光电效应（高中物理教学课件）完整版4

02.光电效应图片区一.光电效应1.光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子。

光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。问题：光电子是光还是电子？答：电子。问题：用弧光灯照射锌板能发生光电效应，但在锌板和弧光灯之间插入一块防紫外线玻璃就不能发生光电效应了，弧光灯能发出红外线，可见光，紫外线，是什么光照射锌板发生了光电效应？答：紫外线二.光电效应的实验规律光电效应的实验规律二.光电效应的实验规律1.存在截止频率（极限频率）：νc当入射光的频率减小到某一数值νc时光电流消失，νc称为截止频率。①发生光电效应条件：ν光>νc，即当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。②不同金属的截止频率不同，说明截止频率与金属自身的性质有关。二.光电效应的实验规律2.存在饱和电流①在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。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光电流与光强成正比，与电压不成正比。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，形成的光电流也越大。--二.光电效应的实验规律3.存在截止（遏止）电压：Uc使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。如果施加反向电压，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。①截止电压的存在意味着光电子具有一定的初动能，其中最大初动能Ekm应该满足以下关系：②不同频率的光照射同一种金属，截止电压不同；同种频率的光即使强弱不同照射同一种金属，截止电压也相同。即将截止电压与光的频率有关与光的强弱无关。正向电压反向电压二.光电效应的实验规律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。（t<10-9s）例1.在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是()A.验电器的指针带正电B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的遏止电压增大C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应AB例2.用如图所示的装置研究光电效应现象，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表的读数为I.则（）A.将开关S断开，也会有电流流过电流表B.将变阻器的触点c向a移动，光电子到达阳极时的速度必将变小C.如果减小入射光的光强，光电管中可能不会有光电子产生D.如果将电池极性反转，光电管中可能不会有光电子产生A三.光电效应经典解释中的疑难这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，用以克服这种阻碍做功。1.逸出功：要使电子脱离某种金属原子，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。电子要想从金属原子中脱离，至少要吸收W0的能量。如下表所示，不同种类的金属，逸出功的大小不相同。三.光电效应经典解释中的疑难当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。这些结论与实验相符。但是，按照光的电磁理论，还应得出如下结论：2.光电效应的经典电磁理论解释①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；②光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关；③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。这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。四.爱因斯坦的光电效应理论1.光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hv，其中，h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。2.光电效应方程：Ekm为最大初动能：，并不是所有光电子脱离金属原子时动能都是Ekm。W0是逸出功：，即电子脱离金属原子表面所需做的最小的功。四.爱因斯坦的光电效应理论3.光电效应方程对光电效应的解释：①只有当hv>W0时，

即v>vc时，光电子才可以从金属中逸出－－解释存在截止频率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－－解释存在饱和电流③光电子的最大初动能Ekm与入射光的频率v有关，与光的强弱无关－－解释存在截止电压④电子一次性只吸收一个光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的－－解释电压光电效应具有瞬时性注意：光电效应说明光具有粒子性Ekmv0v0-W0斜率hUcv0v0-W0/e斜率h/e四.爱因斯坦的光电效应理论从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压Uc与入射光的频率v，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。实验的结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5%的误差范围内是一致的。这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921的诺贝尔物理学奖。四.爱因斯坦的光电效应理论例3.A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子的最大初动能分别为EA、EB，普朗克常量为h，则下列说法正确的是（）A.A、B两种光子的频率之比为1∶2B.所产生光电子的最大初动能之比为2∶1C.该金属的逸出功W0＝EA－2EBD.该金属的截止频率例4.在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是（）A.若νa＞νb，则一定有Ua＜UbB.若νa＞νb，则一定有Eka＞EkbC.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－EkbCBC五.康普顿效应和光子的动量1.散射：光与介质中的物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫散射。2.康普顿效应：1923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。根据经典物理学理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。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.康普顿的假设：光子不仅具有能量，而且具有动量：

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p变小，波长λ变大。基于这个假定的理论结果与实验符合得很好。康普顿效应让人们对光子有了更深入的认识。康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。注意：康普顿效应说明光具有粒子性五.康普顿效应和光子的动量1.光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。此后，又经过一系列探索，人们最终建立了比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论——量子电动力学。2.人们对光的认识：从牛顿时代光的微粒说惠更斯光的波动说到托马斯·杨的光的干涉到麦克斯韦的光的电磁理论赫兹的证实到爱因斯坦的光电效应理论、康普顿效应到量子电动力学的建立人类对光的认识构成了一部科学史诗。六.光的波粒二象性例5.美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变.下列说法正确的是（）A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有

动量C.X光散射后与散射前相比，速度变小D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变例6.(多选)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.康普顿效应表明光具有粒子性

BCD例7.科学研究证明，光子既有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中（）A.能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′B.能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′C.能量守恒，动量守恒，且λ<λ′D.能量守恒，动量守恒，且λ>λ′例8.(多选)关于光的粒子性、波动性和波粒二象性，下列说法正确的是（）A.光子说的确立完全否定了波动说B.光