高中物理 5.1 光电效应同步课件 鲁科版选修35.ppt

第1节光电效应 光电效应 1 了解光电效应和光电效应的实验规律 以及光电效应与电磁理论的矛盾 2 知道爱因斯坦光电效应方程及其意义 并会用来解决简单的问题 3 了解光电效应的应用 在光的照射下电子从物体表面逸出的现象称为 从金属表面逸出的电子叫做 1 每一种金属对应一种光的最小频率 又称 只有当光的频率 这个最小频率时 才会产生光电效应 当光的频率 这个最小频率时 即使增加光的 或照射 也不能产生光电效应 一 光电效应的产生 光电效应现象 光电效应实验规律 光电效应 光电子 极限频率 大于或等于 小于 时间 强度 2 产生光电效应时 单位时间内逸出金属表面的电子数与 光的强度越大 单位时间内逸出的电子数 3 从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔 通常可在10 9s内发生光电效应 光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的 而且光本身就是由一个个不可分割的 组成的 这些能量子被称为 频率为 的光子的能量为 二 光电效应的理论解释 光的强度有关 越多 很短 能量子 h 光子 光电效应方程 1 表达式 或 2 物理意义 金属中电子吸收一个光子获得的能量是h 这些能量一部分用于克服金属的 剩下的表现为逸出后电子的 三 光电效应的应用 光电开关 控制电路的 或 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 光电池 硅半导体太阳电池 h ek w ek h w 逸出功w 动能ek 接通 断开 光信号 电信号 电信号 光信号 光子与光电子 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 光电子的动能与光电子的最大初动能 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 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 一 正确理解光电效应中的五组概念 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 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e h 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 入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积 光电流和饱和光电流 1 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 这个饱和值是饱和光电流 在一定的光照条件下 饱和光电流与所加电压大小无关 2 i u曲线 如图5 1 1所示的是光电流强度i随光电管两极板间电压u的变化曲线 图中im为饱和光电流 uc为遏止电压 光的强度与饱和光电流 饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的 对于不同频率的光 由于每个光子的能量不同 饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系 图5 1 1 1 式中的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 光电效应方程实质上是能量守恒方程 能量为e h 的光子被电子所吸收 电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引 另一部分就是电子离开金属表面时的动能 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 h w0 二 光电效应方程及其规律 光电效应方程ek h w0的理解 3 光电效应方程包含了产生光电效应的条件 图5 1 2 4 ekm 曲线 如图5 1 2所示是光电子最大初动能ekm随入射光频率 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 1 由爱因斯坦光电效应方程可以看出 光电子的最大初动能ek和入射光的频率 有关 且成线性关系 而与光的强弱无关 只有当h w0时 才有光电子逸出 2 金属电子一次性吸收光子的全部能量 不需要积累能量的时间 所以光电流几乎是瞬时产生的 3 光较强时 包含的光子数较多 照射金属时产生的光电子较多 所以饱和电流较大 光子说对光电效应的解释 光电效应实验的装置如图5 1 3所示 用弧光灯照射锌板 验电器指针张开一个角度 则下列说法中正确的是 a 用紫外光照射锌板 验电器指针会发生偏转b 用绿色光照射锌板 验电器指针会发生偏转c 锌板带的是负电荷d 使验电器指针发生偏转的是正电荷 