2020-2021学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册课件：4.2光电效应21张PPT

2　光电效应
1.知道光电效应现象,了解光电效应的实验规律。
2.理解爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释,会用光电效应方程解决一些简单问
题。
3.了解康普顿效应及其意义。
4.知道光的波粒二象性。
1.光电效应的概念
照射到金属表面的光,能使金属中的①　电子????从表面逸出。这个现象称为光电
效应,这种电子常称为②　光电子????。
1 | 光电效应的实验规律
2.研究光电效应的电路图
如图,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,③　阴极K????在受到光照
时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整,电源的正负极也
可以对调。电源按图示极性连接时,闭合开关后,阳极A吸收阴极K发出的光电子,
在电路中形成④　光电流????。这导致电压U为0时电流I⑤　并不为????0。
3.光电效应的实验规律
(1)存在截止频率
当入射光的频率低于⑥　截止频率????时不发生光电效应。实验表明,不同金属的
截止频率⑦　不同????。换句话说,截止频率与金属自身的性质有关。
(2)存在饱和电流
在光照条件不变的情况下,在电流较小时电流随着正向电压的增大而⑧　增大????;
但当电流增大到一定值之后,即使电压再增大,电流也⑨　不会????再进一步增大了,
如图所示,光电流趋于一个饱和值。
光电流与电压的关系
(3)存在遏止电压
如果施加反向电压,也就是阴极K接电源正极、阳极A接电源负极,在光电管两极间形成使电子⑩　减速????的电场,电流有可能为0。使光电流减小到0的?　反向电压Uc????称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度,初速度的上限vc应满足?me?=eUc。
进一步的实验表明,同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何,遏止电压都
是?　一样????的。光的频率ν改变时,遏止电压Uc也会改变。
(4)光电效应具有瞬时性
当频率超过截止频率νc时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会?　立即????产生光
电流。精确测量表明产生电流的时间很快,即光电效应几乎是?　瞬时????发生的。
1.逸出功
要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的?　最小值????叫作这种金属的
逸出功,用W0表示。不同种类的金属,其逸出功的大小也?　不相同????。
2.光电效应与经典电磁理论的矛盾
矛盾之一:光电效应中存在?　截止频率????
按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可以获得足够能
量从而逸出表面,不应存在截止频率。
矛盾之二:光电效应中,遏止电压由入射光的?　频率????决定,与光的强弱无关
按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压Uc应该与
光的强弱有关。
矛盾之三:光电效应具有?　瞬时????性
如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需要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。
2 | 光电效应经典解释中的疑难
1.光子说
(1)内容
假定电磁波本身的能量也是?　不连续????的,即认为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,其中,h为普朗克常量。这些
能量子后来称为光子。
(2)光子能量
公式为ε=?????hν????,其中ν指光的?　频率????。
2.爱因斯坦光电效应方程
(1)爱因斯坦在光电效应中能量守恒的理论
当光子照到金属上时,它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收,金属中的电子
3 | 爱因斯坦的光电效应理论
吸收一个光子获得的能量是hν,在这些能量中,一部分大小为?????W0????的能量被电
子用来脱离金属,剩下的是逸出后电子的?　初动能????。
(2)爱因斯坦光电效应方程
Ek=?????hν-W0????,式中Ek为光电子的最大初动能,Ek=?me?。
3.爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释
(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,νc=??????????就是光
电效应的截止频率。如图所示。
?
光电效应的Ek-ν图像
(2)对于同种频率的光,光较强时,单位时间内照射到金属表面的光子数?　较多????,
照射金属时产生的光电子?　较多????,因而饱和电流?　较大????。
(3)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,而与光的强弱无
关。这就解释了遏止电压和?　光强????无关。
(4)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
乎是瞬时产生的。
4.遏止电压Uc与光的频率ν和逸出功W0的关系
利用光电子的初动能Ek=eUc和爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可以消去Ek,从而得
到Uc与ν、W0的关系,即Uc=?ν-?。
遏止电压Uc与光的频率ν之间是?　线性????关系,Uc-ν图像是一条斜率为??????????
的直线。
某金属的Uc-ν图像
1.康普顿效应
1918~1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X
射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长?　大于????λ0的成分,这个现象
称为康普顿效应。
2.康普顿效应与经典物理学理论的矛盾
按照经典物理学的理论,X射线的波长不会在散射中发生变化。因此,康普顿效应
无法用经典物理学解释。
3.用光子的模型解释康普顿效应
(1)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。这三个量之间的关系式为p=??????????。
4 | 康普顿效应和光子的动量
(2)在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把?　一部分动量????
