《光电效应》课件

《光电效应》1.实验历史背景及意义1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。

1900年，普朗克提出了量子化假说。1905年，爱因斯坦提出了光量子概念，解释了光电效应。阴极阳极玻璃外壳引脚真空G光电管的结构2.光电效应实验现象2.光电效应实验现象光照能使金属带电的现象叫光电效应。在“光”（包括不可见光）的照射，使金属中的电子跑出来。验电器带什么电？2.光电效应实验现象3、光电效应特点：截止频率1）存在截止频率ν0能否使金属产生光电效应与入射光的光强无关。条件：怎样才能发生光电效应现象：

当入射光的频率小于某一数值时，光电流消失。结论：任何金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应。不同的金属有不同的极限频率。经典电磁理论无法解释！2）存在饱和光电流现象：在光照条件（光强）一致的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于饱和值。结论：光强一定的情况下，单位时间内阴极板发射的光电子数目是一定的。即，当入射光的频率大于截止频率，单位时间打出的电子数目与入射光的强度成正比。经典电磁理论可以解释。3、光电效应特点：饱和光电流3）存在遏止电压由于电子有初动能，当U=0时，I≠0，如果反向电压，使电场反向，则可以使光电流为0。使光电流减小到0的电压称为遏止电压。结论：对与同一金属，光电子的最大初动能仅与光的频率有关，与光强无关。现象：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。且光的频率改变时，遏止电压也会改变。经典电磁理论无法解释！3、光电效应特点：遏止电压4）瞬时性：入射光照到金属上时，电子的发射几乎是瞬时，一般不超过10–9s。经典电磁理论无法解释！3、光电效应特点：瞬时性爱因斯坦光电方程Ek=hν-Whν：光子的能量W：某金属的逸出功Ek：光电子的最大初动能截止频率：由于hν0=W所以ν0=W/h

4、爱因斯坦对光电效应的解释：当光子照到金属上，能量可以被某个电子吸收，若电子能量足够大，就可以克服金属表面的引力(逸出功W)逃逸出来。在发生光电效应时，是一个光子打一个电子能量的交换是一个光子与一个电子之间进行。1、光子能不能将电子打出？-----入射光的频率2、打出的电子的最大初动能多大？---------入射光的频率4、打出的电子的数目？-----入射光的强弱上面的2、3、4的前提是入射光的频率大于金属的极限频率截止频率：由于hν0=W所以ν0=W/h

-------爱因斯坦光电方程hν-W=mvm2/23、几乎不要时间？-------一个光子“打出”一个电子1）存在截止频率ν0能否使金属产生光电效应与入射光的光强无关。条件：怎样才能发生光电效应现象：

当入射光的频率小于某一数值时，光电流消失。结论：任何金属，都有一个截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率才能产生光电效应。不同的金属有不同的极限频率。Ek=hν-W2）存在饱和光电流现象：在光照条件（光强）一致的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于饱和值。结论：光强一定的情况下，单位时间内阴极板发射的光电子数目是一定的。即，当入射光的频率大于截止频率，单位时间打出的电子数目与入射光的强度成正比。Ek=hν-W3）存在遏止电压由于电子有初动能，当U=0时，I≠0，如果反向电压，使电场反向，则可以使光电流为0。使光电流减小到0的电压称为遏止电压。结论：对与同一金属，光电子的最大初动能仅与光的频率有关，与光强无关。现象：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。且光的频率改变时，遏止电压也会改变。Ek=hν-W4）瞬时性：入射光照到金属上时，电子的发射几乎是瞬时，一般不超过10–9s。Ek=hν-W【例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．用红外线照射，电流表一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过在例题2中，若将电路中的电源正负极对调，其他条件不变．则电路中是否还有电流？若将滑动触头左右移动？电流表示数如何变化？A【例2】在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是(

)A．色光乙的频率小、光强大B．色光乙的频率大、光强大C．若色光乙的强度减为原来的一半，无论电压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小D．若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流D可以是反向电压3．(多选)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2mA.移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.7V时，电流表读数为0.则(

