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第四章 第2节
光电效应
选择性必修 第三册
新课导入
光是粒子还是波？
17世纪明确形成了两大对立学说
牛顿
惠更斯
微粒说
波动说
直到19世纪末爱因斯坦对光电效应现象进行解释……
由于波动说没有数学基础以及牛顿的威望使得微粒说一直占上风
19世纪初证明了波动说的正确性
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？
思考与讨论：
什么是光电效应？
新课导入
德国物理学者海因里希·赫兹做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。
1887年
海因里希·赫兹
莱纳德
1888至1904年间
史托勒托夫完成了很多关于光电效应的实验与分析
莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果
爱因斯坦在论文《关于光的产生和转变的一个启发性观点》里，重新解释光电效应，他提出光量子假设
爱因斯坦
1905年
新课教学
1、光电效应的实验
光电管
电流表：测光电流的大小
电压表：测两极之间的电压大小
滑动变阻器：改变两极之间的电压大小
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。
新课教学
1、光电效应实验结论
实验表明：
①保持光频率、光强不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后 ，即达到 值。
不再增大
饱和
②保持光频率不变，增大光强，饱和电流 。
增大
UAK=0时，I =0吗？
思考：怎样才能让电流减小为0？
存在饱和电流
新课教学
施加反向电压
当加反向电压时，如右图所示：
光电子作减速运动。设其中速率最大的是Vc；
U=0时，I≠0，
电子有初速度
则I=0，式中UC为遏止电压
最大的初动能
vC
E
F
K
A
+ + + +
一 一 一 一
－
新课教学
1、光电效应实验结论
实验表明：
③对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压 的。
都是一样
④遏止电压与光的频率有关，与入射光的强弱无关，光的频率越高，遏止电压越 。
大
因此，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。
存在遏制电压
新课教学
1、光电效应实验结论
实验表明：
⑤对于每种金属，都相应确定的截止频率。
存在截止频率
当入射光频率 时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率 时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
>
<
新课教学
实验表明：
⑥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。
1、光电效应实验结论
具有瞬时性
10-9
巩固练习
习题：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
巩固练习
习题：若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（ ）
A. 增大入射光的强度
B. 增加光的照射时间
C. 改用黄光照射
D. 改用紫光照射
D
习题：在光电效应实验中，飞飞同学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之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示．则可判断出(　　)
A．甲光的频率大于乙光的频率
B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
B
巩固练习
新课教学
逸出功
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。
逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
vc/（1014HZ） 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。
新课教学
2、光电效应经典解释的疑难
这些结论与实验结果相矛盾， 经典电磁理论更是无法解释。
实验结论：
1.不变，光强越强，越大；
2.只与有关，与强度无关；
3.当大于时，发生光电效应；
4.瞬时性。
√
×
×
×
经典解释：
强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大；
遏止电压应与入射光的强度有关；
如果光较弱，只要积累足够长时间，电子获得足够能量就会形成光电子；
能量的可以随时间积累。
新课教学
（1）在空间传播的光是连续还是是一份一份的？
（2）光子的能量与什么有关系？
（3）光子的能量如何表示？
在空间传播的光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个光子.