转移给电子,因而,光子动量可能会?　变小????。从式p=?看,动量p减小,意味着波
长λ?　变大????,因此,这些光子散射后波长变大。
光子既有能量也有动量
1.在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种电磁波,从而光的?　波动????
说被普遍接受。
2.光电效应和康普顿效应重新揭示了光的?　粒子????性。
3.光既具有?　波动性????,又具有?　粒子性????。换句话说,光具有? 波粒二象性??。
5 | 光的波粒二象性
1.金属钠表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。?(?????　)
2.金属钾发生光电效应,入射光强度越大,饱和电流越大。?(　√　)
3.金属钙、钠、钾的逸出功不同,说明了金属种类不同对应的截止频率也不同。?
(　√　)
4.入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越
多。?(　√　)
提示:入射光的强度越大,光子数目越多,照射金属时产生的光电子就越多。
5.能产生光电效应的光必定是可见光。?(?????　)
提示:频率大于金属的截止频率的光可以使该金属产生光电效应,不一定是可见光。
6.经典物理学理论不能合理解释康普顿效应。?(　√　)
提示:康普顿效应与经典物理学的理论有矛盾,用光子的模型能成功解释康普顿效应。
7.光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。?????(　√　)
提示:光子不是宏观观念的粒子,不由分子、原子组成。
判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ?” 。
1 | 光电效应中的几组概念
光子的能量与入射光的强度
光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决
定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的
强度等于光子能量hν与单位时间内单位面积上入射光子数n的乘积,即入射光的强
度等于nhν。
光子与光电子
(1)光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照
射时发射出来的电子,其本质是电子。光子是光电效应的因,光电子是果。
(2)对于同一种金属,光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。
光电子的初动能、最大初动能与遏止电压
(1)光照射到金属表面时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能
向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为
光电子的初动能。
(2)只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大
初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
(3)遏止电压与光电子初速度的上限vc满足:?me?=eUc。
饱和电流、正向电压与光的强度三者之间的关系
(1)存在饱和电流的原因
在一定的光照条件下,单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的,电压增加
到一定值时,所有光电子都被阳极A吸收,这时即使再增大电压,电流也不会增大。
(2)饱和电流与正向电压的关系
从金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,
光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和电流,在一定的光照条件下,饱和电流与
所加正向电压大小无关。
(3)饱和电流与光的强度的关系
实验表明,在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这说明,对于一定
频率(颜色)的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。
2 | 爱因斯坦光电效应方程的理解及应用
情境????如图甲所示,P在最左端,没有给光电管加电压,依然有光电流。如图乙所示,
给光电管加反向电压,光电子在光电管两极间形成的电场中做减速运动。当反向
电压增加到遏止电压Uc时,光电流减小到零。增加单色光的频率,发现对应的遏止
电压Uc变大。
问题
1.当反向电压达到遏止电压Uc时,光电流为零,说明初速度最大的光电子运动到极
板A时的速度恰好为多大?
提示:速度恰好为0。
2.遏止电压Uc与光电子的最大初速度vc满足哪个与能量相关的规律?请写出相关方
程式。
提示:满足动能定理。方程式为0-?me?=-eUc。
3.综合应用爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0分析,对于同一个光电管,遏止电压Uc与
入射光的频率、强弱有什么关系?
提示:综合表达式可得Ek=?me?=eUc=hν-W0,可知,遏止电压Uc与入射光的强弱无关,
与入射光的频率有关,入射光的频率越大,遏止电压Uc越大。
爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0的四点理解
(1)爱因斯坦光电效应方程中的Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离
开金属时剩余动能大小可以是0~Ek范围内的任何数值。
(2)爱因斯坦光电效应方程实质上是能量守恒方程。
①能量为ε=hν的光子被电子吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属对它的
吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。
②如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量
守恒定律可知Ek=hν-W0。
(3)爱因斯坦光电效应方程包含了产生光电效应的条件。若发生光电效应,则光电
子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,可知hν>W0,ν>?=νc,而νc=?恰好是光
电效应的截止频率。
(4)如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线。这里,横轴上的截
距是截止频率或极限频率;纵轴上的截距是逸出功的负值;斜率为普朗克常量。