)A．光电管阴极的逸出功为1.8eVB．开关K断开后，没有电流流过电流表GC．光电子的最大初动能为0.7eVD．改用能量为1.5eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小AC

BDB3．在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置，如图(a)所示，在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图(b)所示．则正确的是(

)A．乙光的频率大于甲光的频率B．甲光的波长小于丙光的波长C．丙光的光子能量小于甲光的光子能量D．乙光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能A4．(多选)在探究光电效应现象时，某小组的同学分别用波长为λ、2λ的单色光照射某金属，逸出的光电子的最大速度之比为2∶1，普朗克常量用h表示，光在真空中的速度用c表示．则(

)A．光电子的最大初动能之比为2∶1B．该金属的截止频率为C．该金属的截止频率为D．用波长为λ的单色光照射该金属时能发生光电效应

BD1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0

的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(ComptonEffect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难，康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。康普顿效应康普顿效应波粒二象性波粒二象性（wave-particleduality）指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。这意味着经典的有关“粒子”与“波”的概念失去了完全描述量子范围内的物理行为的能力。爱因斯坦这样描述这一现象：“好像有时我们必须用一套理论，有时候又必须用另一套理论来描述（这些粒子的行为），有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难，这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实，两种观点单独是无法完全解释光的现象的，但是合在一起便可以。”波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。探究一光电效应的实验规律情境探究当我们走到自动门前,在光电池电子眼探测到有人到来时,门就会自动打开,这种传感器可以对光响应。当光的强度变化时,传感器产生的电流大小将发生改变,与相应的电路耦合,就可以触发开关将门打开,你知道其中的道理吗?要点提示

这种传感器代表了光电效应的一种应用,当发生光电效应时,光照在金属上使电子从金属中飞出,这种现象由爱因斯坦给出了合理的解释并将其理论化,他阐明了光有粒子流似的行为。知识归纳1.光电效应中易混淆的概念

光电子的初动能与最大初动能初动能:光照射金属时,从金属逸出时电子的动能;大小满足能量守恒Ek=hν-E损,E损为电子逸出时克服原子核和其他原子的阻碍而损失的能量最大初动能:光照射金属时,从金属逸出时电子动能的最大值。(1)只有从金属表面逸出的电子的动能才最大;(2)满足光电效应方程Ekm=hν-W0光子的能量与入射光的强度光子的能量:每个光子的能量E=hν光的强度:单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。(1)强度越大,单位时间内照射到金属表面的光子数越多;(2)强度越大,单位时间内金属发射的光电子数越多光电流与饱和光电流光电流:从金属板逸出的光电子到达阳极,回路中形成电流饱和光电流:光电流随所加正向电压的增大趋于一个饱和值。(1)在光的频率不变时,饱和电流与所加电压大小无关;(2)在光的频率不变时,饱和电流随入射光强度的增大而增大遏止电压、截止频率和逸出功遏止电压:使光电流减小到零的反向电压。(1)它的存在意味着光电子从金属表面逸出时具有一定的速度。(2)同一金属,入射光的频率不变,遏止电压不变;入射光的频率改变,遏止电压改变截止频率:能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率。(1)当光的频率低于截止频率时,即使不加反向电压也没有光电流。(2)不同金属的截止频率不同逸出功:电子脱离某种金属所需做功的最小值。(1)不同金属的逸出功不同。(2)逸出功只与金属有关,与入射光的频率、所加电压无关2.光电效应与经典电磁理论的矛盾(1)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。(2)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。(3)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。3.光电效应的四个规律(1)任何一种金属都有一个截止频率νc,入射光的频率必须大于νc才能产生光电效应,与入射光的强度及照射时间无关。(2)发生光电效应时,在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。(3)发生光电效应时,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,随入射光频率的增大而增大。(4)光电效应几乎是瞬时的,发生的时间一般不超过10-9s。实例引导例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答案

D解析

因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,选项A错误;因不知阴极K的截止频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,所以选项B错误;即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,所以选项C错误;当滑动触头向B端滑动时,UAK增大,阳极A吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极A时,电流达到最大,即饱和电流,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么即使增大UAK,光电流也不会增大,所以选项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。变式训练1(2020江苏盐城期末)如图所示,当光照射到光电管时,灵敏电流计指针没有发生偏转,检查电路没有发现断路情况,各元件也正常。发生这种情况可能的原因是(

