山东省成武一中高中物理 17.2 光的粒子性课件 新人教版选修35.ppt

知识与技能1 理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾 2 知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾 3 理解光子说及其对光电效应的解释 4 理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题 过程与方法经历光的粒子性创立过程 情感 态度与价值观培养用新思想 新理论 新观念解决疑难问题的思想方法 1 照射到金属表面的光 能使金属中的 从表面逸出 这个现象称为光电效应 2 光电效应的规律 1 存在着 电流实验表明 入射光越强 饱和电流越大 这表明入射光越强 单位时间内发射的光电子数 2 存在着遏止 和截止 实验表明 光电子的能量只与入射光的 有关 入射光的频率低于截止频率时 发生光电效应 3 光电效应具有 3 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的 叫做这种金属的逸出功 用 表示 不同金属的逸出功 同 4 光子说 电磁辐射的本身就是 光不仅在发射和吸收能量是 而且光本身就是一个个 的能量子组成的 频率为 的光的能量子为 h为普朗克常量 这些能量子后来称为 5 爱因斯坦光电效应方程 式中ek为光电子的 ek 6 美国物理学家康普顿在研究 的散射时 发现在散射的x射线中 除了与入射波长 0相同的成分外 还有波长 0的成分 这个现象称为康普顿效应 7 光子除了能量之外还具有动量 光子的动量p 知识点1光电效应的实验规律 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 如图17 2 1所示 用弧光灯照射锌板 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 定义 在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 图17 2 1 说明 光电效应的实质 光现象电现象 定义中的光包括不可见光和可见光 使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线 2 光电效应的实验规律 可以用如图17 2 2所示电路研究光电效应中光电流与照射光的强弱 光的颜色 频率 等物理量间的关系 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在光照射时能够发射电子 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 图17 2 2 发生光电效应时 入射光越强 饱和电流越大 即入射光越强 单位时间内发射的光电子数越多 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 入射光的频率越高 光电子的最大初动能越大 每一种金属都有一个截止频率 或极限频率 0 入射光的频率必须大于 0才能发生光电效应 频率低于 0的入射光 无论光的强度有多大 照射时间有多长 都不能发生光电效应 不同金属的截止频率不同 光电效应的发生是瞬时的 不超过10 9s 知识点2光电效应解释中的疑难 1 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值 用w0表示 不同金属的逸出功不同 2 光电效应与光的电磁理论的矛盾 例1 入射光照射到某金属表面上发生了光电效应 若入射光的强度减弱 而频率保持不变 则下列说法中正确的是 a 从光照射到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 答案 c 解析 入射光的强度取决于入射光子数和入射光的频率 入射光的频率保持不变 强度减弱 单位时间入射光子数将减少 但光子的能量不变 可见仍能发生光电效应 发生光电效应时 光电子的产生几乎都是瞬时的 与入射光强度无关 故a d错误 根据爱因斯坦光电效应方程 逸出光电子的最大初动能与入射光的频率有关 跟入射光的强度无关 所以b也是错误的 由于逸出电子与入射光子的一对一的关系 当光的强度减弱时 单位时间入射光子数减少 因此单位时间内逸出的光电子数也将减少 对应训练 1 光电效应实验的装置如图17 2 3所示 则下面说法中正确的是 图17 2 3 a 用紫外线照射锌板 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 解析 用紫外线照射连接灵敏验电器的锌板 验电器的指针就张开一个角度 进一步验证知道锌板带的是正电 这是由于在紫外线照射下 锌板中有一部分自由电子从表面飞出去 锌板缺少电子 于是带正电 验电器与锌板相连 验电器也带正电 所以选项a d正确 而c选项错误 因红外线频率小于锌的极限频率 所以用红外线照射锌板不发生光电效应 故b选项错 答案 a d 知识点3爱因斯坦的光电效应方程 1 光子说 光是不连续的 而是一份一份的 每一份光叫一个光子 一个光子的能量 h h 6 63 10 34j s 为光的频率 2 爱因斯坦光电效应方程ek h w0 电子接收能量的过程极其短暂 接收能量后的瞬间即挣脱束缚 所以光电效应的发生也几乎是瞬间的 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 例2 铝的逸出功是4 2ev 现在将波长200nm的光照射铝的表面 1 求光电子的最大初动能 2 求遏止电压 3 求铝的截止频率 答案 1 3 225 10 19j 2 2 016v 3 1 014 1015hz 对应训练 2 下列对光电效应的解释正确的是 a 金属内的每个电子能吸收一个或一个以上的光子 当它积累的能量足够大时 就能逸出金属b 如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功 便不能发生光电效应c 发生光电效应时 入射光越强 光子的能量就越大 光电子的最大初动能就越大 d 由于不同金属的逸出功是不相同的 因此使不同金属发生光电效应的入射光的最低频率也不同 答案 b d 知识点4康普顿效应和光子的动量 1 光的色散光在介质中与物质微粒相互作用 光的传播方向发生改变的现象叫做光的散射 2 康普顿效应在光的散射线中 除有与入射波长相同的射线外 还有波长比入射线波长更长的射线 人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应 3 光子说对康普顿效应的解释假定x射线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 一个x射线光子不仅具有能量e h 而且还有动量 如图17 2 4所示 这个光子与静止的电子发生弹性斜碰 光子把部分能量转移给了电子 能量由h 减小为h 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 图17 2 4 例3 假如一个光子与一个静止的电子碰撞 光子并没有被吸收 只是被电子反弹回来 则散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大 答案 原来光子的频率大 1 对光电效应的理解 图17 2 5 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产生的 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较多 因而饱和电流大 所以饱和电流与光强成正比 2 光电效应中各相关物理量间的关系 答案 b 对光电效应的理解 1 光电效应是单个光子和单个电子之间的相互作用产生的 金属中的某个电子只能吸收一个光子的能量 只有当吸收的能量足够克服原子核的引力而逸出时 才能产生光电效应 而光子的能量与光的频率有关 由此可解释光电效应的瞬时性和存在极限频率的原因 2 光电子的动能 可以介于0 ekm的任意值 只有从金属表面逸出的光电子才具有最大初动能 且随入射光频率增大而增大 3 入射光强度 指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量 在入射光频率 不变时 光强正比于单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数 但若入射光频率不同 即使光强相同 单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数也不相同 因而从金属表面逸出的光电子数也不相同 形成的光电流也不相同 4 光电流 即光电子形成的电流 只有当光电子从阴极跑到阳极时才会形成电流 而到达阳极的光电子数除了与阴极发射的电子数目