，這是因為普朗克常量很小，每個光子的能量很小，而我們觀察到的光學現象中涉及大量的光子。如果白熾燈消耗的電功率有15%產生可見光，試估算60W的白熾燈泡1s內發出可見光光子數的數量級
課堂練習
1019
7. 根據如圖所示的電路，利用能夠產生光電效應的兩種（或多種）頻率已知的光來進行實驗，怎樣測出普朗克常量？根據實驗現象說明實驗步驟和應該測量的物理量，寫出根據本實驗計算普朗克常量的關系式。
課堂練習
五、康普頓效應和光子的動量
石墨對X射線的散射時，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，這個現象稱為康普頓效應
1.康普頓效應
美國物理學家康普頓
散射：光遇到介質中的微粒，傳播方向發生改變的現象。
經典理論認為是帶電粒子受迫振動的而發出的散射波，f（λ）不變
吳有訓測試了多種物質，證明了普遍性
五、康普頓效應和光子的動量
2.對康普頓效應的解釋
康普頓用光子的模型成功地解釋了康普頓效應。
基本思想是：光子不僅具有能量，而且具有動量，光子
與晶體中的電子碰撞時遵守能量守恒和動量守恒。
光子的動量p
五、康普頓效應和光子的動量
3.康普頓效應的意義
引入光子具有動量，進一步完善了光的粒子說，肯定了光的粒子性
六、光的波粒二象性
1.麥克斯韋的電磁理論建立之后，人們認識到光是一種電磁波。
2.光電效應和康普頓效應重新揭示了光的粒子性。
3.光既具有波動性，又具有粒子性。即光具有波粒二象性
六、光的波粒二象性
4.關于波粒二象性
1）波粒二象性是實驗事實，不是經典意義的粒子和波
2）大量光子產生的效果往往顯示波動性，個別光子產生的效果往往顯示粒子性
能統一描述光的波動性和粒子性的理論——量子電動力學
3）光在傳播過程中往往顯示波動性，在與物質相互作用時往往顯示粒子性
4）頻率越低的光波動性越明顯，頻率越高的光粒子性越明顯

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