人教版高中物理选择性必修第三册第四章2光电效应课件

2．光电效应第四章

原子结构和波粒二象性整体感知·自我新知初探[学习任务]

任务1．了解光电效应现象及其实验规律。任务2．了解爱因斯坦光电效应理论及其意义，能用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应现象。任务3．了解康普顿效应及其意义。任务4．能根据实验结论说明光的波粒二象性。[问题初探]

问题1．光子与光电子有何区别？问题2．研究光电效应的电路图中A、K分别叫什么极？A极和K极谁的电势较高？问题3．发生光电效应一定要用不可见光吗？问题4．遏止电压与光的频率成正比吗？问题5．光电效应与康普顿效应研究问题的角度有何不同？[思维导图]探究重构·关键能力达成[链接教材]

把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。知识点一光电效应的实验规律及经典解释中的疑难(1)这个现象说明了什么问题？(2)若使锌板带正电，重复上述操作，观察到指针并不立即落下，这说明什么问题？提示：(1)在紫外线灯照射下，电子从锌板表面逸出。(2)紫外线灯照射时，正电荷不能从锌板表面飞出去。1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的____从表面逸出的现象。2．光电子：光电效应中发射出来的____。3．光电效应的实验规律(1)存在____频率：当入射光的频率低于__________时不发生光电效应。(2)存在____电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，________越大。电子电子截止截止频率νc饱和饱和电流

[微提醒]

1．光电流的方向始终由阳极A到阴极K。2．光电效应的实质是光现象转化为电现象。3．光的频率决定光的颜色，频率不同，颜色不同。遏止遏止电压eUc瞬时4．逸出功：使电子脱离某种金属，需要外界对它____，做功的______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______。5．光电效应经典解释中的疑难(1)不应存在____频率。(2)遏止电压Uc应该与光的强弱__关。(3)弱光照射时，电子获得逸出表面所需的能量需要的时间应远远____实验中产生光电流的时间。做功最小值不相同截止有大于如图所示是研究光电效应的电路图。问题1．闭合开关后，当电压表的示数为0时，电流表的示数不是0，说明了什么？问题2．闭合开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，会观察到什么现象？说明了什么？问题3．若将电源的正负极对调，闭合开关，滑动变阻器的滑片向右移动时，又会观察到什么现象？说明了什么？问题4．对于问题3中的现象，同一频率的入射光强弱不同时，观察到什么现象？用不同频率的光做实验，观察到什么现象？提示：1．说明发生了光电效应。2．电压表、电流表的示数均增大，当电流增大到一定值后，滑动变阻器的滑片再向右移动，电流也不再增大，说明存在饱和电流。3．电压表示数增大，电流表示数减小，最后电流表的示数可能减小到0，说明存在遏止电压。4．同一频率的光，遏止电压相同；不同频率的光，遏止电压不同。1．光电效应中相关概念的区分概念区分光子与光电子(1)光子是指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电(2)光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子概念区分光电子的初动能与光电子的最大初动能(1)光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量向各个方向运动，需克服原子核的引力做功而损失一部分能量，剩余部分能量为光电子的初动能(2)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，具有最大初动能概念区分光电流与饱和电流(1)从金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流(2)随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值就是饱和电流，在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关概念区分入射光强度与光子能量(1)入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量(2)光子能量即每个光子的能量(3)光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积2．光的电磁理论与光电效应现象的矛盾矛盾按照光的电磁理论解释光电效应实验结果矛盾1光能由振幅决定，与光的频率无关，只要光强足够大(不论入射光的频率多大)，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应存在截止频率νc：若ν<νc，无论光强有多大，都不能发生光电效应矛盾按照光的电磁理论解释光电效应实验结果矛盾2光强越大，电子可获得的能量越多，光电子的最大初动能也应越大，遏止电压也应越大，即出射电子的最大初动能、遏止电压应该由光强来决定光电子的最大初动能、遏止电压都与光强无关，而与频率有关矛盾按照光的电磁理论解释光电效应实验结果矛盾3光强越大，电子能量积累的时间就越短；光强越小，能量积累的时间就越长具有瞬时性：当入射光照射到光电管阴极时，无论光强怎样，光电子几乎都是瞬间产生的【典例1】

(对光电效应实验现象的理解)如图为研究光电效应的实验装置，闭合开关，滑片P处于滑动变阻器中央位置，当一束单色光照到此装置的金属表面K时，电流表有示数，下列说法正确的是(

)A．若仅增大该单色光入射的强度，则光电子的最大初动能增大，电流表示数也增大B．增大入射光的频率，金属的逸出功变大C．保持频率不变，当光强减弱时，发射光电子的时间将明显增加D．若滑动变阻器滑片P左移，则电压表示数减小，电流表示数增大√D

[若仅增大该单色光入射的强度，则光电子的最大初动能不变，但单位时间内溢出的光电子数增多，所以光电流增大，电流表示数增大，故A错误；金属的逸出功是金属本身的性质，与入射光的频率、强度无关，故无论增大入射光的频率还是增大入射光的强度，该金属的逸出功都不变，故B错误；发生光电效应不需要时间积累，只要入射光的频率大于截止频率即可，故C错误；若滑动变阻器滑片P左移，则光电管上的反向电压减小，电压表示数减小，光电流增大，电流表示数增大，故D正确。]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：误认为在光的频率不变时，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电流，实际上，在光的频率不变时，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。

