高中物理选修3-5人教版17.2光的粒子性（共27张ppt）

(共27张PPT)
第2节：光的粒子性
太阳能是比较环保又很经济的能源，利用太阳能电板可以将太阳光转化成电能储存起来，充当电源。那么光是什么呢，那么本节课我们就一起来学习。
把一块锌板连接在验电器上，用紫外线照射锌板，观察验电器指针的变化。
使验电器张角增大到约为
30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电!
定义：当光线照射在金属表面时，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。
光电子定向移动形成的电流叫光电流。
一、光电效应现象
1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接
收电路的间隙如果受到光照就更容易产生电火花。这就
是最早的光电效应。
后来经过汤姆逊等多名科学家的实验研究，证实了
这个现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子
从表面逸出，这个现象就叫光电效应。
二、光电效应的实验规律
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。
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。
阳极
阴极
－
v
加反向电压，如图所示：
光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子做减速运动。若
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
遏止电压
Uc
：使光电流减小到零的反向电压
E
E
U
F
K
A
速率最大的是
vc
最大初动能
光电效应伏安特性曲线
I
Is1
Uc1
O
U
黄光(强)
黄光(弱)
遏止电压
饱和电流
蓝光
Uc2
Is2
Is3
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
ν
改变时，遏止电压也会改变。
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。
截止频率：对于每种金属，都有相应确定的截止频率
νc
。
当入射光频率
ν
>
νc
时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率
ν
<
νc
时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
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极限频率，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
秒
(
这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”)。
光电效应在极短的时间内完成！
3.
具有瞬时性
勒纳德等人通过实验得出以下结论
1.
对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；
4.
入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过
10─9
秒。
3.
光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；
2.
当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；
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。
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
三、光电效应解释中的疑难
1.
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。
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。
按照光的电磁理论，可以得到以下结论：
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
2.
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10-9
s。
1.
内容：光不仅在发射和吸收时以能量为
hν
的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为
ν
的光是由大量能量为
ε
=
hν
的光子组成的粒子流组成的，这些光子沿光的传播方向以光速
c
运动。
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功
W0
，另一部分变为光电子逸出后的动能
Ek
。由能量守恒可得出：
2.
爱因斯坦光电效应方程
四、爱因斯坦的光量子假设
W0
为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；
为光电子的最大初动能。　　
　　　　
3.
光子说对光电效应的解释
(2)
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。
(3)
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。
(1)
爱因斯坦方程表明，光电子的初动能
Ek
与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当
hν
>
W0
时，才有光电子逸出，vc=
W0
/h
就是光电效应的截止频率
。
4.
光电效应理论的验证
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。
爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖
密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖
。
放大器
控制机构
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。
五、光电效应在近代技术中的应用
1.
光控继电器
可对微弱光线进行放大，可使光电流放大
105
~
108
倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。
2.
光电倍增管
1.
光电效应现象
2.
光电效应实验规律
4.
爱因斯坦的光电效应方程
3.
光电效应解释中的疑难
5.
光电效应在近代技术中的应用
1.
在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时
(
)
A.
锌板带正电，指针带负电
B.
锌板带正电，指针带正电
C.
锌板带负电，指针带正电
D.
锌板带负电，指针带负电
B
2.
一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则
下列措施中可能使该金属产生光电效应的是(
)
A.
延长光照时间
B.
增大光束的强度
C.
换用红光照射
D.
换用紫光照射
D
3.
根据图所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。
解：当入射光频率分别为
ν1、ν2
时，测出遏止电压
U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得
联立上两式，解得
其中
e
为电子的电量，测出
U1与
U2就可测出普朗克常量
实验步骤：
将图中电路图的电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑
至最左边，用频率为
ν1
的光照射，此时电流表中有电流;
将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数U1
。
(2)
用频率为
ν2的光照射，重复(1)的操作，记下伏特表的
示数U2。
(4)
多次测量取平均值。
(3)
应用
计算
h。