物理人教版（2019）选择性必修第三册4.2光电效应（共46张ppt）

(共46张PPT)
§2 光电效应
第四章 原子结构和波粒二象性
目录
CONTENTS
光电效应的实验规律
01
爱因斯坦的光电效应理论
光电效应经典解释中的疑难
03
02
康普顿效应和光子的动量
04
光的波粒二象性
05
思考与讨论:
把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？
观察实验：
实验现象：
光电效应：当光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。
用紫外线灯照射后，验电器张开的指针夹角会变小,说明锌板带的负电荷变少了。这意味着，紫外线会让电子从锌板表面逸出。
光电效应的实验规律
01
一、光电效应的实验规律
一、光电效应的实验规律
（1）当入射光频率减小到某一数值 c 时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。此时的光的频率 c即为截止频率！
1.存在截止频率
（2）金属要发生光电效应与入射光强弱无关，只与频率有关。
（3）入射光频率低于截止频率时，不光光照多强，金属都不会发生光电效应！
（4）不同金属的截止频率不同，截止频率与金属自身的性质有关。
2.存在饱和电流
（2）在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
（1）光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值
一、光电效应的实验规律
一、光电效应的实验规律
（1）当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称截止电压。
3.存在遏止电压
（2）对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的;光的频率 改变，遏止电压也会改变。
（3）光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。
即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，几乎在照到金属时立即产生光电流。即光电效应几乎是瞬时发生的。
4.光电效应具有瞬时性
一、光电效应的实验规律
光电效应经典解释中的疑难
02
人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢？
思考与讨论:
这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。
二、光电效应经典解释中的疑难
逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。
几种金属的截止频率和逸出功
逸出功的大小取决于金属的特性
光的经典电磁理论无法解释的光电效应的三个实验结果：
2.光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。
1.不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。
3.如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。
二、光电效应经典解释中的疑难
爱因斯坦的光电效应理论
03
1.光子：
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。
三、爱因斯坦的光电效应理论
2.爱因斯坦的光电效应方程：
一个电子吸收一个光子的能量hv后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：
——光电子最大初动能
三、爱因斯坦的光电效应理论
3.光电效应的Ek-ν图像：
①斜率k=h（普朗克常数）
②横截距νc（极限频率）
③纵截距为－W0（逸出功的负值）
4.爱因斯坦对光电效应的解释
①这个方程表明，只有当hν>W0时，光电子才可以从金属中逸出， 就是光电效应的截止频率。
③电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。
④对于同种颜色（频率相同）的光，光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。
三、爱因斯坦的光电效应理论
②这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关，而与入射光的强弱无关。这就解释了遏止电压与光强无关。
思考与讨论：
爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 Ek 与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc。
那么，怎样得到截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢
某金属的Uc-v图像
EK=hv-W0
（2）由于爱因斯坦发现了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
5.光电效应理论的验证
（1）美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。
（3）光电效应显示了：光子和其他粒子一样，也具有能量，光具有粒子性。
三、爱因斯坦的光电效应理论
康普顿效应和光子的动量
04
四、康普顿效应和光子的动量
1.光的散射：
光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。
2.康普顿效应
1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。
3.经典理论无法解释康普顿效应。
经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。
X-ray
四、康普顿效应和光子的动量
3.光子模型：
光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
爱因斯坦质能方程：
光子能量：
E=hν
四、康普顿效应和光子的动量
4.光子模型解释康普顿效应
（1）若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
（2）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。
四、康普顿效应和光子的动量
5.康普顿散射实验的意义
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。
（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。
（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。
光的波粒二象性
05
五、光的波粒二象性
1.人们对光的认识
牛顿的微粒说
惠更斯和托马斯杨的波动说
麦克斯韦的电磁理论
爱因斯坦的光子理论
2.光具有波粒二象性
(1)光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。
