資源簡(jiǎn)介

(共45張PPT)
2. 光電效應(yīng)
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊(cè)）
第四章 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
目錄
素養(yǎng)目標(biāo)
01
課程導(dǎo)入
02
新課講解
03
總結(jié)歸納
04
課堂練習(xí)
05
正確教育
素養(yǎng)目標(biāo)
1.知道光電效應(yīng)現(xiàn)象，了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
2.知道愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)及對(duì)光電效應(yīng)的解釋，會(huì)用光電效應(yīng)方程解決一些簡(jiǎn)單問(wèn)題
3.了解光的波粒二象性
鋅板在照射下失去電子
當(dāng)光照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。
逸出的電子稱為光電子。
問(wèn)題：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？
正確教育
光電效應(yīng)的
實(shí)驗(yàn)規(guī)律
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。這是最早發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，也是赫茲細(xì)致觀察的意外收獲。
1900年，普朗克提出了量子化假說(shuō)。
1905年，愛(ài)因斯坦提出了光量子概念，解釋了光電效應(yīng)。
歷史背景
一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
下面我們用如圖所示的電路研究光電效應(yīng)中電子發(fā)射的情況與照射光的強(qiáng)弱、光的顏色（頻率）等物理量之間的關(guān)系
如圖，陰極K和陽(yáng)極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極，陰極K在受到光照時(shí)能夠發(fā)射光電子。電源按圖示極性連接時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)后，陽(yáng)極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成光電流。這導(dǎo)致電壓U為0時(shí)電流I并不為0（滑片移到最左端時(shí)，電壓U為0）。
1）存在截止頻率
頻率低于νc的入射光，無(wú)論光的強(qiáng)度多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都不能使光電子逸出，這個(gè)νc叫截止頻率.
uA
A
K
窗口
I
2）存在飽和電流
光照條件不變時(shí)U增大，光電流I趨于一個(gè)飽和值.
這說(shuō)明：
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。
實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多.
3）存在遏止電壓
如果施加反向電壓，也就是陰極K接電源正極、陽(yáng)極A接電源負(fù)極，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。使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。
最大初動(dòng)能：
與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與入射光的的頻率有關(guān)
4）光電效應(yīng)的瞬時(shí)性
當(dāng)頻率大于νc，光的照射和光電子的逸出幾乎是同時(shí)的，產(chǎn)生光電流的時(shí)間不超過(guò)10-9s
截止頻率
飽和電流
遏止電壓
規(guī)律
→頻率
→光強(qiáng)
→頻率
瞬時(shí)<10-9s
令科學(xué)家感到困惑
正確教育
光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難
思考：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
使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。
溫度不很高時(shí)，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須克服這個(gè)引力做功。
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(guò)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。
金屬 鎢 鈣 鈉 鉀 銣
截止頻率ν0/×1014 Hz 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
逸出功W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。
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。
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)。
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。
無(wú)法用經(jīng)典的電磁理論來(lái)解釋光電效應(yīng)。
逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。
正確教育
愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論
1.光子說(shuō)：
光不僅在發(fā)射和接收時(shí)是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，每一份能量子叫做光子，能量 = hν.
2.光電效應(yīng)方程：
逸出功
最大初動(dòng)能
3.光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋
1）只有hν>W0,才有光子逸出。
2）光子的最大初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就解釋了遏止電壓和光強(qiáng)無(wú)關(guān).
3）電子一次性吸收光子的全部能量，不需要累積能量的時(shí)間，光電流幾乎是瞬間產(chǎn)生的.
4）對(duì)于同種顏色的光，光較強(qiáng)時(shí)，包含的光子數(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.
