4.2光电效应课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

2.光电效应第四章

原子结构和波粒二象性人教版选择性必修第三册

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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。这个现象说明了什么问题?

学习目标物理观念建立光电效应、光电子、光子、遏止电压、饱和电流、截止频率等核心概念。科学思维从经典电磁理论的“光的波动说”与量子物理的“光的粒子说”视角，理解光电效应的实验规律。科学探究设计并分析探究光电效应规律的实验，归纳光电效应的特点，验证光子说对实验规律的解释。科学态度与责任了解爱因斯坦光子说对现代物理学的奠基意义，体会科学家在面对理论困境时的坚持与突破。

重点难点重点1.光电效应的实验规律与光子说的核心内容；2.

理解爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验规律的解释意义。难点1.理解“光的粒子性”的量子化思想，以及它与经典电磁理论“光的波动性”观念的本质区别。1.光电效应的实验规律2.爱因斯坦的光电效应理论3.康普顿效应和光子的动量4.课堂总结5.练习与应用

学习内容第2节光电效应一、光电效应的实验规律第2节光电效应一、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，这个现象叫光电效应，这个电子称为光电子。光电效应本质：金属原子最外层电子在做无规则热运动，温度不高时，动能很小，电子受金属表层存在的一种力阻碍而不能大量逸出金属表面。当有光照射时，电子吸收光子的能量而动能变大，从而克服阻力从金属表面挣脱出来。一、光电效应的实验规律2.光电效应的实验光电管实验目的：研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。光电效应的实验装置①阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。②K在受到光照时能够发射光电子。③阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。思考：为什么要加电压？一、光电效应的实验规律光电效应的实验一、光电效应的实验规律3.存在截止频率（极限频率）vc：对于每种金属，都有相应确定的截止频率νc。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。

当入射光频率ν

>νc时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν

<νc

时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。一、光电效应的实验规律4.存在饱和电流：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。在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，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。++++++

一一一一一一KAE

一、光电效应的实验规律5.存在遏止电压：当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称截止电压。理解：①光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。②同一种金属，截止电压只与光的频率有关。③光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的强弱无关。关系式：++++++

一一一一一一KAE

一、光电效应的实验规律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”）。截止频率饱和电流遏止电压规律→频率→光强→频率瞬时<10-9s与经典物理不符合令科学家感到困惑6.光电效应具有瞬时性：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。一、光电效应的实验规律

思考与讨论：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?金属原子原子核

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，以克服这种阻碍。一、光电效应的实验规律金属钨钙钠钾铷vc/（1014Hz）10.957.735.535.445.15W0/eV4.543.202.292.252.13几种金属的截止频率和逸出功逸出功W0：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。7.光的电磁理论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。一、光电效应的实验规律光电效应规律经典理论的解释入射光越强，饱和电流大。任何一种金属，都有一个极限频率，入射光频率必须大于这个极限频率才能产生光电效光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的（t﹤10-9秒）入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和电流大。不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面。不存在极限频率。光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。若光很弱，按经典电磁理论估算，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。×××8.

光的电磁理论与光电效应的矛盾这些结论与实验结果相矛盾，

经典电磁理论更是无法解释。一、光电效应的实验规律例1.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，验电器指针张开一个角度，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B一、光电效应的实验规律例2.研究光电效应的电路图如图所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(K极),钠极板发射出的光电子被A极吸收,在电路中形成光电流.在图中,光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中,正确的是(

)C二、爱因斯坦的光电效应理论第2节光电效应二、爱因斯坦的光电效应理论1.

光量子理论

(爱因斯坦的光子说)爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。假定电磁波本身的能量也是不连续的振动着的带电微粒的能量是不连续的爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为

光量子，简称光子。光子的能量：

（ν为光的频率）

一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：二、爱因斯坦的光电效应理论2.爱因斯坦的光电效应方程光子能量逸出功最大初动能即注意：式中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。能量守恒方程二、爱因斯坦的光电效应理论①

