鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第6章 第1节 光电效应及其解释课件 40 张PPT

课标要求
1.通过实验，了解光电效应现象。
2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。
3.能根据实验结论说明光的波粒二象性。
4.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。
5.体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。
第1节　光电效应及其解释
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度与责任
1.了解光电效应和光电效应的实验规律及应用。
2.理解光子说，掌握爱因斯坦光电效应方程，并能利用它解决光电效应的有关问题。
3.理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波。
?
1.理解光电效应实验规律与波动理论的矛盾。
2.能用爱因斯坦光子理论对光电效应的实验规律进行解释。
了解光电效应在自动化控制和光电成像等领域的应用。
知识点一　光电效应
1.光电效应现象
在光的照射下电子从物体表面逸出的现象称为 ，这种逸出的电子称为 。
光电效应
光电子
2.光电效应实验规律
(1)当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生 ，这一频率称为极限频率。极限频率与金属的种类有关。只有当入射光的频率______________极限频率，才会产生光电效应；若入射光的频率小于极限频率，即使增加_________或 ，也不能产生光电效应。
(2)从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔 ，通常在10－9 s内。
光电效应
大于或等于
光的强度
照射时间
很短
(3)产生光电效应时，在 不变的情况下，光电流随电压的增大而 ，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值，即为 。在光频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内逸出的电子数也 ，饱和电流越大。
(4)如果施加反向电压，当反向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称为
。遏止电压Uc与光电子最大初动能满足的关系为：___________。光电子最大初动能与入射光的 有关，与入射光的 无关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。
光照强度
增大
饱和电流
越多
遏止电压
频率
强度
[思考判断]
(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。( )
(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。( )
(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关。( )
×
×
√
知识点二　光电效应的解释与应用
1.光电效应的理论解释
光子
hν
能量
逸出功
最大初动能
2.光电效应的应用
(1)光电开关：控制电路的 或 。
(2)光电成像：原理是利用光电效应将 转化成 ，然后再将 转化成 。例如：红外线成像。
接通
断开
光信号
电信号
电信号
光信号
[思考判断]
(1) 爱因斯坦认为光的能量是一份一份的。( )
(2)逸出功的大小与入射光无关。( )
(3)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。( )
√
√
×
知识点三　光的波粒二象性
1.光具有波粒二象性：光子既有 ，又有 。
2.光波是一种 。通过双缝后，光子出现在哪个位置，受概率支配。单个光子出现在哪个位置是 的，因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时，概率大的位置出现的光子多，形成 ；概率小的位置出现的光子少，形成 。
3.光的波动性和粒子性不是均衡表现的，波长较长时，光子的 和 很小，波动性比较 ，波长越长，波动性越 。光在与电子等物质相互作用时表现为 性，在传播过程中更多地表现为 性。
粒子的特征
波的特征
概率波
随机
亮条纹
暗条纹
能量
动量
明显
明显
粒子
波动
[思考判断]
(1)光子数量越大，其粒子性越明显。( )
(2)光电效应说明光具有波动性。( )
(3)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。( )
×
×
√
[问题探究]
如图甲是研究光电效应现象的装置图，图乙是研究光电效应的电路图，请结合装置图及产生的现象回答下列问题：
核心要点
光电效应的理解
(1)在甲图中发现，利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？
(2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？
答案　(1)金属能否发生光电效应，决定于入射光的频率，与入射光的强度无关。
(2)发生光电效应时，当入射光频率不变时，飞出的光电子个数只与光的强度有关。
[探究归纳]
1.光电效应实验规律与波动理论的矛盾
(1)能否发生光电效应与入射光的频率有关，与光的强弱无关。波动理论认为光的强度由光波的振幅决定，与频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应。但事实并非如此。
(2)光电子的最大初动能，只与光的频率有关。波动理论认为入射光的强度越大，逸出的光电子的最大初动能越大。
(3)光电效应具有瞬时性：按照波动理论，电子能量的增加应该有个积累过程，大约需要几分钟时间，电子才能逸出金属表面。而实验表明：无论入射光怎样弱，只要能发生光电效应，从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，几乎是瞬时的。
2.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释
(1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，电子获得一个光子的能量为hν，若光子能量大于等于金属的逸出功，则能够发生光电效应，若光子能量小于金属的逸出功，即使增大光强，也不能够发生光电效应，所以金属要发生光电效应，入射光光子的能量存在一个最小值，即入射光的频率存在一个最小值。
(2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的。如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出。一个电子只吸收一个光子，且不累积吸收。
3.光电效应规律中的两个关系
[经典示例]
[例1] (多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是(　　)
A.保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B.入射光的频率变高，饱和光电流变大
C.入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D.保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
解析　保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内光电子变多，饱和光电流变大，A正确；据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W可知，入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和光电流不变，B错误，C正确；当hν答案　AC
[针对训练1] 利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则(　　)
A.用紫外线照射，电流表不一定有电流通过
B.用红光照射，电流表一定无电流通过
C.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到M端时，电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向N端滑动时，电流表示数可能不变
解析　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A错误；因不知阴极K的极限频率，所以用红光照射时，不一定发生光电效应，所以选项B错误；即使UAK＝0，电流表中也有电流，所以选项C错误；当滑动触头向N端滑动时，UAK增大，阳极A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A时，电流达到最大，即饱和电流。若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，所以选项D正确。
答案　D
[问题探究]
用如图所示的装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑片，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为0。
核心要点
光电效应方程的理解和应用
(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？
(2)光电管阴极的逸出功又是多少？
(3)当滑片向a端滑动时，光电流变大还是变小？
(4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？
[探究归纳]
1.三个关系
(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W。
(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止电压。
(3)光电效应方程中的W为逸出功，它与极限频率νc的关系是W＝hνc。
2.四类图像
图像名称
图线形状
读取信息
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①极限频率(截止频率)：横轴截距
②逸出功：纵轴截距的绝对值W＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①极限频率νc：横轴截距
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：横轴截距
②饱和光电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能
Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
[经典示例]
[例2] 用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν 的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a，0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)，下列说法中正确的是(　　)
答案　B
[针对训练2] 在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出(　　)
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光的频率大于丙光的频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能
答案　B
核心要点
光的波粒二象性
[问题探究]
用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像。
(1)图像甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？说明了什么问题？
(2)图像乙是曝光时间稍长情况，当光子数较多时落在哪些区域的概率较大？可用什么规律来确定？
(3)图像丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？怎样解释上述现象？
答案　(1)当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明了光具有粒子性。
(2)落在亮条纹区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定。
(3)体现了光的波动性。综合上面三个图像可知，少量光子呈现粒子性，大量光子呈现波动性，而且光是一种概率波。
[探究归纳]
?
实验基础
表现
说明
光的波动性
光的干涉和衍射
1.大量光子产生的效果显示出波动性
2.频率较低的光在传播时，表现出波的性质
1.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的
2.光的波动性不同于宏观概念的波
光的粒子性
光电效应、康普顿效应
1.当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性
2.少量或个别光子容易显示出光的粒子性
1.粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
2.光子不同于宏观概念的粒子
说明
对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越强
[经典示例]
[例3] (多选)下列关于光的波粒二象性的理解正确的是(　　)
A.大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子，低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著
解析　光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，D正确；大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，A正确；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，C错误。
答案　AD
[针对训练3] 下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　)
A.有的光是波，有的光是粒子
B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D.大量光子的行为往往显示出粒子性
解析　一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子。
虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量；电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著。综上所述，本题正确答案为选项C。
答案　C