光電效應(yīng)+課件 【 知識(shí)精研精講提升】 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

§4.2光電效應(yīng)高二物理（人教版2019）選擇性必修第三冊(cè)第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性思考與討論:把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，并使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗(yàn)電器指針的變化。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么問題？用紫外線燈照射后，驗(yàn)電器張開的指針夾角會(huì)變小,說(shuō)明鋅板帶的負(fù)電荷變少了。這意味著，紫外線會(huì)讓電子從鋅板表面逸出。1.光電效應(yīng)：照射在金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。

逸出的電子稱為光電子。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.光電管：利用光電效應(yīng)制成的一種光學(xué)元件，

它的作用是把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯抗怆娦?yīng)中電子發(fā)射的情況與照射光的強(qiáng)弱、

光的顏色(頻率)等物理量之間的關(guān)系。2、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置⑴陰極K和陽(yáng)極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極。⑵K在受到光照時(shí)能夠發(fā)射光電子。⑶陽(yáng)極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，形成光電流，光電流越大，說(shuō)明光電效應(yīng)越強(qiáng)。陰極K與陽(yáng)極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源的正負(fù)極也可以對(duì)調(diào)。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）當(dāng)入射光頻率減小到某一數(shù)值c時(shí)，光電流消失，這表明已經(jīng)沒有光電子了。c稱為截止頻率或極限頻率。即當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。3.存在截止頻率（2）金屬要發(fā)生光電效應(yīng)與入射光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)。（3）入射光頻率低于截止頻率時(shí)，不光光照多強(qiáng)，金屬都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。（4）不同金屬的截止頻率不同，截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。4.存在飽和電流一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律4.存在飽和電流（2）在光的頻率（顏色）不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。（1）在光照不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值。即電流較小時(shí)電流隨著電壓的增大而增大；但當(dāng)電流增大到一定值之后，即使電壓再增大，電流也不會(huì)進(jìn)一步增大了.一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律這說(shuō)明，在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽(yáng)極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。施加反向電壓一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律5.存在遏止電壓（1）當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，光電流恰為0。Uc稱遏止電壓。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律5.存在遏止電壓

擁有最大初動(dòng)能（能量）的光電子到達(dá)A極時(shí)，動(dòng)能剛好減小為零，而動(dòng)能的改變是由于電場(chǎng)力做功：－++++++一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子作減速運(yùn)動(dòng)。若速率最大的記為vC最大的初動(dòng)能U=0時(shí)，I≠0，因?yàn)殡娮佑谐跛俣葎tI=0，式中UC為遏止電壓EEUFKA速率最大的是vc光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律5.存在遏止電壓（1）當(dāng)K、A間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值Uc時(shí)，

光電流恰為0。Uc稱遏止電壓。（2）同一種金屬對(duì)于一定頻率(顏色)的光,無(wú)論光的強(qiáng)弱如何,遏止電壓UC是一樣的；（3）光的頻率改變，遏止電壓UC也會(huì)改變。（4）這表明對(duì)于同一種金屬，光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，

而與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。當(dāng)頻率超過截止頻率vC時(shí)，無(wú)論入射光的強(qiáng)度怎么微弱，照到金屬時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生光電流。精確測(cè)量表明產(chǎn)生電流的時(shí)間很快，即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。6.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時(shí)間不超過10－9

s（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。

人們知道，金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。但在溫度不很高時(shí)，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢？思考與討論:

這表明金屬表面層內(nèi)存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難逸出功W0：要使電子脫離某種金屬，需要外界對(duì)它做功，做功的最小

叫做這種金屬的逸出功。即電子要想從金屬中脫離，至少要吸收W0的能量。幾種金屬的截止頻率和逸出功逸出功的大小取決于金屬的特性光的經(jīng)典電磁理論無(wú)法解釋的光電效應(yīng)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：2.光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓UC應(yīng)與光的強(qiáng)弱有關(guān)。1.不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率。3.如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生光電流的時(shí)間。二、光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾，

經(jīng)典電磁理論更是無(wú)法解釋。1.光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來(lái)被稱為光子。三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論2.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程：當(dāng)光子照到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中的某個(gè)電子全部吸收，金屬中的電子吸收一個(gè)光子的能量hv后，一部分大小為W0的能量被電子用來(lái)脫離金屬，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：hv＝W0+EKEK=hv-W0光電效應(yīng)方程