光子的能量跟它的频率成正比
E＝h ν
ν 表示光的频率
h 叫普朗克常量，h＝6.63×10-34焦耳．秒
3、光子说(爱因斯坦于1905年提出)
爱因斯坦
新课教学
EK=hv-W0
hv＝W0+EK
hv
W0
EK
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。
光电效应方程
——光电子最大初动能
——金属的逸出功
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。
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。
4、爱因斯坦光电效应方程
新课教学
5、光子说对光电效应的解释
实验结论：
1.不变，光强越强，越大；
2.只与有关，与强度无关；
3.当大于时，发生光电效应；
4.瞬时性。
一定，光较强时
√
因此，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。
新课教学
5、光子说对光电效应的解释
实验结论：
1.不变，光强越强，越大；
2.只与有关，与强度无关；
3.当大于时，发生光电效应；
4.瞬时性。
√
√
EK=hv-W0
根据爱因斯坦光电效应方程可知
eUc =hv -W0
同种金属逸出功W0相同。当光子频率v增大时，遏止电压也增大。
新课教学
实验结论：
1.不变，光强越强，越大；
2.只与有关，与强度无关；
3.当大于时，发生光电效应；
4.瞬时性。
√
√
√
5、光子说对光电效应的解释
EK=hv-W0
任何一种金属
都存在极限频率，
入射光的频率v必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应。
新课教学
实验结论：
1.不变，光强越强，越大；
2.只与有关，与强度无关；
3.当大于时，发生光电效应；
4.瞬时性。
√
√
√
√
5、光子说对光电效应的解释
电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。（每个电子只能吸收一个光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零）
新课教学
5、光子说对光电效应的解释
EK=hv-W0
eUc =hv -W0
Uc = v -
某金属的Uc-v图像
思考：爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能EK与入射光的频率v的关系。但是实验很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压Uc。
截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢
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6、密立根验证光电效应方程
密里根
爱因斯坦提出光子说解释光电效应的时候，实验测量尚不精确，加上这种观点与当时的理论大相径庭，因此并未被物理学家们广泛承认，甚至被说成是“在思辨中迷失目标”的“冒昧的假设”。
美国物理学家密立根，花了十年时间做光电效应实验，测量金属的遏止电压与入射光的频率，由此算出普朗克常量h ，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，在1915年证实了爱因斯坦的光电效应方程，两种方法得到的普朗克常量h 在0.5%的误差范围内一致，又一次证明了“光量子假说 ”理论的正确。
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爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖
密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖
巩固练习
习题：(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，图线与横轴的交点坐标为(4.27,0)，与纵轴的交点坐标为(5.5,0.5)。由图可知(　　)
A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
C．该图线的斜率表示普朗克常量
D．该金属的逸出功为0.5 eV
AC
巩固练习
习题：如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为(　　)
A.1.9 eV
B.0.6 eV
C.2.5 eV
D.3.1 eV
A
巩固练习
习题：入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么(　　)
A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.逸出的光电子的最大初动能将减小
C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D.有可能不发生光电效应
　C　　
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7、康普顿效应
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。
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λ0相同的射线外，还有波长比λ0更大的成分。
思考：
散射线中出现波长比λ0更大的成分说明什么？
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7、康普顿效应
经典——当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。
光子理论——
光子不仅具有能量，而且具有动量
爱因斯坦质能方程：
光子能量：
式中h为普朗克常量,为光波的波长.
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7、康普顿效应
波长变长的解释：
P↓
——λ↑
若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。
若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，相当于光子与整个原子碰撞，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。
新课教学
7、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。
科学故事：
1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。
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T /年
波动性
粒子性
1690
惠更斯
波动说
1672
牛顿
微粒说
1905
爱因斯坦
光子说
1864
麦克斯韦
电磁说
1801
托马斯·杨双缝干涉实验
1814
菲涅耳衍射实验
1888
赫兹电磁波实验
赫兹发现光电效应
1916
密立根光电效应实验
1922
康普顿效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说渐成真理
1909
爱因斯坦光的波粒二象性
光学发展史
新课教学
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
h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁
（具有波长）
8、光的波粒二象性
新课教学
8、光的波粒二象性
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
知识总结
2.爱因斯坦光电效应方程
EK=hv-W0
1.光电效应实验结论：频率一定，入射光越强，饱和电流越大；
遏止电压与频率有关，与光强无关；
入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应；
光电效应具有瞬时性。
3.康普顿效应和光子的动量
4.光的波粒二象性
巩固练习
(1)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能可能相同，但最大初动能一定不同。(　　)
(2)若用光照射光电管能发生光电效应，给光电管加正向电压时，光电流随电压的增大会一直增大，加反向电压时，光电流随电压增大而逐渐减小至0。(　　)
(3)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。(　　)
(4)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　)
(5)“光子”就是“光电子”的简称。(　　)
(6)光子具有动量说明光具有粒子性。(　　)
√
×
√
×
×
√
巩固练习
习题：对于光的行为，下列说法正确的是（ ）
A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为，在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下光的粒子性表现明显
BD
巩固练习
习题：关于光的本性，下列说法正确的是（ ）
A.关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性
B.光具有波粒二象性是指∶既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子
C.光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性
D.光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来的
C

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