资源简介

(共68张PPT)
2　光电效应
素养·目标定位
目标素养
1.通过实验了解光电效应的实验规律
2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义
3.了解康普顿效应,了解光子的动量
4.理解光的波粒二象性
知识概览
课前·基础认知
一、光电效应的实验规律
1.光电效应。
(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:在光的照射下,从金属表面逸出的电子叫光电子。
2.光电效应规律。
(1)存在截止频率:当入射光的频率减小到某一数值νc时,光电流　消失　,这表明已经没有光电子了,νc称为截止频率或极限频率。
(2)存在饱和电流: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。
(3)存在遏止电压:如果施加反向电压,使光电流减小到　0　的反向电压Uc称为遏止电压。
(4)光电效应具有瞬时性:光电效应几乎是　瞬时　发生的,几乎不需要时间的积累。
微探究1 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,指针夹角会变小。这个现象说明了什么问题
提示:验电器指针夹角变小,说明锌板带的负电荷变少了,意味着紫外线会让电子从锌板表面逸出。
二、光电效应经典解释中的疑难
1.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,用W0表示。
2.几种金属的截止频率和逸出功。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
νc/(1014 Hz) 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
3.疑难问题。
(1)截止频率的存在。
(2)遏止电压Uc与光的强弱无关。
(3)光电效应的瞬时性。
三、爱因斯坦的光电效应理论
1.爱因斯坦的光子说: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,其中,h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
2.光电效应方程:　Ek=hν-W0　。
3.光电效应的Ek-ν图像。
四、康普顿效应和光子的动量
1.康普顿效应: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。
2.康普顿的基本思想是光子不仅具有能量,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。这三个量之间的关系式为 。
微探究2 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;航天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,为什么
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。
五、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。
微思考 哪些现象说明了光的波粒二象性
提示:光的干涉和衍射说明光具有波动性,康普顿效应、光电效应说明了光的粒子性。
课堂·重难突破
一 光电效应的实验规律
问题探究
如图所示,把一块锌板连接在验电器上,用紫外线灯照射锌板,观察到验电器的指针发生了偏转,这说明锌板带了电。锌板是怎样带上电的呢
提示:锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应,发射出光电子,因此锌板会带正电,验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。
归纳总结
1.对光电效应中的几组概念的理解。
两组对比概念 说明
光子 光电子 光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子,光子是光电效应的因,光电子是果
两组对比概念 说明
光电子
的初动
能 光电子
的最大
初动能 光照射到金属表面时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能
两组对比概念 说明
光子的能量 入射光
的强度 光子的能量即每个光子的能量,其值为ε=hν(ν为光子的频率),其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,入射光的强度等于单位时间照射到金属表面单位面积上的光子能量与入射光子数的乘积
两组对比概念 说明
光电流 饱和
电流 阳极吸收阴极发出的光电子,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流增大,但光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和电流,在一定的光照条件下,饱和电流与所加电压大小无关
入射
光的
强度 饱和
电流 饱和电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的,对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和电流与入射光强度之间没有简单的正比关系
2.光电效应的实验规律。
(1)对于一定频率的光,发生光电效应时,入射光越强,饱和电流越大,即入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。
(2)光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光的强度无关,只与入射光的频率有关。入射光的频率越高,光电子的最大初动能越大,但最大初动能与频率不成正比。
(3)每一种金属都有一个截止频率(或极限频率)νc,入射光的频率必须大于νc才能发生光电效应。频率低于νc的入射光,无论光的强度有多大,照射时间有多长,都不能发生光电效应。不同金属的截止频率不同。
(4)光电效应具有瞬时性。
3.光电效应与经典电磁理论的矛盾。
比较项 经典电磁理论 光电效应实验结果
矛盾1 不论入射光的频率如何,只要光足够强,总可以使电子获得足够能量从而发生光电效应 当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应
比较项 经典电磁理论 光电效应实验结果
矛盾2 光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压与光的强弱有关 遏止电压与光的强弱无关,与光的频率有关