Ek=hν－W0表明：只有当hν>W0时，光电子才可以从金属中逸出，才能产生光电效应，

νc=W0/h就是金属的截止频率。3.对光电效应的解释②

Ek=hν－W0表明：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与光的强弱无关，这就解释了遏止电压和光强无关。二、爱因斯坦的光电效应理论③电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎是瞬时产生的。④对于同频率的光，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。二、爱因斯坦的光电效应理论4.对光电效应方程的检验根据光电效应方程可得：对于确定的金属，其逸出功是确定的，Uc与光的频率v之间是线性关系。1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的实验技术测量光电效应中几个重要的物理量，1916年，他的实验结果完全肯定了爱因斯坦光电效应方程。【爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年诺贝尔物理学奖】二、爱因斯坦的光电效应理论强度——决定着每秒钟光源发射的光子数频率——决定着每个光子的能量

hv每秒钟逸出的光电子数——决定着光电流的强弱光电子逸出后的最大初动能mvm2/2照射光光电子

光越强→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。爱因斯坦光电效应方程：Ek=hν-W0。最大初动能与遏止电压的关系：Ek=eUc。逸出功与极限频率的关系W0=hνc。光电效应规律中的两条线索、两个关系、三个关系式①两条线索②两个关系③三个关系式二、爱因斯坦的光电效应理论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的关系图线

①截止频率νc：图线与ν轴交点的横坐标②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值，即W0＝|－E|＝E③普朗克常量h：图线的斜率，即h＝k入射光颜色相同、强度不同时，光电流与电压的关系图线

①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标②饱和电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ek＝eUc5.光电效应规律中的四类图像二、爱因斯坦的光电效应理论入射光颜色不同时，光电流与电压的关系图线

①遏止电压Uc1、Uc2②饱和电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线

①截止频率νc：图线与横轴交点的横坐标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)二、爱因斯坦的光电效应理论光电效应理论对物理学的影响爱因斯坦通过光电效应解释了光的粒子性，这一理论验证了光具有波粒二象性。验证光的粒子性光电效应是光电子学的基石，它在太阳能电池、光电探测器等现代电子设备中有着广泛应用。影响现代电子学光电效应的发现直接促进了量子理论的建立，为量子力学的发展奠定了基础。推动量子理论发展01、02、03、康普顿效应在量子力学中的地位光子动量在粒子物理实验中的应用康普顿散射在医学成像中的作用二、爱因斯坦的光电效应理论

A三、康普顿效应和光子的动量第2节光电效应三、康普顿效应和光子的动量白天的天空各处都是亮的；航天员在大气外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其他地方的天空却是黑的，甚至可以看见星星。这是为什么？在地球上存在着大气，太阳光经大气中微粒散射后传向各个方向，所以在地球看白天的天空各处都是亮的。而宇宙几乎是真空的，在广阔的宇宙空间中几乎没有物质，光不再散射只向前传播，所以宇宙中的“天”才是黑的。三、康普顿效应和光子的动量1.光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。2.康普顿效应：1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。石墨X射线λ0=λ0>λ0三、康普顿效应和光子的动量康普顿散射的实验装置晶体光阑X

射线管探测器X

射线谱仪

石墨体(散射物质)j

0散射波长

经典理论无法解释康普顿效应经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。X-ray

三、康普顿效应和光子的动量3.康普顿效应的解释

光子的动量：爱因斯坦质能方程：光子能量：E=hν（2）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。三、康普顿效应和光子的动量4.康普顿散射实验的意义（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。（4）波长较短的X射线或γ射线产生康普顿效应，波长较长的可见光或紫外光产生光电效应。三、康普顿效应和光子的动量例4.(多选)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST，其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为21cm的中性氢辐射，另一处是波长为18cm的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子（

）A.频率更大

B.能量更小C.动量更小

D.传播速度更大BC三、康普顿效应和光子的动量在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波，从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的。爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子（即一个个有确定能量和动量的“光子”）组成的。讨论：说明了什么呢？光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性。1.光具有波粒二象性三、康普顿效应和光子的动量大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。粒子性波动性（具有能量E）（具有频率f）（具有动量）h（具有波长）光子的能量：光子的动量：普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁三、康普顿效应和光子的动量波粒二象性波长较长时，表现出波动性波长较短时，表现出粒子性与物体相互作用时，表现出粒子性光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应、康普顿效应。三、康普顿效应和光子的动量例5.关于光的波粒二象性，下列说法错误的是(

)A.光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越显著B.光的波长越长，光的能量越小，波动性越显著C.频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性D.个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性

C四、课堂总结第2节光电效应四、课堂总结

光电效应的实验规律光电效应光电效应现象：照射到金属表面的光，使金属中的电子从表面逸出的现象存在截止频率存在饱和电流存在遏止电压光电效应具有瞬时性康普顿效应和光子的动量

爱因斯坦的光电效应理论光的波粒二象性：

康普顿效应康普顿效应的解释

光本身就是由一个个不可分割的能量子(光子