典例1 光电效应现象及演示实验 图5 1 3 解析将擦得很亮的锌板连接验电器 用弧光灯照射锌板 弧光灯发出紫外线 验电器指针张开一个角度 说明锌板带电 而且锌板带的是正电 这说明在紫外线照射下 锌板中有一部分自由电子从表面飞出来 锌板中缺少电子 于是带正电 a d对 c错 绿光不能使锌板发生光电效应 b错 答案ad借题发挥明确演示实验中验电器指针张开角度的原因是因为紫外线使锌板发生了光电效应 一验电器与锌板相连 如图5 1 4所示 用一紫外线灯照射锌板 关灯后 验电器指针保持一定偏角 1 现用一带负电的金属小球与锌板接触 则验电器指针偏角 变式1 图5 1 4 将 填 增大 减小 或 不变 2 使验电器指针回到零 再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板 验电器指针无偏转 那么 若改用强度更大的红外线灯照射锌板 可观察到验电器指针 填 有 或 无 偏转 解析当用紫外线灯照射锌板时 锌板发生光电效应 锌板放出光电子而带上正电 此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电 故指针发生了偏转 当带负电的小球与锌板接触后 中和了一部分正电荷 从而使验电器的指针偏角减小 使验电器指针回到零 用钠灯发出的黄光照射锌板 验电器指针无偏转 说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率 而红外线比黄光的频率还要低 更不可能使锌板发生光电效应 能否发生光电效应与入射光的强弱无关 答案 1 减小 2 无 入射光照射到某金属表面上发生光电效应 若入射光的强度减弱 而频率保持不变 那么 a 从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加b 逸出的光电子的最大初动能将减小c 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少d 有可能不发生光电效应 典例2 光电效应规律及其解释 解析发生光电效应几乎是瞬时的 选项a错误 入射光的强度减弱 说明单位时间内的入射光子数目减少 频率不变 说明光子能量不变 逸出的光电子的最大初动能也就不变 选项b错误 入射光子的数目减少 逸出的光电子数目也就减少 故选项c正确 入射光照射到某金属上发生光电效应 说明入射光频率不低于这种金属的极限频率 入射光的强度减弱而频率不变 同样能发生光电效应 故选项d错误 答案c 用同一束单色光 在同一条件下 先后照射锌片和银片 都能产生光电效应 在这两个过程中 对下列四个量 一定相同的是 可能相同的是 一定不相同的是 a 光子的能量b 金属的逸出功c 光电子动能d 光电子最大初动能解析光子的能量由光频率决定 同一束单色光频率相同 因而光子能量相同 逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功 因此只由材料决定 锌片和银片的光电效应中 光电子的逸出功不同 由ekm h w 照射光子的能量h 相同 逸出功w不同 则电子最大初动能 变式2 不同 由于光电子吸收光子后逸出路径不同 途中损失动能不同 因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间 所以 在两个不同光电效应的光电子中 有时初动能是可能相等的 答案acbd 典例3 光电效应方程的理解与应用 借题发挥要正确解答此类问题 一定要深刻理解光子说和爱因斯坦光电效应方程 从阴极飞出的光电子的数量与光强有关 光电子的最大初动能与入射光的频率有关 与光强无关 图5 1 5所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线 直线与横轴的交点坐标为4 27 与纵轴的交点坐标为0 5 由图可知 a 该金属的截止频率为4 27 1014hzb 该金属的截止频率为5 5 1014hzc 该图线的斜率表示普朗克常量d 该金属的逸出功为0 5ev 变式3 图5 1 5 解析根据光电效应方程ek h w0可知 图线的斜率表示普朗克常量 图线与 轴的交点对应的频率表示截止频率 ek 图象中 0时对应的ek的值表示逸出功的负值 易知该金属的逸出功不等于0 5ev 所以选项a c正确 答案ac 在做光电效应演示实验时 把某金属板连在验电器上 第一次用弧光灯直接照射金属板 验电器的指针张开一个角度 第二次在弧光灯和金属板之间插入一块普通玻璃 再用弧光灯照射 验电器的指针不张开 由此可判定 使金属板产生光电效应的是弧光灯中的 a 可见光成分b 红外线成分c 无线电波成分d 紫外线成分解析因为玻璃不能挡住可见光 且红外线与无线电波频率都比可见光小 故d对 答案d 光电效应现象及演示实验 1 2010 江苏 研究光电效应的电路如图5 1 6所示 用频率相同 强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板 阴极k 钠