【课件】光电效应 课件 2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册.pptx

第四章第四章 第第2 2节节 光电效应光电效应选择性必修 第三册新课导入新课导入光是粒子还是波？光是粒子还是波？光是粒子还是波？光是粒子还是波？1717世纪明确形成了两大对立学说世纪明确形成了两大对立学说牛顿牛顿牛顿牛顿惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯微粒说微粒说微粒说微粒说波动说波动说波动说波动说直到直到直到直到19191919世纪末爱因斯坦对光电效应现象进行解释世纪末爱因斯坦对光电效应现象进行解释世纪末爱因斯坦对光电效应现象进行解释世纪末爱因斯坦对光电效应现象进行解释由于波动说由于波动说由于波动说由于波动说没有数学基没有数学基没有数学基没有数学基础以及牛顿础以及牛顿础以及牛顿础以及牛顿的威望使得的威望使得的威望使得的威望使得微粒说一直微粒说一直微粒说一直微粒说一直占上风占上风占上风占上风19191919世纪初证明了波动说的正确性世纪初证明了波动说的正确性世纪初证明了波动说的正确性世纪初证明了波动说的正确性新课导入新课导入把一块锌板连接在验电器上，并使锌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线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。化。这个现象说明了什么问题？这个现象说明了什么问题？思考与讨论：思考与讨论：什么是光电效应？什么是光电效应？什么是光电效应？什么是光电效应？新课导入新课导入德国物理学者海海因因里里希希赫赫兹兹做实验观察到光电效应、电磁波的发射与接收。18871887年年海因里希海因里希赫兹赫兹莱纳德莱纳德18881888至至1 1904904年间年间史托勒托夫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莱纳德又发布了几个关于光电效应的重要实验结果爱爱因因斯斯坦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爱因斯坦1 1905905年年新课教学新课教学1 1、光电效应的实验、光电效应的实验光电管光电管电流表电流表：测光电流的大小电压表电压表：测两极之间的电压大小滑动变阻器滑动变阻器：改变两极之间的电压大小实验目的：研究实验目的：研究光电效应中光电效应中电子发射的情况电子发射的情况与与照射照射光的强弱、光的颜色光的强弱、光的颜色(频率频率)等物理量间的关系等物理量间的关系。新课教学新课教学1 1、光电效应实验结论、光电效应实验结论实验表明：实验表明：保保持持光光光光频频频频率率率率、光光光光强强强强不不不不变变变变，增增大大U UAKAK，G G表表中中电电流流达达到到某某一一值值后后 ，即即达到达到 值。值。不再增大不再增大饱和饱和保保持持光光光光频频频频率率率率不不不不变变变变，增增增增大大大大光光光光强强强强，饱饱和和电流电流 。增大增大U UAKAK=0=0时，时，I I =0=0吗？吗？思考：思考：怎样才能让电流减小为怎样才能让电流减小为0 0？存在饱和电流存在饱和电流新课教学新课教学施加反向电压施加反向电压当加反向电压时，如右图所示：当加反向电压时，如右图所示：光电子作减速运动。设其中速率光电子作减速运动。设其中速率最大的是最大的是V Vc c；U U=0=0时，时，I I00，电子有初速度电子有初速度则则I=0I=0，式中，式中U UC C为为遏止电压遏止电压最大的初动能最大的初动能vCEFK KA A+一 一 一 一 新课教学新课教学1 1、光电效应实验结论、光电效应实验结论实验表明：实验表明：对对于于一一一一定定定定颜颜颜颜色色色色（频频频频率率率率）的的光光，无无论论光的强弱如何，遏止电压光的强弱如何，遏止电压 的。的。都是一样都是一样大大因此，光电子的最大初动能只与入射光因此，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。的频率有关，与入射光的强弱无关。存在遏制电压存在遏制电压新课教学新课教学1 1、光电效应实验结论、光电效应实验结论存在截止频率存在截止频率新课教学新课教学实验表明：实验表明：即即使使入入射射光光的的强强度度非非常常微微弱弱，只只要要入入射射光光频频率率大大于于被被照照金金属属的的截截止止频频率率，电电流流表表指指针针也也几几乎乎是是随随着着入入射射光光照照射射就立即偏转。就立即偏转。1 1、光电效应实验结论、光电效应实验结论具有瞬时性具有瞬时性1010-9-9巩固练习巩固练习习题：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，验电器电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器指针张开一个角度指针张开一个角度，如图，如图所示，这时所示，这时 ()()A A锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B B锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C C锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D D锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B B巩固练习巩固练习习题：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（一种方法可能使该金属发生光电效应（）A.A.