思考與討論： 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動(dòng)能 Ek 與入射光的頻率 v 的關(guān)系。但是，很難直接測(cè)量光電子的動(dòng)能，容易測(cè)量的是截止電壓 Uc 。
那么，怎樣得到截止電壓 Uc 與光的頻率 v 和逸出功 W0 的關(guān)系呢？
利用光電子的初動(dòng)能
和愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程
可得：
對(duì)某確定的金屬，由光子的初動(dòng)能和光電效應(yīng)方程
7.0
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
0.8
0.2
0.4
0.6
0
1
ν/1014Hz
Uc/V
Uc/V
Uc/V
Uc/V
Uc/V
Uc/V
根據(jù)光電效應(yīng)測(cè)得h 與普朗克黑體輻射得出的h 在誤差范圍內(nèi)一致，這為愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，因此愛(ài)因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).
密立根：
從1907年起，美國(guó)物理學(xué)家密立根開(kāi)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(ài)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(ài)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(ài)因斯坦由于提出了光電效應(yīng)理論而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
正確教育
康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量
1．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．美國(guó)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(zhǎng)λ0相同成分外，
還有波長(zhǎng)大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。
康普頓的學(xué)生，中國(guó)留學(xué)生吳有訓(xùn)測(cè)試了多種物質(zhì)
對(duì)X射線的散射，證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性。
一、康普頓效應(yīng)
晶體
光闌
X 射線管
探
測(cè)
器
X 射線譜儀
石墨體
(散射物質(zhì))
j
0
散射波長(zhǎng)
康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置
3.經(jīng)典電磁波理論的困難
根據(jù)電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。
無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。
4. 光子的動(dòng)量
(1) 表達(dá)式 p＝
(2) 說(shuō)明
在康普頓效應(yīng)中，入射光子與晶體中電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動(dòng)量變小，因此，有些光子散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)。
5．光子說(shuō)對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋
康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應(yīng)。X射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動(dòng)量，康普頓效應(yīng)是X射線的光子與晶體中的電子作彈性碰撞的結(jié)果，光子和電子相碰撞，遵守能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。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)，散射光的頻率小于入射光的頻率。
正確教育
光的波粒二象性
光子的能量： =hv
光子的動(dòng)量：
1. 光具有粒子性：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)
2. 光具有波動(dòng)性：光的干涉、衍射、偏振、多普勒效應(yīng)
普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁
4. 量子電動(dòng)力學(xué)——描述光的波動(dòng)性和粒子性的理論。
3. 光具有波粒二象性：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。
(1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應(yīng)。( )
(2)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。( )
(3)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光的顏色不變時(shí)，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)越多。( )
(4)入射光照射到金屬表面上時(shí)，光電子幾乎是瞬時(shí)發(fā)射的。( )
(5) “光子”就是“光電子”的簡(jiǎn)稱。( )
(6)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比。( )
(7)飽和電流與光強(qiáng)有關(guān)，與所加的正向電壓大小無(wú)關(guān)。( )
經(jīng)典例題
×
×
√
√
×
×
√
(多選)現(xiàn)用某一光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用某一頻率的光入射時(shí)，有光電流產(chǎn)生。下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，飽和電流變大
B．入射光的頻率變高，飽和電流變大
C．入射光的頻率變高，光電子的最大初動(dòng)能變大
D．保持入射光的光強(qiáng)不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生
經(jīng)典例題
AC
答案：AC
解析：保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子變多，飽和電流變大，A正確；飽和電流與光的強(qiáng)度有關(guān)，入射光的頻率變高，飽和電流不一定變大，B錯(cuò)誤，據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 可知，入射光的頻率變高，光電子的最大初動(dòng)能變大，C正確；當(dāng) hν < W0 時(shí)沒(méi)有光電流產(chǎn)生，D錯(cuò)誤。