(2)光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。
光子能量：E=hν 粒子性
光子动量： 波动性
课堂练习
06
1．下列对光电效应规律的理解正确的是（　　）A．遏止电压与入射光频率成正比B．极限频率是能发生光电效应的最小频率C．饱和电流大小由入射光频率决定，与光照强度无关D．所有光电子的初动能都等于光电子的最大初动能
B
【答案】B
【详解】A．根据光电效应方程 又有 得 可知遏止电压与入射光频率成线性关系，不成正比。故A错误；
B.极限频率是能发生光电效应的最小频率，故B正确；
C．光的频率一定时，入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，故C错误；
D．光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量,就可能向各个方向运动，运动过程中要克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分能量转化为光电子的初动能.所以金属表面的电子，只需克服原子核的引力做功就能从金属表面逸出，那么这些光电子具有最大初动能。而不从金属表面发射的光电子，在逸出的过程中损失的能量会更多，所以此时光电子的动能小于最大初动能 。所以一般情况下光电子的动能小于等于最大初动能。故D错误。
故选B。
2．爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出“光子”概念并给出光电效应方程，密立根通过实验验证其理论的正确性。如图所示，当频率为ν的可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过，则（　　） A．用频率小于ν的可见光照射阴极K，电流表上一定没有电流通过B．当滑动变阻器的滑片位于左端时，电流表的示数一定为0C．在光照条件不变的情况下，在滑动变阻器的滑片由左向右
移动的过程中，通过电流表的电流可能先增大后不变D．对调电源的正负极，由左向右移动滑动变阻器的滑片，当电流表的示数刚减小到零时，电压表的示数为5.6V，则阴极K金属的逸出功是5.6eV
C
【答案】C
【详解】A．因不知阴极K的极限频率，用频率小于ν的可见光照射阴极K，可能发生光电效应，电流表可能有电流通过，故A错误；
B．当滑动变阻器的滑片位于左端时，由于发生了光电效应，即使A、K间的电压为零，电流表中也有电流通过，故B错误；
C．当滑动变阻器的滑片由左向右移动时，阳极吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极时，电流达到最大，即饱和电流，通过电流表的电流可能先增大后不变，故C正确；
D． 对调电源的正负极，加的是反向电压，电流表的示数刚减小到零时，阴极K逸出的光电子的最大初动能 故D错误。故选C。
3．在如图所示的光电管的实验中（电源正负极可以对调），用同一光电管得到了三条可见光的光电流与电压之间的关系曲线（图二中的甲光、乙光、丙光）。下列说法中正确的有（　　）A．同一光电管对不同颜色的单色光有各自不同的截止频率B．图二中如果乙光是黄光，则丙光可能是红光C．由图二可判断，丙光激发的光电子的最大初动能最大D．在图一中电流表G的电流方向可以是b流向a
C
【答案】C
【详解】A．光电管的截止频率由光电管本身决定，与入射光的颜色无关，故A错误；
BC．三种光中，当丙光照射光电管，遏止电压最大，即光电子的最大初动能较大，根据光电效应方程 知丙光的频率最大，如果乙光是黄光，则丙光不可能是红光，丙光激发的光电子的最大初动能最大，故B错误，C正确；
D．光电子从光电管的右端逸出，流过电流表G的电流方向为a到b，故D错误。
故选C。
4．图甲是探究“光电效应”实验电路图，某光电管遏止电压Uc随入射光频率v的变化规律如图乙所示。下列判断正确的是（ ） A．入射光的频率v不同，遏止电压Uc相同B．入射光的频率v不同，光照强度不同，Uc-v图像的斜率相同C．图甲所示电路中，当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流D．增大入射光的光照强度，光电子的最大初动能一定增大
B
5．如图所示是某种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能Ek与入射光频率v的关系图线，a、b均为已知量（a>0，b>0）。由图线可知（　　）A．该金属的逸出功W0=aB．斜率表示普朗克常量的倒数C．图中a与b的值与入射光的强度、频率均有关D．若入射光频率为3b，则光电子的最大初动能为3b
A
【答案】A【详解】A．根据爱因斯坦光电效应方程知Ek=hv-W0由图可知，当v=0时，则有-a=0-W0所以W0=a故A正确；B．根据爱因斯坦光电效应方程可知，斜率表示普朗克常量，故B错误；C．根据A的分析可以知道，a等于金属的逸出功，所以图中a与b的值与入射光的强度、频率均无关，故C错误；D．若入射光频率为3b，则光电子的最大初动能为2a，故D错误。故选A。
6．用强度相同的红光和蓝光分别照射同一种金属，均能使该金属发生光电效应．下列判断正确的是（ ）A．用红光照射时，该金属的逸出功小，用蓝光照射时该金属的逸出功大B．用红光照射时，逸出光电子所需时间长，用蓝光照射时逸出光电子所需时间短C．用红光照射时，逸出的光电子最大初动能小，用蓝光照射时逸出的光电子最大初动能大D．若增加入射光的强度，逸出的光电子最大初动能相应增加
C
【答案】C【详解】强度相同的红光和蓝光分别照射同一种金属，均能使该金属发生光电效应，知红光和蓝光的频率都大于金属的截止频率．金属的逸出功与照射光的频率无关．故A错误；发生光电效应的时间极短，即逸出光电子在瞬间完成，小于10-9s，与光的频率无关，故B错误；根据光电效应方程得，Ekm=hv-W0，金属的逸出功不变，红光的频率小，蓝光的频率大，则蓝光照射时逸出的光电子最大初动能大，与光照强度无关，故C正确，D错误．故选C
7．已知能使某金属产生光电效应的极限频率为v0，则下列判断正确的是（　　）A．当用频率为2v0的光照射该金属时，一定能产生光电子B．当用频率为2v0的光照射该金属时，产生的光电子的最大初动能为2hv0C．当照射光的频率大于v0时，若频率增大，则逸出功增大D．当照射光的频率大于v0时，若频率增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
A
【答案】A【详解】AB．当用频率为2v0的单色光照射金属时，入射光频率大于极限频率，一定能产生光电子，根据光电效应方程Ek=2hv0-W0其中W0=hv0得最大初动能为Ek=hv0故A正确，B错误；C．逸出功与入射光的频率无关，故C错误；D．根据光电效应方程Ek=hv0-W0最大初动能与入射光频率不成正比，故D错误。故选A。
4．康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现散射的X射线中，除了有与入射波长相同的成分外，还有其他波长的X射线，这是由入射光子与晶体中的电子碰撞引起的。已知普朗克常量为h。下列说法错误的是（　　）A．康普顿效应揭示了光的粒子性B．光子散射后波长变大C．光子与电子碰撞后速度变小D．若碰撞后电子的动量为p，则其物质波波长为
C
【答案】C【详解】A．康普顿效应揭示了光的粒子性，选项A正确，不符合题意；B．光子散射后能量减小，则频率减小，波长变大，选项B正确，不符合题意；C．X射线是电磁波，则光子与电子碰撞后速度不变，选项C错误，符合题意；D．若碰撞后电子的动量为p，则其物质波波长为 选项D正确，不符合题意。故选C。
感谢观看！