增大入射光的强度增大入射光的强度B.B.增加光的照射时间增加光的照射时间C.C.改用黄光照射改用黄光照射D.D.改用紫光照射改用紫光照射D D习题：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、丙光甲光、乙光、丙光)，如图所示则可判断出如图所示则可判断出()A A甲光的频率大于乙光的频率甲光的频率大于乙光的频率B B乙光的波长大于丙光的波长乙光的波长大于丙光的波长C C乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D 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 B巩固练习巩固练习新课教学新课教学逸出功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。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：逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值做功的最小值叫作这叫作这种金属的种金属的逸出功。逸出功。金属金属钨钨钙钙钠钠钾钾铷铷vc/（1014HZ）10.9510.957.737.735.535.535.445.445.155.15W0/eV4.544.543.203.202.292.292.252.252.132.13不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。新课教学新课教学2 2、光电效应经典解释的疑难、光电效应经典解释的疑难这些结论与实验结果这些结论与实验结果相相矛矛盾盾，经典电磁理论更是经典电磁理论更是无法解释无法解释。经典解释：经典解释：强度越大，逸出的光电子数越多，光电流越大；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；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；足够能量就会形成光电子；能量的可以随时间积累。能量的可以随时间积累。新课教学新课教学（1 1）在空间传播的光是连续还是是一份一份的？）在空间传播的光是连续还是是一份一份的？（2 2）光子的能量与什么有关系？）光子的能量与什么有关系？（3 3）光子的能量如何表示？）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，在空间传播的光不是连续的而是一份一份的，每一份叫做一个每一份叫做一个光子光子.光子的能量跟它的光子的能量跟它的频率频率成正比成正比E Eh h 表示光的频率表示光的频率h h 叫普朗克常量，叫普朗克常量，h h6.63106.6310-34-34焦耳秒焦耳秒3 3、光子说、光子说(爱因斯坦于爱因斯坦于19051905年提出年提出)爱因斯坦爱因斯坦新课教学新课教学EK=hv-W0hvW0+EKhvW0EK 金金属属中中的的电电子子吸吸收收一一个个光光子子获获得得的的能能量量是是hvhv，一一部部分分大大小小为为WW0 0的的能能量量被被电电子子用用来来脱脱离离金金属属，剩剩下下的的是是逸逸出后出后电子电子的初动能的初动能。光电效应方程=1220光电子最大初动能光电子最大初动能 金属的逸出功金属的逸出功 通过这个方程爱因斯坦完美通过这个方程爱因斯坦完美地地解释了光电效应实验的规律。解释了光电效应实验的规律。注意注意：式：式中中E Ek k是光电子的最大初动能是光电子的最大初动能,就某个光电子而言就某个光电子而言,其离开金属时的动能其离开金属时的动能大小可以是大小可以是 00 E Ek k 范围内的任何数值范围内的任何数值。4 4、爱因斯坦光电效应方程、爱因斯坦光电效应方程新课教学新课教学5 5、光子说对光电效应的解释、光子说对光电效应的解释 =因此，单位时间内照射到金属表面的光子数因此，单位时间内照射到金属表面的光子数较多较多,照射照射金属时产生的光电子较多，因而金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大饱和电流较大。新课教学新课教学5 5、光子说对光电效应的解释、光子说对光电效应的解释 EK=hv-W0根据爱因斯坦光电效应方程可知根据爱因斯坦光电效应方程可知=12=eUc=hv-W0新课教学新课教学 5 5、光子说对光电效应的解释、光子说对光电效应的解释EK=hv-W0=新课教学新课教学 5 5、光子说对光电效应的解释、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，电子一次性吸收光子的全部能量，不需不需要积累能量的时间要积累能量的时间，光电流自然几乎是，光电流自然几乎是瞬时发生瞬时发生的。（每个电子只能吸收一个的。