矛盾3 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金属表面所需的能量 当频率超过截止频率νc时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光电流
典型例题
【例1】 在利用光电管研究光电效应的实验中,入射光照到某金属表面上发生光电效应,若入射光减弱,而频率保持不变,那么(　　)
A.从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.饱和光电流将会减弱
C.遏止电压将会减小
D.有可能不再发生光电效应
答案:B
解析:发生光电效应时,若入射光减弱,而频率保持不变,则从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将保持不变,选项A错误;入射光减弱,单位时间内逸出的光电子的数目将减小,饱和光电流将会减弱,选项B正确;同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何,遏止电压都是一样的,选项C错误;入射光的频率不变,仍能发生光电效应,选项D错误。
规律方法 光电效应实验规律的理解要点 (1)实验中电流计不偏转可能是没有发生光电效应,也可能发生了光电效应但光电流为零。 (2)增大入射光的强度不会改变最大初动能,只能增加光电子数。 (3)根据电子的移动方向可明确电流的方向,注意电流的方向与电子的定向移动方向相反。
二 光电效应方程的理解和应用
问题探究
用如图所示的装置研究光电效应现象,某同学用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,电流表的示数不为0,移动滑动变阻器的滑片,发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时,电流表示数为0。
(1)光电子的最大初动能是多少 遏止电压是多少 光电管阴极的逸出功又是多少
(2)当滑片向a端滑动时,光电流怎样变化
(3)当入射光的频率增大时,光电子的最大初动能如何变化 遏止电压如何变化
(4)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ν的关系,但是,很难直接测量光电子的动能,容易测量的是遏止电压Uc,怎样得到Uc与ν、W0的关系
提示:(1)遏止电压就是使光电流减小到0的反向电压,即1.7 V;光电子的最大初动能Ek=eUc=1.7 eV;根据爱因斯坦的光电效应方程可得W0=hν-Ek=2.75 eV-1.7 eV=1.05 eV。
(2)当滑片向a端滑动时,反向电压减小,光电流变大。
(3)根据爱因斯坦的光电效应方程Ek=hν-W0,ν变大,Ek变大;又根据Ek=eUc,遏止电压变大。
(4)遏止电压Uc与最大初动能的关系式Ek=eUc,
光电效应方程Ek=hν-W0,
归纳总结
1.对光电效应方程Ek=hν-W0的理解。
(1)方程中的Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时剩余动能大小可以是0~Ek范围内的任何数值。
(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程。当光子照到金属上时,它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收,金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν,在这些能量中,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,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。
(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件。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.光电效应几种图像的对比。
3.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:
光照强度大→单位时间内发射的光子数目多→单位时间内发射光电子多→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。
典型例题
角度1　光电效应方程的应用
【例2】 在光电效应实验中,用相同的单色光分别照射编号为1、2、3的金属,所得遏止电压如图所示,关于金属的逸出功W的大小关系正确的是(　　)
A.W1>W3>W2 B.W2>W3>W1
C.W1>W2>W3 D.W3>W1>W2
答案:B
解析:由题图可知Uc1>Uc3>Uc2,由光电效应方程Ek=hν-W及Ek=eUc可知,动能Ek1>Ek3>Ek2,相同单色光即hν相同,故W2>W3>W1,选项B正确。
B
规律方法 利用光电效应方程解题的一般规律 (1)根据光电效应方程,结合图线的纵轴截距求出金属的逸出功,或结合横轴截距得出金属的截止频率,从而得出逸出功。 (2)根据光电效应方程求出入射光的频率变化时的光电子的最大初动能。
三 康普顿效应
问题探究
光子与静止的电子碰撞后,电子的运动方向如图所示。
(1)碰后光子可能沿哪个方向运动
(2)碰后光子的波长怎样变化
提示:(1)碰撞前、后总动量应保持一致的方向,故碰后光子只可能沿1的方向。
(2)通过碰撞,光子的一部分能量转移给电子,光子能量减少,根据ε=hν和c=λν可知光子波长变长。
归纳总结
1.康普顿效应与经典物理理论的矛盾。
(1)按照经典物理理论,入射光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。
(2)散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)。因此散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应该出现波长变长的散射光。
(3)经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系。
2.光子说对康普顿效应的解释。
假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。
(1)光子和电子碰撞时,光子有一部分能量转移给电子,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。
(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关,所以波长的改变与散射角有关。
典型例题
