高中物理(新教材)选修三课件：第1课时-光电效应 人教版

第1课时光电效应

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。一、光电效应现象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。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电二、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(2)存在遏止电压和截止频率－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。U=0时，I≠0，因为电子有初速度。则I=0，式中Uc为遏止电压。遏止电压Uc

：使光电流减小到零的反向电压EEUFKA速率最大的是vc最大初动能若a.存在遏止电压Uc光电效应伏安特性曲线实验表明：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v改变，遏止电压也会改变。b.存在截止频率vc经研究后发现：对于每种金属，都相应确定的截止频率vc。

当入射光频率v

>vc

时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率v

<vc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。阳极阴极(2)存在遏止电压和截止频率实验结果：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；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；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；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.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；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；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；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.规律方法：关于光电效应的三个理解误区误区1：误认为光电效应中，只要光强足够大，就能发生光电效应。产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清，实际上能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。误区2：误认为光电流的强度与入射光的强度一定成正比。出现该误区是由于混淆了光电流和饱和光电流。实际上，光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有饱和光电流的强度才与入射光的强度成正比。误区3：误认为入射光越强，产生的光电子数一定越多。这是对光强的概念理解不全面造成的，实际上，入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量，是由入射的光子数和入射光子的频率决定的，可用E=nhν表示，其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下，光强度与光子数成正比。换用不同频率的光，即使光强度相同，光子数目也不同，因而逸出的光电子数目也不同。二、光电效经典解释中的疑难思考：人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢?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。温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功。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。金属钨钙钠钾铷截止频率ν0/×1014Hz10.957.735.535.445.15逸出功W0/eV4.543.202.292.252.13光电效应与经典电磁理论的矛盾矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，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，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。矛盾之二：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，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。光电效应与经典电磁理论的矛盾矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，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，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。矛盾之二：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，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。矛盾之三：具有瞬时性按照光的经典电磁理论，如果光很弱，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。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎都是瞬时的。三、爱因斯坦的光电效应理论光子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能量子组成的，频率为ν

的光的能量子为hν，h

为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分能量用来克服金属的逸出功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：hν=Ek+W0或

Ek=hν

-W0。2.爱因斯坦光电效应方程电子的最大初动能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。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。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。1、利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则()A.用紫外线照射，电流表不一定有电流通过B.用红光照射，电流表一定无电流通过C.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变D随堂练习2.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B3.一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D4.关于光电效应下述说法中正确的是()A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应D5.小明用阴极为金属铷的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。(计算结果保留3位有效数字)(1)图甲中电极A为光电管的什么极？(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc和逸出功W0分别是多少？(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek是多少？解析

(1)由光电管的结构知，A为阳极。(2)Uc­—ν图像中横轴的截距表示截止频率，则νc＝5.20×1014Hz，逸出功W0＝hνc≈3.45×10－19J。(3)由爱因斯坦的光电效应方程得Ek＝hν－W0≈1.19×10－19J。答案

(1)阳极(2)5.20×1014Hz

3.45×10－19J

(3)1.19×10－19J备用工具&资料5.小明用阴极为金属铷的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。(计算结果保留3位有效数字)(1)图甲中电极A为光电管的什么极？(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc和逸出功W0分别是多少？(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek是多少？3.一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一、光电效应现象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。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电(2)存在遏止电压和截止频率－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。U=0时，I≠0，因为电子有初速度。则I=0，式中Uc为遏止电压。遏止电压Uc

：使光电流减小到零的反向电压EEUFKA速率最大的是vc最大初动能若a.存在遏止电压Uc光电效应伏安特性曲线