高中物理教科版高中選修-第四章波粒二象性光電效應(yīng)與光的量子說

第二節(jié)光電效應(yīng)與光的量子說第四章波粒二象性太陽能電池板如何實(shí)現(xiàn)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能？光電效應(yīng)如圖1是研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的裝置圖，實(shí)驗(yàn)1如圖1是研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的裝置圖，請(qǐng)結(jié)合裝置圖及產(chǎn)生的現(xiàn)象回答下列問題：圖1(1)實(shí)驗(yàn)中，利用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器有張角，這說明了什么？怎樣證明其電性？鋅板在紫外燈的照射下發(fā)生怎樣的變化？答案鋅板帶電關(guān)閉紫外燈后用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸驗(yàn)電器，夾角變小或?yàn)榱?，說明鋅板帶正電。原來中性的鋅板帶正電，說明鋅板向外放出電子。實(shí)驗(yàn)1一、光電效應(yīng)現(xiàn)象如圖1是研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的裝置圖，請(qǐng)結(jié)合裝置圖及產(chǎn)生的現(xiàn)象回答下列問題：圖1(2)利用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器有張角，而用白光照射鋅板，驗(yàn)電器無張角，紫外線和白光誰的頻率高？這說明了能否發(fā)生光電效應(yīng)取決于光的什么？答案紫外線金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)，決定于入射光的頻率，高于某個(gè)極限頻率才能發(fā)生。實(shí)驗(yàn)1一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象

當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中的電子因吸收光的能量而逸出金屬表面的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。1、逸出的電子稱為光電子2、對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的極限頻率c。當(dāng)入射光頻率

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時(shí)，電子才能逸出金屬表面。分組實(shí)驗(yàn)：為了更好的探究光電效應(yīng)的規(guī)律，我們用光電管來做實(shí)驗(yàn)，光電管結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2可簡(jiǎn)化為圖3所示：（光電子形成的電流可以用電流表G測(cè)出，叫光電流）實(shí)驗(yàn)2一、光電效應(yīng)現(xiàn)象圖3分組實(shí)驗(yàn)：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示儀如圖4所示實(shí)驗(yàn)2一、光電效應(yīng)現(xiàn)象2517圖4操作1：接通電源，蓋上燈罩，通過旋轉(zhuǎn)燈罩方向改變光照強(qiáng)度，觀察電流表示數(shù)變化。操作2：把燈罩轉(zhuǎn)到合適方向，保持光強(qiáng)一定，增大光電管兩端電壓，觀察電流表示數(shù)變化。操作3：在操作2基礎(chǔ)上，把燈罩轉(zhuǎn)動(dòng)，增加光強(qiáng)，觀察電流表示數(shù)變化。操作4：保持燈泡亮度不變，迅速蓋上燈罩。觀察電流表示數(shù)變化。在迅速拿開燈罩，觀察電流表示數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)2一、光電效應(yīng)現(xiàn)象現(xiàn)象：示數(shù)逐漸變大，增大到某一數(shù)值不再隨電壓增大而增大，說明光電流的存在飽和值?，F(xiàn)象：示數(shù)隨光照強(qiáng)度增大而增大。說明光電流隨光強(qiáng)增大而增大。現(xiàn)象：蓋上燈罩瞬間電流表示數(shù)變?yōu)榱?，打開瞬間，電流表有示數(shù)。說明光電效應(yīng)瞬間發(fā)生。現(xiàn)象：隨著光強(qiáng)增大，電流表示數(shù)增大。說明光電流的飽和值隨光強(qiáng)增大而增大④光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；進(jìn)一步精確的實(shí)驗(yàn)表面光電效應(yīng)有以下特征：－++++++

一一一一一一vEEUFKAUC叫做遏止電壓①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10-9秒.二、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如何解釋上述實(shí)驗(yàn)規(guī)律？材料１：經(jīng)典物理學(xué)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)具有連續(xù)性和整體性，認(rèn)為物體具有的能量是一個(gè)整體，比如物體的重力勢(shì)能取決于質(zhì)量和高度且可以取任意值．對(duì)于光的能量來說，一般認(rèn)為光的強(qiáng)度越強(qiáng)表示光的能量越大，光的能量是一個(gè)不可分割的整體．材料２：量子化理論提出物質(zhì)世界具有分立性和不連續(xù)性，認(rèn)為帶電微粒的能量只能是某個(gè)能量值ε＝ｈν的整數(shù)倍，帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)也只能是以ε＝ｈν為單位一份一份地進(jìn)行．愛因斯坦在普朗克量子理論的啟發(fā)下提出“光子說”，他認(rèn)為電磁輻射（包括光）不僅在輻射和吸收能量時(shí)以ε＝ｈν為單位一份一份地進(jìn)行，電磁輻射（包括光）本身就是由一個(gè)一個(gè)不可分割的能量子（光子）ε＝ｈν組成．閱讀以下材料，思考后填寫表格，再進(jìn)行分組討論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律

經(jīng)典電磁理論解釋

量子化理論解釋

存在極限頻率

光的強(qiáng)度決定飽和電流

光的頻率決定遏止電壓

光電效應(yīng)瞬時(shí)性

表格：對(duì)光電效應(yīng)的兩種解釋光的強(qiáng)度越強(qiáng)，具有能量越大，只要光的強(qiáng)度足夠，光電子一定能逸出（無法解釋）光的強(qiáng)度越強(qiáng)，具有能量越大，能夠讓更多的電子克服原子核束縛，光電子數(shù)目越多光的強(qiáng)度越強(qiáng)，具有能量越大，光電子逸出后的初動(dòng)能越大，遏止電壓越高（無法解釋）若光的強(qiáng)度很弱，通過一段時(shí)間積累電子逸出所需能量，時(shí)間將超過１０－９ｓ（無法解釋）光的頻率越高，光子具有能量越大，只有當(dāng)光子能量使電子克服原子的引力做功，光電子才能逸出光的強(qiáng)度越強(qiáng)，含有的光子數(shù)越多，能夠讓更多的電子吸收光子能量，光電子數(shù)目越多光的頻率越高，光子具有能量越大，電子吸收光子能量逸出后初動(dòng)能越大，遏止電壓越高電子一次性吸收一個(gè)光子的能量逸出，無需時(shí)間積累，若能發(fā)生光電效應(yīng)僅需１０－９ｓ1.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程——光電子最大初動(dòng)能

——金屬的逸出功

W00

一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hν后，一部分消耗于電子從金屬內(nèi)逸出表面是所需做的功W0，剩下的轉(zhuǎn)化為逸出后光電子的初動(dòng)能Ekk，根據(jù)能量守恒可得：三.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程

金屬表面最外層的電子克服原子的引力所需做功，叫做逸出功。用表示。不同的物質(zhì)，逸出功不同

2、對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)一步解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無關(guān)。只有當(dāng)hν>W0時(shí)，才有光電子逸出光電效應(yīng)的截止頻率是：②光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。3.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦方程，h

的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。放大器控制機(jī)構(gòu)

可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。四.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管小結(jié)一、光電效應(yīng)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)規(guī)律①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須