资源简介

新课导入
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？
第2节 光电效应
窗口
1.研究光电效应的电路图
⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。
⑵K在受到光照时能够发射光电子
⑶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。
I
左图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。光电子从阴极K逸出后，在AK之间被电场加速。
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。
学习任务一 光电效应的实验规律
学习任务一
2.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。
在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。
这说明，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。
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。
在入射光强度和频率不变的情况下,I-U曲线如图所示,曲线表明,当加速电压U增大到一定值时,光电流达到饱和值,这是因为单位时间内从阴极K射出的电子全部到达阳极A,若单位时间从阴极K上逸出的光电子数目为n,则饱和电流 l m = ne ,式中e为电子电荷量.
　
在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。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。（饱和电流与入射光的强度有关其实是与光子数有关）
3.存在遏止电压：Uc
反向电压增加，光电流减小。光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
????????????????????????=????????????
?
拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功：
施加反向电压
：使光电流减小到零的反向电压
－
+ + + + + +
一 一 一
v
加反向电压，如右图所示：
光电子作减速运动。若速率最大的记为vC
最大的初动能
U=0时，I≠0，
因为电子有初速度
则I=0，式中UC为遏止电压
遏止电压UC
E
E
U
F
K
A
速率最大的是 vc
　
　
　
【存在着遏止电压】：使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。
①对于同一种颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都一样
②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。
③这表明光电子的能量（动能）只与入射光的频率有关。而与入射光的强弱无关
最大初动能
4.存在截止频率（极限频率）：vc
→跟材料有关
大量实验表明：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。
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,当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。
【截止频率（也叫极限频率）】：对于每种金属，都有相应确定的截止频率 νc 。
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。
I
Is
Uc2
O
U
黄光（强）
黄光（弱）
光电效应伏安特性曲线
遏
止
电
压
饱
和
电
流
蓝光
Uc1
实验表明:对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 光的频率? 改变时，遏止电压也会改变。
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,当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应。
【截止频率（也叫极限频率）】：对于每种金属，都有相应确定的截止频率 νc 。
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。
5.光电效应具有瞬时性
实验发现：光电效应几乎是瞬时发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过10－9 s，无论入射光多弱，都会在照射到金属时立即产生光电子，精确测量表明这个时间<10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。
实验结果：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截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。
更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。
例1 [2023·安庆一中月考] 如图所示,在演示光电效应现象的实验中,某同学分别用a、b两种单色光照射锌板.发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度;用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动.下列说法正确的是(　)
A.增大b光的照射强度,验电器的指针有可能张开一定角度
B.增大a光的照射强度,光电子的最大初动能增加
C.a光的频率大于b光的频率
D.若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射
该金属时可能不会发生光电效应
学习任务一
C
学习任务一
[解析]入射光频率低于截止频率时无法产生光电效应,增大b光的照射强度,仍不会发生光电效应,增大a光的照射强度,光电子的最大初动能保持不变,故A、B错误;
根据a光照射锌板能够发生光电效应可知,a光的频率大于锌板的截止频率,根据b光照射锌板不能发生光电效应可知,b光的频率不大于锌板的截止频率,则a光的频率大于b光的频率,故C正确;
根据光电效应实验规律可知,若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时一定也能发生光电效应,故D错误.
变式1 [2023·福州一中月考] 研究光电效应的电路图如图甲所示.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.在乙图中,光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像正确的是(　)
学习任务一
C
[解析]遏止电压不会随光强而变化,光强会影响饱和电流的大小,光强越大,饱和电流越大,故C正确,A、B、D错误.
【要点总结】
学习任务一
图像名称
图线形状
由图线直接(间接)
得到的物理量
　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U轴的交点的横坐标
　②饱和电流Im1、Im2:电流的最大值
　③最大初动能:Ek=eUc
　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、Uc2
　②饱和电流
　③最大初动能
Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
?
饱和电流与遏止电压规律图像
[教材链接]阅读教材,完成下列填空:
(1)逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值叫作这种金属的逸出功.不同金属的逸出功　　　　,逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关.?
(2)爱因斯坦的光电效应理论
①光子:光本身是由一个个不可分割的　　　　　组成的,这些能量子称为　　　　,频率为ν的光的能量子为hν.其中h为普朗克常量.?
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
不同　
能量子　
光子　
②爱因斯坦光电效应方程
表达式:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0.
物理意义:金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量的一部分用于克服金属的　　　　　　,剩下的是电子逸出后的初动能Ek.?
逸出功W0
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
1、光电效应经典（光的电磁理论——光是电磁波）解释
⑴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。
⑵光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
⑸如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。
⑶不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率；
⑷光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关；
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
2、光电效应经典解释中的疑难
⑴初动能与光强无关——取决于入射光的频率
⑵有极限频率（红限）——没有能量积累过程
⑶响应快慢与光强无关——没有能量积累过程
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
3、爱因斯坦的光电效应理论
(1)光子（光量子）
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。
E = hν
光子的能量：
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。
振动着的带电微粒的能量是不连续的
假定电磁波本身的能量也是不连续的
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
(2)光电效应方程
EK=hv-W0
????????=12????????????????2
?
