光电效应课件2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第六章

波粒二象性第二节光电效应从19世纪初开始，托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象，证实了光的波动性。19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质。当人们认为光的波动理论已臻完美的时候，新的实验现象又向物理学界提出了挑战。如图所示，锌板和验电器用导线相连接，验电器不带电。现用紫外线照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？如果看不到明显的实验现象，可以把经摩擦后带正电的玻璃棒及带负电的硬橡胶棒分别从右侧逐渐靠近锌板（不接触），观察这个过程中验电器指针的变化。我们可以看到，当带正电的玻璃棒靠近被紫外线照射的锌板时，验电器的指针明显张开；而带负电的硬橡胶棒靠近它时，指针无明显变化。这是因为锌板在紫外线的照射下，有电子从表面逸出，但逸出的电子受锌板中正离子的吸引而不能远离，锌板所带正电量很少，因此验电器指针张开不明显。当带正电的玻璃棒靠近时，它把从锌板逸出的电子吸引过去，从而使更多的电子离开锌板，锌板带更多的正电，指针张开明显。1887年，赫兹在证实电磁波的实验中意外发现，当紫外线照射到圆环接收器间隙的电极上时，火花放电变得容易了。电子被发现后，人们才知道这是由于紫外线的照射，有电子从金属表面逸出的缘故。当紫外线照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面，这种现象称为光电效应，逸出来的电子称为光电子。实验表明，不仅紫外线能产生光电效应，对于碱金属，如锂、钠、钾、铯等，用可见光照射也能产生光电效应。研究光电效应的实验装置如图所示。图中S为一个抽成真空的玻璃容器，容器内有阴极K和阳极A，阴极K为金属平板。为了使紫外线能够更好地穿入容器照射到金属表面上去，在玻璃容器上装一石英小窗（石英对紫外线的吸收很小），两个电极分别和电流表G、电压表V、滑动变阻器R和电池组E连接。当紫外线照射在金属板K上时，金属板释放电子。光电子在电场力作用下向阳极A运动，就形成了光电流，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，用来研究光电效应现象的规律。1．对于给定的阴极材料，都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0。这个最小频率ν0叫作光电效应的截止频率，亦称为极限频率。只有超过截止频率的光，才能引起光电效应。不同金属材料的截止频率不同。2．在发生光电效应时，如果外加电压UAK从零开始逐渐增大，则光电流随之增大，但当UAK增大至一定值时，光电流达到最大，此后再继续增大UAK，光电流不再变化。此时的光电流称为饱和光电流。在入射光的频率保持不变的条件下，饱和光电流随照射到阴极上的光的强度而变化，光的强度越大，饱和光电流越大。3．从阴极发出的光电子的最大初动能与入射光的频率呈线性关系，如图所示，它与照射到阴极上的光的强度无关。4．只要光的频率大于截止频率，即使用极弱的入射光，光电子也能立刻（约10-9s）发射出来。光量子概念的提出1905年，26岁的爱因斯坦把普朗克的能量子概念推广到光电效应的研究中，他认为：光本身就是不连续的，而是由单个的能量子组成的，这些能量子称为光量子，简称光子。每一个光子的能量为ε=hn，其中h为普朗克常量，n为光的频率。因此，不同频率的光子具有不同的能量。按照上述光子假设，金属板内的电子从入射光中吸收了一个光子的能量hn之后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功W，叫作逸出功（即光电子逸出金属表面所需的最小能量）；另一部分转化为光电子的动能。这一关系称为爱因斯坦光电效应方程。光电效应方程表明光电子的最大初动能和入射光的频率呈线性关系，当最大初动能等于零时，金属表面不再有光电子逸出，这时入射光的频率就是截止频率v0，即例1一块带电锌板连接在验电器上，验电器指针张开，用灯照射锌板后验电器指针张角变小，则锌板初始所带电荷的性质以及照射锌板所用的灯分别是(

)A.负电，紫外灯 B.负电，红外灯 C.正电，紫外灯 D.正电，红外灯A例2将锌板与验电器相连，验电器指针闭合。用紫外线灯照射锌板，验电器指针张开一定张角，如图所示。移去紫外线灯，验电器张角保持稳定。随后用红外线灯照射锌板，验电器指针张角保持不变。下列说法正确的是()A.紫外线灯照射后，验电器带正电B.延长红外线照射时间，验电器指针张角将增大C.增大红外线光照强度，验电器指针张角将增大D.用丝绸摩擦的玻璃棒靠近锌板，验电器指针张角将减小A例3某实验小组用图甲所示的电路探究光电效应规律，用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压的关系曲线（甲、乙、丙）如图乙所示。下列说法正确的是()A.甲的遏止电压比乙的小B.甲的光照强度比丙的小C.阴极K的逸出功在乙照射时比丙照射时小D.要测量饱和光电流，a应为电源负极B例4如图，用同一束单色光、在同一条件下先后照射阴极材料为钠和钾的两个光电管，均能发生光电效应。