資源簡介

第一節 光電效應及其解釋
教學課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第六章 波粒二象性
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養目標
新課講解
新課導入
經典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習
課堂小結
新課導入
紅外遙控器切換電視頻道
掃碼支付
光伏發電
觀察并思考，這些是怎么做到的？
其實這些應用都與光電效應有關。那什么是光電效應呢？
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、光電效應
普朗克的能量子說:
帶電微粒輻射或吸收能量時，是一份一份地輻射或吸收的，每一份叫做一個能量子，每一個能量子的能量
ε=hν
h為普朗克常量：h=6.626×10-34J·s
光的本質是什么？
新課講解
重新提出“光的粒子性”
光是電磁波，它能很好地解釋光的干涉、衍射等現象，但是，光的波動說并不能成功地說明光的所有現象。早在1887年赫茲在做電磁的實驗時，就偶然發現了一個后來被稱作光電效應的現象，這個現象使光的波動說遇到了無法克服的困難.
赫茲
新課講解
演示光電效應
如圖6-1所示，把一塊擦亮的鋅板安裝在靜電計上。把用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸鋅板，靜電計指針的偏角將會怎樣變化？用紫外光照射鋅板，觀察靜電計指針的偏角有什么變化；停止紫外光照，靜電計指針的偏角又會怎樣變化？這說明了什么？請解釋以上現象。
現象：
1、把用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸鋅板，鋅板帶負電，驗電器指針打開。
2、用紫外光照射鋅板，驗電器指針打開角度變小。
3、停止紫外光照射鋅板，驗電器指針打開角度不再減小。
說明：
紫外光的照射可以使鋅板帶正電。有電子從鋅板表面逸出。
新課講解
1.定義
物理學中，在光的照射下電子從物體表面逸出的現象，稱為光電效應。逸出的電子稱為光電子。
光電子定向移動形成的電流叫光電流。
新課講解
實驗
圖為一種典型的光電管結構示意圖，抽成真空的玻璃管內密封有陰極和陽極，在陰極表面涂有某種金屬材料，當受到光照射時產生光電子。
（1）研究目的：
光電效應中電子發射情況與照射光的強弱、光的顏色（頻率）等物理量之間的關系。
新課講解
2.裝置介紹：
①陰極K：發射光電子，
陽極A：接收光電子，形成光電流。
②微安表：測量光電流大小
③電壓表：測量K、A間電壓
④滑動變阻器：改變電源加在K、A電壓
在如圖的電路圖中，光束可由玻璃窗口進入，投射到陰極K上。陰極K與陽極A之間的電壓可通過滑動變阻器進行調節，電源的正負極也可對調。當發生光電效應時，陰極K發射的光電子被陽極A吸收后，形成光電流。因此，我們可通過該電路來探究光電效應的規律。
新課講解
（1）用不同頻率的光照射陰極，并調節光的強度，觀察到什么現象？
（2）保持光照條件不變，調節滑動變阻器，逐漸提高電壓，觀察光電流是否隨電壓變化而發生變化。
（3）把電源的正負極對調，重復上述實驗，觀察實驗現象。
記錄上述實驗數據、觀察實驗結果并進行分析，看一看有哪些規律。
新課講解
2.規律
（1）光電效應產生的條件：當入射光的頻率低于某一頻率時，光電流消失，不會產生光電效應，這一頻率稱為極限頻率Vc。
極限頻率與金屬的種類有關，每一種金屬對應一種極限頻率。只有當入射光的頻率大于或等于極限頻率，才會產生光電效應；若入射光的頻率小于極限頻率，即使增加光的強度或照射時間，也不能產生光電效應。（入射光V>Vc）
新課講解
（2）瞬時性：從光照射到金屬表面至產生光電效應間隔的時間很短，通常在10-9s內。
（3）飽和電流：產生光電效應時，在光照強度不變的情況下，光電流隨電壓的增大而增大，當電流增大到一定值后，即使電壓再增大，電流也不再增加，達到一個飽和值，即為飽和電流Im。在光頻率不變的情況下，入射光越強，單位時間內逸出的電子數也越多，飽和電流越大。
新課講解
（4）遏止電壓：陰極逸出的光電子具有初動能，因此在外加電壓調到零時仍有光電流。如果施加反向電壓，在電壓較低時也還有光電流，只有當反向電壓大于某一值時，光電流才為零，這一電壓值稱為遏止電壓Uc。
遏止電壓UC與光電子最大初動能滿足的關系為:
光電子最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關。入射光的頻率越高，光電子的最大初動能越大。
新課講解
光電效應的解釋中的疑難
按照光的電磁理論，應得出以下結論：
①不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率 ；
②光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓UC應與光的強弱有關 ；
③如果光很弱，按經典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠遠大于10-9 S。
以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。
新課講解
愛因斯坦根據普朗克的量子理論提出了光量子的概念。
二、愛因斯坦的光電效應理論
看似連續的光實際上是由個數有限、分立于空間的光子組成，每個光子的能量為 hv（h是普朗克常量，其值為6.63×10-34J·s，v是光的頻率）。光照到金屬板時，光子的能量傳遞給電子，若這份能量等于或是大于電子逸出金屬表面所需的功（W)，剛就會發生光效應現象。多出來的能量則轉化為電子離開時的動能(12????????2)。
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新課講解
①逸出功：金屬表面上的電子逸出時要克服金屬原子核的引力所做功.