)A.电源电压太高 B.入射光波长太长C.入射光强度较弱 D.光照射时间太短答案

B解析

由题图可知,此时电源提供的电压为正向电压,只要能发生光电效应,电路中就有电流,故A错误;若入射光波长太长,大于金属的极限波长时,金属不能产生光电效应,与入射光的强度以及照射的时间都无关,故B正确,C、D错误。探究二爱因斯坦的光电效应理论情境探究图甲是研究光电效应现象的装置图,图乙是研究光电效应的电路图,请结合装置图及产生的现象回答下列问题:1.在甲图中发现,利用紫光照射锌板无论光的强度如何变化,验电器都有张角,而用红光照射锌板,无论光的强度如何变化,验电器始终无张角,这说明了什么?要点提示

金属能否发生光电效应,决定于入射光的频率,与入射光的强度无关。2.在乙图中给光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增加电压,电流表示数不变,而光强增加时,保持所加电压不变,电流表示数会增大,这说明了什么?要点提示

发生光电效应时,饱和光电流的强度与光的强度有关。3.在乙图中若加反向电压,当光强增大时,遏止电压不变,而入射光的频率增加时,遏止电压却增加,这一现象说明了什么?要点提示

光电子的最大初动能与入射光频率有关,与光的强度无关。知识归纳1.光电效应方程的理解光电效应方程实质上是能量守恒方程。(1)能量为E=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动能。(2)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=hν-W0。(3)就某一个光电子而言,其离开金属时的动能可以是0~Ek范围内的任何数值。2.光子说光本身就是由一个个不可分割的能量子(光子)组成的,频率为ν的光子的能量E=hν,其中h为普朗克常量。3.光子说对光电效应的解释(1)存在截止频率若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,亦即(2)遏止电压和光强无关由爱因斯坦光电效应方程知,光电子的最大初动能与入射光频率有关,与光强无关,所以遏止电压Uc=由入射光频率决定,与光强无关。(3)饱和光电流随光强的增大而增大对于同种频率的光,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,因而饱和光电流较大。实例引导例2(2020山东泰安四模)用金属钙做光电效应实验时,得到的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示。用其他金属做实验,得到的Ekm-ν图线也为直线。表中列出了几种金属的截止频率和逸出功,下列判断正确的是(

)金属钨钙钠截止频率ν0/1014

Hz10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν图线的斜率比图中直线的斜率大B.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν图线的斜率比图中直线的斜率小C.如用金属钠做实验,得到的Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2>Ek1D.如用金属钠做实验,得到的Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2<Ek1答案

D解析

由光电效应方程Ekm=hν-W0,可知Ekm-ν图线是直线,且斜率相同,故A、B错误;如用金属钠做实验得到的Ekm-ν图线也是一条直线,设其延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),由于钠的逸出功小于钙的逸出功,则Ek2<Ek1,故C错误,D正确。规律方法

光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大;光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。变式训练2(2020陕西期末)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示。则关于这两种光的波长,下列说法正确的是(

)A.a光的波长较长B.b光的波长较长C.两种光的波长一样长D.无法确定答案

A解析

根据光电效应方程

mv2=hν-W0,由题图可得b光照射光电管时反向遏止电压大,使其逸出的光电子最大初动能大,所以b的频率大,则a的频率小,那么a

的波长长,故A正确,B、C、D错误。探究三康普顿效应和光子的动量情境探究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;宇航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。分析产生这些现象的原因。要点提示

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。知识归纳1.康普顿的光子模型光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量2.解释康普顿效应(1)经典物理的理论无法解释康普顿效应按照经典物理的理论,由于光是电磁振动的传播,入射光将引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子从入射光吸收能量,并向四周辐射,这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率,也就是入射光的频率。因而散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应出现λ>λ0的散射光。(2)利用光子的动量解释康普顿效应在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量变小。3.光的波粒二象性(1)大量