金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。
通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。
hv＝W0+EK
——光电子最大初动能
——金属的逸出功
W0
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
(3)光子说对光电效应的解释
EK=hv-W0
①截止频率的解释
光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。
hv>W0
→产生光电效应
hv→无光电效应
????????=????0?
?
hv=W0
→
就是极限频率
(3)光子说对光电效应的解释
EK=hv-W0
⑴截止频率的解释
光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。
hv>W0
→产生光电效应
hv→无光电效应
????????=????0?
?
hv=W0
→
就是极限频率
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
EK=hv-W0
②遏止电压的解释
????????=12????????????????2
?
12????????????????2=????????????
?
对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。
eUc=hv-W0
遏
止
电
压
学习任务二 光电效应经典解释中的疑难与爱因斯坦的光电效应理论
③瞬时性的解释
电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。
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，因而饱和电流较大。
④饱和电流的解释
到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。
例2 [2023·太原五中月考] 某同学用如图所示的装置研究光电效应现象,开始时,滑动变阻器滑片c在最右端b点.用光子能量为4.2 eV的光照射到光电管上,此时电流表G有示数.向左移动变阻器的滑片c,当电压表的示数大于或等于1.5 V时,电流表示数为0,则以下说法正确的是 (　)
A.光电子最大初动能为2.7 eV
B.光电管阴极的逸出功为1.5 eV
C.当电流表示数为零时,断开开关,电流表示数不再为零
D.将电源的正负极调换,变阻器滑片从b移到a,电流表的示数一直增大
学习任务二
C
[解析]根据题意有遏止电压Uc=1.5 V,则光电子的最大初动能Ek=1.5 eV,根据爱因斯坦光电效应方程得W0=hν-Ek=(4.2-1.5) eV=2.7 eV,故A、B错误;当电流表示数为零时,断开开关,这时没有反向电压,电流表示数不为零,故C正确;将电源的正负极调换,变阻器滑片从b移到a,当光电流达到饱和电流后,电流表的示数就不再变,故D错误.
变式2 [2023·吉林一中月考] 体温枪的工作原理是:利用光电效应,将光信号转化为电信号,从而显示出物体的温度.已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线,如图甲所示,用该红外光线照射光电管的阴极K时,电路中有光电流产生,光电流随电压变化的图像如图乙所示,另一种金属铷的遏止电压Uc与
入射光频率ν之间的关系如图丙所示,已知光在真空
中传播的速度为3×108 m/s.则　 (　)
A.波长为10 μm的红外线在真空中的频率为5×1013 Hz
B.将阴极K换成金属铷,体温枪仍然能正常使用
C.由图乙可知,该光电管的遏止电压为2×10-2 V
D.当人体温度升高,辐射红外线的强度将增大,饱和
电流将减小
学习任务二
C
学习任务二
[解析]根据c=λν可得红外线的频率为ν=????????=3×10810×10?6 Hz=3×1013 Hz,故A错误;
根据eUc=hν-W0,由图丙可知金属铷的截止频率为5.1×1014 Hz,发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率,而红外线的频率小于金属铷的截止频率,故不会发生光电效应,体温枪不能正常使用,故B错误;
当I=0时的电压为遏止电压,由图乙可知,该光电管的
遏止电压为2×10-2 V,故C正确;
若人体温度升高,辐射红外线的强度增大,饱和电流
将增大,故 D错误.
?
[教材链接]阅读教材“康普顿效应和光子的动量”相关内容,完成下列填空:
(1)光的散射:光在介质中与物质微粒相互作用,使光的传播方向　　　　　　的现象.?
(2)康普顿效应:在散射的光中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长
　　　　的成分.?
(3)光子的动量表达式:　　　　.?
学习任务三 康普顿效应和光子的动量
学习任务三
p=?????
?
发生改变　
大于λ0　
[物理观念]
学习任务三 康普顿效应和光子的动量
学习任务三
1、康普顿效应
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。
X射线
λ ＝λ0
石墨体
（散射物质）
λ =λ0
λ >λ0
四、康普顿效应和光子的动量
1、康普顿效应
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。
X射线
λ ＝λ0
石墨体
（散射物质）
λ =λ0
λ >λ0
[物理观念]
学习任务三 康普顿效应和光子的动量
学习任务三
2、光的散射经典解释
入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。
[物理观念]
学习任务三 康普顿效应和光子的动量
学习任务三
3、光子模型解释康普顿效应
光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关：
波长变长的解释：
P↓
λ↑
——
例3 如图所示是教材上解释康普顿效应的示意图,下列说法正确的是 (　)
A.图中光子与电子不是正碰,故不遵循动量守恒定律
B.图中碰撞后光子频率ν'可能等于碰撞前光子频率ν
C.图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度
D.图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长
学习任务三
[解析]无论正碰还是斜碰,系统所受的合外力为零,碰撞过程都遵循动量守恒定律,A错误;
由于光子与电子碰撞后,光子的部分能量传递给电子,所以光子能量一定减小,根据公式E=hν=h????????可知图中碰撞后光子频率ν'一定小于碰撞前光子频率ν,碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长,B错误,D正确;
根据爱因斯坦相对论的光速不变原理,光子的速度为c,碰撞前后不变,C错误.