②光電效應方程：hν＝W+Ek
(1)解釋極限頻率：
圖像橫截距表示極限頻率
(2)解釋飽和電流：對于同種頻率的光，光較強時，單位時間內照射到金屬表面的 光子數較多，因而飽和電流較大。
有光電子射出時
新課講解
(3)解釋遏止電壓和最大初動能：
和 UC 與光的頻率成正相關，
與光強無關！還與金屬逸出功有關。
(4)遏止電壓 Uc 與光的頻率v和逸出功 W的關系
新課講解
用愛因斯坦光子理論可很好地解釋光電效應。
光照射到金屬表面時，只有一部分電子吸收光子的能量。從光電效應方程可看出，電子吸收了光子的能量后，如果光子能量hv大于逸出功W，電子就可逸出金屬表面；如果光子能量小于逸出功，電子則不能逸出金屬表面，即使增加光的強度或照射時間，也不能使電子逸出金屬表面。這是因為增大光的強度，只是增加了吸收光子能量的電子數，單個電子吸收的光子能量仍為hv，所以電子仍不能逸出金屬表面；若增加光照射的時間，因為一個電子吸收一個光子后，在極短的時間內就可把能量傳遞給其他粒子，所以電子不可能通過能量積累逸出金屬表面。
只要光的頻率大于或等于極限頻率，電子吸收一個光子的能量就可逸出金屬表面，所以光照射到金屬表面就可立即產生光電效應。光的強度增加，單位時間內到達金屬表面的光子數增多，單位時間內吸收光子的電子數增多，逸出金屬表面的電子數也增多。
盡管每種金屬的逸出功是確定的，但電子吸收光子的能量后，向金屬表面運動經過的路徑不同，中途損失的能量也不同，所以電子逸出金屬表面時的動能不同，直接從金屬表面逸出的電子動能最大。
新課講解
三、康普頓效應
光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方向發生改變,這種現象叫做光的散射
夜晚，人們看到的探照燈或激光的光柱是空氣中的微粒對光散射形成的。
新課講解
光的波動理論認為，散射光頻率應等于入射光頻率。入射波長與散射波長應相等。
康普頓
美國物理學家康普頓研究了X射線通過石墨等較輕物質產生的散射現象，發現散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外，還有波長較長的成分，這種現象稱為康普頓效應。
康普頓假設電子是自由電子，當光子與電子相互作用時，其過程可視為彈性碰撞，既遵守能量守恒定律，又遵守動量守恒定律。在碰撞中光子將能量hv的一部分傳遞給了電子，光子的能量減少，波長變長，如圖6-8所示。
康普頓提出的理論與實驗結果相符，從而進一步說明光具有粒子性。
新課講解
四、波粒二象性
光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性。
玻恩用概率波很好地解釋了光的波粒二象性。
用很弱的光做雙縫干涉實驗
無規律
明暗條紋
上述現象可這樣解釋：光波是一種概率波，光子出現在哪個位置，受概率支配。單個光子出現在哪個位置是隨機的，因此少量光子形成的光點是無規律的。當有大量光子時，概率大的位置出現的光子多，形成亮條紋；概率小的位置出現的光子少，形成暗條紋。
新課講解
荷蘭物理學家惠更斯是光的的代表，他認為光是某種振動，以波的形式向周圍傳播。英國科學家托馬斯·楊用光的波動理論解釋了光的干涉現象，并成功地通過實驗實現了兩束光的干涉，為光的波動理論提供了實驗證據。法國科學家菲涅耳進一步發展了光的波動理論，定量計算了光通過狹窄物體和小縫隙所產生的衍射光強分布，結論與實驗結果一致。麥克斯韋提出的光是一種電磁波的學說，將光的波動說發展到了相當完美的地步。光電效應并沒有否定光是一種波。
光在與電子等物質相互作用時更多地表現為粒子性，在傳播過程中更多地表現為波動性。
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5.光電效應實驗中，若用頻率相同、強度不同的光分別照射光電管的陰極形成光電流，那么在下列光電流與電壓的關系圖像中，正確的是（ ）
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