如圖所示，甲圖為演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，乙圖為a、b、c三種光照射下得到的三條電流表與電壓表讀數(shù)之間的關(guān)系曲線。下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．a(chǎn)、b、c 三種光的頻率各不相同
B．b、c 兩種光的光強(qiáng)可能相同
C．若b 光為紫光，a 光可能是藍(lán)光
D．圖甲中的滑動(dòng)變阻器的滑片由圖示位置向右滑動(dòng)，電流表的讀數(shù)會(huì)一直增大
經(jīng)典例題
C
答案：C
解析：由光電效應(yīng)方程及遏止電壓與光的頻率間的關(guān)系可得eUc＝Ek＝hν－W0，b、c 兩種光的遏止電壓相同，故頻率相同，a光的遏止電壓較小，頻率較低，A錯(cuò)誤；光的頻率不變時(shí)，最大光電流與光強(qiáng)成正比，對(duì)比乙圖可知，b 光較強(qiáng)，B錯(cuò)誤；由以上分析可知，a 光頻率較低，若b 光為紫光，a 光可能是藍(lán)光，C正確；圖甲中的滑動(dòng)變阻器的滑片向右滑動(dòng)，增大光電管兩端電壓，且為正向電壓，電流表的讀數(shù)會(huì)增大，但達(dá)到飽和光電流后，就不會(huì)繼續(xù)增大，D錯(cuò)誤。
一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
1.存在截止頻率：對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)截止頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)截止頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；
2.存在飽和電流：當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；
3.存在遏止電壓：光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；
4.入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的。
二、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論

Ek ＝eUc
三、康普頓效應(yīng)
1.康普頓效應(yīng)；
2.經(jīng)典物理解釋的困難；
3.光子模型對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋；
四、光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)
光具有粒子性，光子具有動(dòng)量
五、光的波粒二象性
如圖，用弧光燈(可以發(fā)出紫外線)照射擦得很亮的鋅板，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，則(　　)
A．用紫外線照射其他與驗(yàn)電器相連的金屬板，驗(yàn)電器指針也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)
B．用紅光照射鋅板，驗(yàn)電器指針一定會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)
C．鋅板帶的是負(fù)電荷
D．使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷
D
答案：D
解析：不同金屬發(fā)生光電效應(yīng)需要的入射光的最小頻率不同，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；紅光的頻率低于紫外線的頻率，不一定能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，B錯(cuò)誤。在紫外線的照射下，鋅板中有一部分電子從表面飛出，鋅板帶正電，選項(xiàng)D正確，C錯(cuò)誤；
入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng)，若入射光的強(qiáng)度減弱，而頻率保持不變，那么(　　)
A．從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時(shí)間間隔將明顯增加
B．逸出的光電子的最大初動(dòng)能將減小
C．單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少
D．有可能不發(fā)生光電效應(yīng)
C
答案：C
解析：發(fā)生光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；入射光的強(qiáng)度減弱，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)的入射光子數(shù)目減少，頻率不變，說(shuō)明光子能量不變，逸出的光電子的最大初動(dòng)能也就不變，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；入射光子的數(shù)目減少，逸出的光電子數(shù)目也就減少，故選項(xiàng)C正確；入射光照射到某金屬上發(fā)生光電效應(yīng)，說(shuō)明入射光頻率不低于這種金屬的極限頻率，入射光的強(qiáng)度減弱而頻率不變，同樣能發(fā)生光電效應(yīng)，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
如圖所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極K，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.6 V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零。當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.6 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為( )
A．1.9 eV
B．0.6 eV
C．2.5 eV
D．3.1 eV
A
答案：A
解析：由題意知光電子的最大初動(dòng)能為Ek＝eUc＝0.6 eV，所以根據(jù)光電效應(yīng)方程 Ek＝hν－W0 可得 W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV。
（多選）在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用同一種單色光，先后照射鋅和銀的表面，都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。對(duì)于這兩種過(guò)程，下列四個(gè)物理量中，一定不同的是( 　　)
A．遏止電壓
B．飽和電流
C．光電子的最大初動(dòng)能
D．逸出功
ACD
答案：ACD
解析：根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的最大初動(dòng)能Ek＝hν－W0，其中W0為所用材料的逸出動(dòng)，而鋅和銀這兩種材料的逸出功W0一定不同，故可知光電子的最大初動(dòng)能Ek 一定不同；又由于Ek＝eUc，故可知遏止電壓Uc 一定不同。飽和電流的大小，與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，故飽和電流不一定不同
謝謝觀看

展開(kāi)更多......

收起↑