17.2 光的粒子性—人教版高中物理选组3-5课件 (共24张PPT)

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1.常考点:
光电效应实验规律、光电效应方程的应用及有关图像问题
2.题型及难度:
多以选择题形式考查,难度中等
17.
2
光的粒子性
1.光电效应现象
19世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论,明确了光的电磁说,同时赫兹也最早发现了光电效应现象。
(1)演示:如图所示,用紫外线灯照射锌板,与锌板相连
的验电器就带正电,这说明锌板在光的照射下发射了电子。
(2)定义:在光(包括不可见光)的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应。
发射出来的电子叫做光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。
深度理解:
(1)光电效应的实质:光现象转化为电现象;
(2)使锌板发射电子的光是紫外线灯发出的紫外线.
一、光电效应的实验规律
2.光电效应实验
(1)实验目的
研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。
(2)光电效应的实验装置
如图所示,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的
两个电极,阴极K在受到光照时能够发射电子。电源加
在K与A之间的电压大小可以调整,正负极也可以对调,
当电源按图示极性连接时,阳极A吸收阴极K发出的电子,在电路中形成光电流。
一、光电效应的实验规律
阳极
阴极
①
存在饱和电流
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。
因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。
阳极
阴极
实验表明：
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。
一、光电效应的实验规律
(3)光电效应的实验结论
(3)光电效应的实验结论
在入射光强度和频率不变的情况下,I-U曲线如图所示,曲线表明,当加速电压U增大到一定值时,光电流达到饱和值,这是因为单位时间内从阴极K射出的电子全部到达阳极A,若单位时间从阴极K上逸出的光电子数目为n,则饱和电流
l
m
=
ne
,式中e为电子电荷量.
一、光电效应的实验规律
：使光电流减小到零的反向电压
－
+
+
+
+
+
+
一
一
一
v
加反向电压，如右图所示：
光电子作减速运动。若速率最大的记为vC
最大的初动能
U=0时，I≠0，
因为电子有初速度
则I=0，式中UC为遏止电压
②存在遏止电压和截止频率
a.存在遏止电压UC
E
E
U
F
K
A
一、光电效应的实验规律
I
Is
Uc2
O
U
黄光（强）
黄光（弱）
光电效应伏安特性曲线
遏
止
电
压
饱
和
电
流
蓝光
Uc1
实验表明:
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?
改变时，遏止电压也会改变。
一、光电效应的实验规律
实验结论：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。
(3)光电效应的实验结论
另外,当电压U减小到零,并开始施加反向电压时,光电流并没有减小到零,这表明从阴极逸出的电子具有初动能.所以尽管电场阻碍光电子运动,仍有部分光电子到达阳极A,但当反向电压等于Uc时,就能阻止所有的光电子飞向阳极A,使光电流降为零,此时的反向电压叫做遏止电压(也称截止电压),它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差,那么就能根据遏止电压U来确定电子的最大初速度和最大初动能,即
一、光电效应的实验规律
②存在截止频率:在用相同频率、不同强度的光去照射阴极K时,得到的I-U曲线如图所示(Io1、
Io2
、
Io3
表示入射光的强度),它显示了对于不同强度的光,UC
是相同的,
Im是不同的,这说明相同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的,饱和电流
I
是不同的。此外,用相同强度、不同频率的光去照射阴极K时,实验结果是频率越高,
UC
越大,如图甲所示;还得到了遏止电压UC
与入射光频率v的图线呈线性关系,如图乙所示频率低于
vc
的光不论光强多大,都不能产生光电子,因此vc
称为截止频率,对于不同材料,其截止频率不同。
一、光电效应的实验规律
（1）饱和电流和入射光的强度的关系
入射光越强，饱和电流越大。即饱和电流的大小和的强度成正比,也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。
一、光电效应的实验规律
3.光电效应的实验规律
要点解读：
①光越强,包含的光子数越多,照射金属时产生的光电子就多,因而饱
和电流大;
②入射光的强度,指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量,在入射光频率不变的情况下,光强与光子数成正比;
③单位时间内发射出来的电子数由光强决定。
一、光电效应的实验规律
(2)光电子的最大初动能与入射光强度的关系
光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光的强度无关,只与入射光的频率有
关,频率越高,光电子的最大初动能越大。
(3)光电效应的产生与入射光的频率和光强的关系
①任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应;
②频率低于v的入射光,无论光的强度多大照射时间多长都不能使光电子逸出。
入射光强度
入射光频率
决定着
发生光电效应时,单位时间内发射出来的光电子数
决定着
是否产生光电效应及发生光电效应时光电子的最大初动能
实验结果：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截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。
更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9
s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。
结论：光电效应在极短的时间内完成。
(4)光电效应的瞬时性
阳极
阴极
一、光电效应的实验规律
1.光的电磁理论只能部分地解释光电效应
利用光的电磁理论(经典波动理论)能够解释:
(1)逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值；
(2)光越强,光电流越大。
2.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾
二、光电效应的理论解释
按照光的电磁理论解释
光电效应实验结果
矛盾1
光能由振幅决定,与光频率无关。只要光强足够大(不论人射光的频率多大),总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应。
存在截止频率vc
:
若v,无论光强有多大,都不能发生光电效应。
二、光电效应的理论解释
按照光的电磁理论解释
光电效应实验结果
矛盾2
光强越大,电子可获得的能量越多,光电子的最大初动能也应该越大,遏止电压也应越大,即出射电子的最大初动能应该由光强来决定。
光电子的最大初动能、遏止压都与光强无关,而与频率有关。
矛盾3
光强大时,电子能量积累的时间就短,光强小时,能量积累的时间就长。
具有瞬时性:当入射光照射到光电管阴极时,无论光强怎样,光电子几乎是瞬间产生的
2.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾
3.爱因斯坦光电效应方程
(1)光子说:
爱因斯坦于1905年提出,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。
光子的能量跟它的频率成正比,即
,式中
h
叫普朗克常量(h=6.63×10-34J·s)
(2)光电效应方程:
Ek
=
–W0
其中
Ek=
为光电子的最大初动能,
W0为金属的逸出功。
二、光电效应的理论解释
(3)对光电效应方程的理解
①式中Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时的动能大小可以是
0~
Ek
范围内的任何数值。
②光电效应方程表明,光电子的最大初动能与入射光的频率v呈线性关系(注意不是正比关系),与光强无关。
③光电效应方程包含了产生光电效应的条件,即
Ek
=
–W0
>0,
亦即>
W0,
>=
c
,
而c
=
就是被照射金属的极限频率.
