《光电效应》课件

2.光电效应第四章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.了解光电效应及其实验规律,以及光电效应与电磁理论的矛盾。(物理观念)2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用。(科学思维)3.了解康普顿效应及其意义,了解光子的动量。(物理观念)4.理解光的波粒二象性及其对立统一的关系,会用光的波粒二象性分析有关现象。(物理观念)思维导图课前篇自主预习必备知识一、光电效应的实验规律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的现象。2.光电子:光电效应中发射出来的电子。3.光电效应的实验规律(1)存在着饱和光电流:在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流就越大。这表明对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。(2)存在着遏止电压和截止频率:光电子的最大初动能与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。(3)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是瞬间发生的,从光照射到产生光电流的时间极短。4.逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值。不同金属的逸出功不同。二、爱因斯坦的光子说与光电效应方程1.光子说:光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,这些能量子被称为光子。2.爱因斯坦的光电效应方程(1)表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek。三、康普顿效应和光子的动量1.光的散射:光与介质中的物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。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,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。3.康普顿效应的解释

(1)光子模型:光子不仅具有能量,而且具有动量p=。(2)解释: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。由p=可知波长λ变大,因此,有些光子散射后波长变大。4.康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的粒子性的一面。四、光的波粒二象性光既具有波动性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。自我检测1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(

)答案

×解析

金属表面是否发生光电效应,取决于光的频率,与光的强弱无关。(2)在发生光电效应的条件下,同种频率的入射光强度越大,饱和光电流越大。(

)答案

√(3)不同金属的逸出功不同,因此金属对应的截止频率也不同。(

)答案

√(4)入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越多。(

)答案

√(5)光子发生散射时,其动量大小发生变化,但光子的频率不发生变化(

)答案

×(6)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。(

)答案

√2.(多选)如图所示,与锌板相连的验电器指针原来是闭合的,现让紫外线灯发出的光照射锌板,发现照射瞬间验电器指针张开了,则(

)A.验电器的指针带了正电B.该实验表明光是一种电磁波C.增强紫外线灯的发光强度,指针张角会增大D.红光照射锌板,验电器的指针张角一定会变得更大答案

AC解析

用紫外线灯照射锌板时,验电器指针发生了偏转,可知发生了光电效应,电子从锌板中逸出,此时锌板失去电子带正电,故A正确;光是一种电磁波,但本实验无法得出此结论,故B错误;紫外光越强,单位时间内逸出的光电子数目越多,则带电荷量越大,所以验电器的指针偏角越大,故C正确;因为红光的频率小于紫外线的频率,用红光照射,不一定发生光电效应,故D错误。3.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,但频率保持不变答案

B解析

在康普顿效应中,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,则光子动量减小,但速度仍为光速c,根据p=,知光子频率减小,康普顿效应说明光不但具有能量而且具有动量,揭示了光的粒子性,故A、C、D错误,B正确。课堂篇探究学习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(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(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(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)大量光子在传播过程中往往显示出波动性,如光的干涉、衍射、偏振现象。(2)个别光子在与其他物质相互作用时是“一份一份”进行的,往往显示出粒子性,如光电效应和康普顿效应。(3)光既具有波动性,又具有粒子性(不同于宏观观念的粒子,是“一份一份”的),即光具有波粒二象性。实例引导例3

康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图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,且波长变长答案

C解析

因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由p=知,波长变长,故C项正确。规律方法

对康普顿效应的三点认识(1)光电效应主要用于电子吸收光子的问题;而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。(2)假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时,光子有一部分动量传给电子,散射光子的动量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。(3)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。变式训练3科学研究证明,光子有能量也有动量,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'答案

C解析

光子与电子碰撞过程中,能量守恒,动量也守恒,因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子,光子的能量减少,由E=可知,光子的波长增大,即λ'>λ,故C正确。1．某小组做光电效应实验的电路如图所示，滑动变阻器滑片处于图示位置．用绿光照射阴极K时，电流表示数为零．能使电流表有示数的方法是

(

)A．可将照射光改为红光B．可将电源正负极调换C．可改变阴极K的材料D．可将滑动变阻器滑片向左移动【答案】C【解析】此时光电管加的是正向电压，电流表示数为零，说明没有发生光电效应．将照射光改为红光，则照射光频率减小，仍不会发生光电效应，A不符合题意；将电源正负极调换或将滑动变阻器滑片向左移动，仍不会发生光电效应，B、D不符合题意；改变阴极K的材料，当入射光子能量大于阴极材料的逸出功时即可发生光电效应，C符合题意．2．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比

(

)A．频率变大 B．速度变小C．光子能量变大 D．波长变长【答案】D3．(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像，则下列说法正确的是

(

)A．图像甲表明光具有粒子性B．图像丙表明光具有波动性C．实验表明光是一种概率波D．实验表明光