√

[链接教材]

爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc。(1)怎样得到遏止电压Uc与光的频率ν和逸出功W0的关系呢？(2)怎样测定普朗克常量h？怎样求出金属的截止频率？知识点二爱因斯坦的光电效应理论

[微提醒]

爱因斯坦的光电效应的实验说明了光具有粒子性，光子像其他粒子一样具有能量。hν光子hν－W0hν初动能Ek深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道。一个航标灯自动控制电路的示意图如图所示，电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属。下表反映的是几种金属发生光电效应的截止频率及其对应的波长，又知可见光的波长为400～770nm。金属铯锌银铂截止频率/Hz4.545×10148.065×10141.153×10151.529×1015对应波长/nm660372260196问题1．光电管阴极K上应涂哪种金属？问题2．控制电路中的开关S应接触a还是b?提示：1．因为只有金属铯对应的波长介于可见光的波长区间内，所以光电管阴极K上应涂金属铯。2．夜晚没有光，不能发生光电效应，但是指示灯亮，所以开关S与b端相连。1．光电效应方程：Ek＝hν－W0(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是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表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的初动能。②如要克服吸引力做功最少为W0，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．光电效应中的四类图像图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系(1)截止频率：图线与ν轴交点的横坐标νc(2)逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0＝|－E|＝E(3)普朗克常量：图线的斜率k＝h图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系(1)遏止电压Uc：图线与横轴的交点(2)饱和电流Im：光电流的最大值(3)最大初动能：Ek＝eUc颜色不同的光，光电流与电压的关系(1)遏止电压：Uc1、Uc2(2)饱和电流(3)最大初动能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量遏止电压Uc与入射光频率ν的关系(1)截止频率νc：图线与横轴的交点(2)遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大(3)普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压)

√√

规律方法

爱因斯坦光电效应方程的两个决定关系(1)逸出功W0一定，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。(2)入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。【典例4】

(光电效应图像)某兴趣小组用如图甲所示的电路探究光电效应的规律。根据实验数据，小刚同学作出了光电子的最大初动能与入射光频率的关系图线如图乙所示，小明同学作出了遏止电压与入射光频率的关系图线如图丙所示。已知光电子的电荷量为e，则下列说法正确的是(

)

√

【教用·备选例题】在研究光电效应实验中，光电管的阴极材料为铯(Cs)，用某一频率的光照射，实验测得光电流随电压变化的图像如图所示。已知铯的逸出功为3.0×10-19J，普朗克常量h＝6.63×10-34J·s，电子电荷量e＝1.6×10-19C。(1)铯发生光电效应的截止频率是多少？(2)本次实验的入射光频率是多少？思路点拨：光子的能量E＝hν，如果电子吸收一个光子刚好克服逸出功，那么该光的频率为截止频率。当用某种频率的光照射时，测得遏止电压，也就知道了光电子的最大初动能，再根据爱因斯坦光电效应方程便可计算入射光的频率。

[答案]

(1)4.52×1014Hz

(2)1.06×1015Hz解题技巧计算得到的铯的截止频率在红光范围内。在某一电压下电子被加速所获得的能量，有时用eV为单位更为方便。例如，上述遏止电压为2.5V，就可知电子的最大初动能为2.5eV。1．康普顿效应(1)光的散射光可以被介质中的________散射而____传播方向。(2)康普顿效应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______的成分，这个现象称为康普顿效应。知识点三康普顿效应和光的波粒二象性物质微粒改变大于λ0

粒子性

变大

[微提醒]

康普顿散射实验有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设，首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。波动性康普顿hν波粒太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；航天员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的。问题1．分析产生这些现象的原因。问题2．光子与天空中的微粒碰撞时遵从什么规律？提示：1．在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不能散射只向前传播。2．遵循能量守恒定律和动量守恒定律。

3．对光的波粒二象性的理解

实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述(2)大量光子在传播时，表现出波的性质光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的

实验基础表现说明光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的(2)光子不同于宏观观念的粒子

实验基础表现说明波动性和粒子性的对立统一(1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性(2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强—【典例5】

(康普顿效应)康普顿效应证实了光子不仅具有能量，而且具有动量。如图所示给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子(

)A．可能沿1方向，且波长变短B．可能沿2方向，且波长变短C．可能沿1方向，且波长变长D．可能沿3方向，且波长变长√

【典例6】

(波粒二象性)(多选)对光的认识，下列说法正确的是(

)A．少量光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不具有波动性了D．光的波粒二象性可以理解为在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下，光的粒子性表现明显√√√ABD

[少量光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光传播时表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，故正确选项有A、B、D。]应用迁移·随堂评估自测1．光具有波粒二象性，能说明光具有粒子性的实验是(

)A．光的干涉和衍射B．光的干涉和光电效应C．光的衍射和康普顿效应D．光电效应和康普顿效应√243题号1D

[光的干涉和衍射是波特有的现象，不能说明光具有粒子性，而光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故D正确。]2．如图所示，是一种典型的光电管示意图，抽成真空的玻璃管内部密闭有阴极和阳极，当受到光照时，就会发生光电效应，将其与灵敏电流计相连，关于此光电管以下说法正确的是(

)A．图中A为阳极，B为阴极B．当光照射在A极