④光电效应方程实质上是能量守恒方程.
⑤逸出功W0
:电子从金属中逸出所需要克服束缚而消耗的能量的最小值,叫做金属的逸出功.光电效应中,从金属表面逸出的电子消耗能量最少.
二、光电效应的理论解释
4.光子说对光电效应现象的解释
(1)由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量,而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为.如果光的频率低于金属的极限频率,则光子提供给电子的能量不足以使电子克服原子核的束缚,就不能发生光电效应.
(2)对于某一金属,逸出功是一定的,要产生光电效应,入射光的频率必须高于金属的极限频率(c
=
),当光子的频率高于金属的极限频率时能量传递给电子后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光电子的动能形式存在,这样光电子的最大初动能
Ek
==–W0.
二、光电效应的理论解释
(3)电子吸收能量的过程极其短暂,吸收能量后瞬间挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬时的.
(4)发生光电效应时,单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比,光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多,那么逸出的光电子数目也就越多,所以光电流也就越大.
二、光电效应的理论解释
4.光子说对光电效应现象的解释
1.光的散射
光在介质中与物质微粒的相互作用使光的传播方向发生改变的现象:叫做光的散射。
2.康普顿效应
在散射光中,除有与入射波长相同的成分外,还有波长大于的成分,这个现象称为康普顿效应。
3.光子说对康普顿效应的解释
假定x射线的光子与电子发生完全弹性碰撞,这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说可知,一个X射线光子不碰撞前碰撞后仅具有能量E=
,而且还有动量.如图所示,一个光子与静止的电子发生弹性碰撞,光子把部分能量转移给了电子,能量由减小为’,因此频率减小,波长增大,同时,光子还使电子获得一定的动量,这样就圆满地解释了康普顿效应。
三、康普顿效应
4.光子的动量
光子不仅具有能量,还具有动量,根据狭义相对论可知:E=mc2,
m=
。
光子的能量
E
=
,则光子的动量
p
=
mc
=
。
根据波长与频率和波速的关系式
=,
可知光子的动量为P=
。
式中h为普朗克常量,为光波的波长.
注意:
(1)在光的散射中,光子不仅具有能量,也具有动量,在与其他微粒作用过程中遵守能量守恒定律和动量守恒定律。
(2)光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性。
三、康普顿效应
1.构造
光电管的种类很多,如图所示是具有代表性的一种,玻璃泡里的空气已被抽出,有时管内充有少量的惰性气体。管的内半壁涂有碱金属作为阴极K,管内另有一阳极A,使用时采用如图所示的电路。
四、光电管的构造和工作原理
2.工作原理
当光照射到阴极K上时,由于发生光电效应,就有电子从阴极上发射出来,在电场力作用下到达阳极A,因而电路中就有电流流过照射光的强度不同,阴极发射的电子数不同,电路中的电流就不同.所以,利用光电管可将光信号转化为电信号.光电管产生的光电流很弱,应用时可用放大器进行放大。
3.应用
利用光电管可以实现自动化控制,制作有声电影,实现无线电传真,光电扫描,自动计数等。
四、光电管的构造和工作原理
一、光电效应的基本规律
1.光电效应现象
2.光电效应实验规律
(2)存在遏止电压和截止频率
(1)存在饱和电流
(3)具有瞬时性
二、光电效应解释中的疑难
课堂小结
（3）光子说对光电效应的解释
（2）爱因斯坦的光电效应方程
三、爱因斯坦的光电效应方程
（1）光子：
四、康普顿效应
光子的动量
作业
1.先复习今天所讲基础内容完成本节大小本；
2.完成习题课课件
。