——光電子最大初動(dòng)能注意：式中Ek是光電子的最大初動(dòng)能,就某個(gè)光電子而言,其離開金屬時(shí)的動(dòng)能大小可以是0~Ek

范圍內(nèi)的任何數(shù)值。三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論3.光電效應(yīng)的Ek-ν圖像：①斜率k=h（普朗克常數(shù)）②橫截距νc（截止頻率）③縱截距為－W0（逸出功的負(fù)值）

EK=hv-W0⑴截止頻率的解釋光照射到金屬中的電子時(shí)，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，也就是hv的能量。hv>W0→產(chǎn)生光電效應(yīng)hv<W0→無(wú)光電效應(yīng)

hv=W0→就是截止頻率4.光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論EK=hv-W0⑵遏止電壓的解釋

對(duì)某種金屬W0一定，遏止電壓Uc只與入射光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。eUc=hv-W0遏止電壓EK=hv-W04.光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論⑶瞬時(shí)性的解釋

對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多,

照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。⑷飽和電流的解釋到此為止光量子理論完美解釋了光電效應(yīng)的各種現(xiàn)象。電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。（每個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子，同時(shí)吸收兩個(gè)光子的概率幾乎為零）。EK=hv-W04.光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論思考與討論：

愛因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率v的關(guān)系。但是，很難直接測(cè)量光電子的動(dòng)能，容易測(cè)量的是遏止電壓Uc。

那么，怎樣得到截止電壓Uc與光的頻率v和逸出功W0的關(guān)系呢?某金屬的Uc-v圖像EK=hv-W0

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，根據(jù)光電效應(yīng)測(cè)得h與普朗克黑體輻射得出的h在0.5%的誤差范圍內(nèi)一致，這為愛因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。愛因斯坦由于提出了光電效應(yīng)理論而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從1907年起，美國(guó)物理學(xué)家密立根開始以精湛的技術(shù)測(cè)量光電效應(yīng)中幾個(gè)重要的物理量。他的目的是：測(cè)量金屬的遏止電壓Uc與入射光的頻率v，由此算出普朗克常量h，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，以檢驗(yàn)愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。5.密立根驗(yàn)證光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)顯示了：光子和其他粒子一樣，也具有能量，光具有粒子性。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)兩位wuli大佬X射線λ＝λ0石墨體（散射物質(zhì)）λ=λ0λ>λ0光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)

1.光的散射四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量X射線λ＝λ0石墨體（散射物質(zhì)）λ=λ0λ>λ03.經(jīng)典物理學(xué)理論無(wú)法解釋康普頓效應(yīng)入射的電磁波引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動(dòng)，振動(dòng)著的帶電微粒進(jìn)而再次產(chǎn)生電磁波，并向四周輻射，這就是散射波。散射的X射線頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動(dòng)的頻率，也就是入射X射線的頻率。相應(yīng)的，X射線的波長(zhǎng)也不會(huì)在散射中發(fā)生變化。四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)λ和普朗克常量h有關(guān)：愛因斯坦質(zhì)能方程：光子能量：E=hν4.光子模型解釋康普頓效應(yīng)波長(zhǎng)變長(zhǎng)的解釋：P↓——λ↑四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量4.光子模型解釋康普頓效應(yīng)（1）若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。（2）若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。（3）因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。四、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量5.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)。（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)。（3）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。五、光的波粒二象性1.人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)牛頓的微粒說(shuō)惠更斯和托馬斯楊的波動(dòng)說(shuō)麥克斯韋的電磁理論愛因斯坦的光子理論2.光具有波粒二象性(1)光在傳播過程中表現(xiàn)出波動(dòng)性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。(2)光在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。光子能量：E=hν

粒子性光子動(dòng)量：

波動(dòng)性

T/年波動(dòng)性粒子性1690惠更斯波動(dòng)說(shuō)1672牛頓微粒說(shuō)1905愛因斯坦光子說(shuō)1864麥克斯韋電磁說(shuō)1801托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1