?
D
例4 (多选)X射线的穿透量受物质吸收程度的影响,吸收程度与物质的密度等因素有关.密度越小,吸收X射线的本领越弱,透过人体的量就越多,呈现的图片就越暗,如空气等.密度越大,吸收X射线的本领越强,透过人体的量就越少,呈现的图片为白色,如骨骼等.X射线被物质吸收主要产生两种效应:光电效应和康普顿效应.依据以上信息,下列说法正确的是 (　 )
A.光电效应现象是爱因斯坦最先发现的
B.X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象,属于光电效应,说明X射线具有粒子性
C.光电效应中,X射线频率越高,从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大
D.X射线光子只被电子部分吸收,电子能量增大,光子被散射出去,散射光子波长变长,这说明光子既具有能量又具有动量,这属于康普顿效应,说明了X射线具有粒子性
学习任务三
BCD
学习任务三
[解析]光电效应现象是赫兹最先发现的,故A错误;
根据光电效应现象及产生原因知,B正确;
根据光电效应方程Ek=hν-W0可知,光电效应中,X射线频率越高,从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大,故C正确;
根据康普顿效应现象及产生原因知,D正确.
【要点总结】
1.光子不仅具有能量hν,还具有动量.
(1)关系式:ε=hν,p= ?????.
(2)意义:能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量.因此ε=hν和p=?????揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系.
2.对康普顿效应中散射光波长变化的解释:散射光波长的变化是光子与物质中电子碰撞的结果,光子与电子作用的过程中将部分能量和动量传给了电子,故光子的能量和动量减少,频率减小,波长变长,同时,光子还使电子获得一定的动量.
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.
?
学习任务三
[物理观念]人类对光的认识过程
学习任务四 光的波粒二象性
学习任务四
牛顿光的微粒说
光是实物粒子
惠更斯和托马斯杨的光的波动说
光是振动形式在媒质的传播——波
到麦克斯韦的光的电磁理论
光是电磁波
爱因斯坦的光子理论
光是能量子即光子
[物理观念]对光的波粒二象性的理解
学习任务四 光的波粒二象性
学习任务四
从数量上看
个别光子的作用效果粒子性更明显;大量光子的作用效果波动性更明显
从频率上看
频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强
波动性与粒
子性的统一
由光子的能量ε=hν、光子的动量表达式p=hλ也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ
从数量上看
个别光子的作用效果粒子性更明显;大量光子的作用效果波动性更明显
从频率上看
频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强
波动性与粒
子性的统一
学习任务四
例5 下面关于光的波粒二象性的说法中,正确的是　　 (　)
A.光不可能既具有波动性,又具有粒子性
B.频率越小的光其粒子性越显著,频率越大的光其波动性越显著
C.光在传播时往往表现出粒子性,光在跟物质相互作用时往往表现出波动性
D.大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性
[解析]光的波粒二象性是指光既具有波动性,又具有粒子性,二者是统一的,故A错误;
在光的波粒二象性中,频率越大的光其粒子性越显著,频率越小的光其波动性越显著,故B错误;
光在传播时往往表现出波动性,光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性,故C错误;
光既具有粒子性,又具有波动性,大量的光子波动性比较明显,个别光子粒子性比较明显,故D正确.
D
课堂小结
光电效应方程：EK=hv-W0
密立根验证光电效应方程：
爱因斯坦的光电效应理论
E = hν
光的波粒二象性
康普顿效应和光子动量
光子
光电效应现象及其条件
光电效应
课后习题
1.在光电效应实验中，如果入射光的波长确定而强度增加，将产生什么结果？如果入射光的频率增加，将产生什么结果？
1.当入射光的频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数目增多，光电流变大；当入射光的频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。
当入射光的频率高于截止频率时，入射光的频率增加，发射的光电子的最大初动能增大，对应的遏止电压变大。
课后习题
2.金属A在一束绿光照射下恰能发生光电效应，现用紫光或红光照射时，能否发生光电效应？紫光照射A、B两种金属都能发生光电效应时，为什么逸出金属表面的光电子的最大速度大小不同？
2.紫光能产生光电效应，红光不能。
用紫光照射两种金属都发生光电效应时，根据爱因斯坦光电效应方程，逸出金属表面的光电子的最大初动能与金属的逸出功有关，不同的金属其逸出功不同，逸出金属表面的光电子的最大初动能不同，因此光电子的最大速度大小也就不同。
课后习题
3.铝的逸出功是4.2eV，现在将波长为200nm的光照射铝的表面。 （1）求光电子的最大初动能。 （2）求截止电压。 （3）求铝的截止频率。
课后习题
4.根据图4.2-1所示的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）频率已知的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。
课后习题
5.在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大量的光子。如果白炽灯消耗的电功率有15%产生可见光，试估算60W的白炽灯泡1s内发出可见光光子数的数量级。

展开更多......

收起↑