【例4】 (多选)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,除了有与入射波长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。关于康普顿效应,下列说法正确的是(　　)
A.康普顿效应现象说明光具有波动性
B.康普顿效应现象说明光具有粒子性
C.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量减少
答案:BD
解析:康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应,在散射过程中X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能量守恒定律,由康普顿效应实验可知选项B、D正确, A、C错误。
四 光的波粒二象性
问题探究
光的干涉、衍射说明了光的波动性,而光电效应和康普顿效应又说明了光具有粒子性,那么光到底是波还是粒子
提示:光既具有波动性,又具有粒子性,也就是光具有波粒二象性。
归纳总结
光的波动性与光的粒子性的比较。
比较项 光的波动性 光的粒子性
实验
基础 干涉和衍射 光电效应、康普顿效应
表现 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)光在传播时,表现出波的性质 (1)当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性
比较项 光的波动性 光的粒子性
说明 (1)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产生的
(2)光的波动性不同于宏观概念的波 (1)粒子的含义是“不连续的”
“一份一份的”
(2)光子不同于宏观概念的粒子
典型例题
【例5】 下列关于光的波粒二象性的说法不正确的是(　　)
A.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
B.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
C.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
D.光不可能同时既具有波动性,又具有粒子性
答案:D
解析: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,个别光子的粒子性比较明显,选项A正确。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,选项B正确。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,选项C正确。光的波粒二象性是指光有时波动性比较显著,有时粒子性比较显著,二者是统一的,选项D错误。
成 果 验 收 站
1.(多选)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不变,则(　　)
A.有可能不发生光电效应
B.从光照射到金属表面上到发生光电效应的时间间隔将增加
C.光电子的最大初动能不变
D.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
答案:CD
解析:光电效应的发生与否和入射光的强度无关,只和入射光的频率有关,选项A错误;入射光的强度减弱只是影响光电效应单位时间内从金属表面逸出的光电子数目,但是不影响时间,选项B错误,D正确;由光电子的最大初动能为Ek=hν-W0可知,当仅改变入射光的强度时,光电子的最大初动能不变,选项C正确。
2.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
3.(多选)关于光的波粒二象性,下列说法正确的是(　　)
A.光的频率越高,衍射现象越明显
B.光的频率越高,粒子性越明显
C.大量光子产生的效果往往显示波动性
D.光的波粒二象性否定了光的电磁说
答案:BC
解析:光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明显,某些情况下波动性明显,选项D错误。光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性越不明显,衍射现象越不明显,选项B正确,A错误。大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性,选项C正确。
4.研究光电效应的电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像正确的是(　　)
C
解析:频率相同的光照射同一金属时,发射出的光电子的最大初动能相同,所以截止电压相同;饱和电流与光的强度有关,光的强度越大,饱和电流越大,故选项C正确。
5.用阴极K为金属铷的光电管观测光电效应现象,实验装置如图甲所示。实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,纵轴与横轴交点的横坐标为ν0,图线与横轴交点的横坐标为ν1。已知普朗克常量为h,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是(　　)
B.金属铷的逸出功为hν0
C.欲测遏止电压,电源左端应为正极
D.当电源左端为正极时,微安表示数
随电压表示数的增大而持续增大
A
属铷的逸出功为W0=hν1,选项B错误;由题图甲可知,欲测遏止电压,电源右端应为正极,选项C错误;当电源左端为正极、电流达到饱和光电流时,微安表示数不再随电压表示数的增大而增大,选项D错误。
6.爱因斯坦为了解释光电效应现象,提出“光子”概念,并给出光电效应方程,但这一观点一度受到质疑,密立根通过下述实验来验证其理论的正确性。实验电路如图甲所示,当频率为ν的可见光照射到阴极K上时,电流表中有电流通过。
甲
乙
(1)当滑动变阻器的滑片位于左端时,电压表的示数　　　　,电流表的示数　　　　。(均选填“不为0”或“为0”)
(2)在光照条件不变的情况下,滑动变阻器的滑片由左向右移动的过程中,通过电流表的光电流将　　　　　　　　　(选填“一直不变”或“先增大后不变”)。
(3)对调电源的正负极,由左向右移动滑动变阻器的滑片,当电流表的示数刚减小到零时,电压表的示数为5.6 V,则阴极K逸出的光电子的最大初动能为　　　　 eV。
(4)用不同频率的光照射阴极K均能产生光电效应,测量金属的遏止电压Uc与入射光频率ν,得到Uc-ν图像如图乙所示,根据图像可得阴极K金属的截止频率νc=　　　　 Hz。
答案:(1)为0　不为0
(2)先增大后不变
(3)5.6
(4)5.0×1014

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