（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光子，同时吸收两个光子的概率几乎为零零）新课教学新课教学5 5、光子说对光电效应的解释、光子说对光电效应的解释EK=hv-W0=12=eUc=hv-W0某金属的某金属的Uc-v图像图像思考：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。截止电压截止电压Uc与光的频率与光的频率v v和逸出功和逸出功W0的关系呢的关系呢?新课教学新课教学6 6、密立根验证光电效应方程、密立根验证光电效应方程密里根密里根 爱爱因因斯斯坦坦提提出出光光子子说说解解释释光光电电效效应应的的时时候候，实实验验测测量量尚尚不不精精确确，加加上上这这种种观观点点与与当当时时的的理理论论大大相相径径庭庭，因因此此并并未未被被物物理理学学家家们们广广泛泛承承认认，甚甚至至被被说说成成是是“在在思思辨辨中中迷迷失失目目标标”的的“冒昧的假设冒昧的假设”。美美国国物物理理学学家家密密立立根根，花花了了十十年年时时间间做做光光电电效效应应实实验验，测测量量金金属属的的遏遏止止电电压压与与入入射射光光的的频频率率，由由此此算算出出普普朗朗克克常常量量h h ，并并与与普普朗朗克克根根据据黑黑体体辐辐射射得得出出的的h h相相比比较较，在在19151915年年证证实实了了爱爱因因斯斯坦坦的的光光电电效效应应方方程程，两两种种方方法法得得到到的的普普朗朗克克常常量量h h 在在0.5%0.5%的的误误差差范范围围内内一一致致，又又一一次次证证明明了了“光光量量子子假假说说”理论的正确。理论的正确。新课教学新课教学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巩固练习习习题题：(多多选选)如如图图所所示示是是用用光光照照射射某某种种金金属属时时逸逸出出的的光光电电子子的的最最大大初初动动能能随随入入射射光光频频率率的的变变化化图图线线，图图线线与与横横轴轴的的交交点点坐坐标标为为(4.27,0)(4.27,0)，与与纵纵轴轴的的交交点点坐坐标标为为(5.5,0.5)(5.5,0.5)。由图可知。由图可知()A A该金属的截止频率为该金属的截止频率为4.27104.27101414 Hz HzB B该金属的截止频率为该金属的截止频率为5.5105.5101414 Hz HzC C该图线的斜率表示普朗克常量该图线的斜率表示普朗克常量D D该金属的逸出功为该金属的逸出功为0.5 eV0.5 eVACAC巩固练习巩固练习习题习题：如图所示，当开关如图所示，当开关K K断开时，用光子能量为断开时，用光子能量为2.5 eV2.5 eV的一束光照射阴极的一束光照射阴极P 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，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小于0.6 V0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V0.6 V时，电流时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为()A.1.9 A.1.9 eV eV B.0.6 B.0.6 eVeVC.2.5 eV C.2.5 eV D.3.1 D.3.1 eVeVA A巩固练习巩固练习习习题题：入入射射光光照照射射到到某某金金属属表表面面上上发发生生光光电电效效应应，若若入入射射光光的的强强度度减减弱，而频率保持不变，那么弱，而频率保持不变，那么()A.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.B.逸出的光电子的最大初动能将减小逸出的光电子的最大初动能将减小C.C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.D.有可能不发生光电效应有可能不发生光电效应C C新课教学新课教学7 7、康普顿效应、康普顿效应 光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变因而传播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射。光的散射。19231923年年康康普普顿顿在在做做 X X 射射线线通通过过物物质质散散射射的的实实验验时时，发发现现散散射射线线中中除除有有与与入入射射线线波波长长 0 0相相同同的的射线外，还有波长比射线外，还有波长比 0 0更大的成分更大的成分。思考：思考：散射线中出现波长比散射线中出现波长比 0 0更大的成分说明什么？更大的成分说明什么？新课教学新课教学7 7、康普顿效应、康普顿效应经典经典当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，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其频率等于入射光频率，所以它所发射的，所以它所发射的散射光频率散射光频率应等于应等于入射入射光频率光频率。光子理论光子理论光子光子不仅不仅具有能量具有能量，而且，而且具有动量具有动量爱因斯坦质能方程：爱因斯坦质能方程：光子能量：光子能量：新课教学新课教学7 7、康普顿效应、康普顿效应波长变长的解释：波长变长的解释：P若光子和若光子和外层电子外层电子相碰撞，光子有一部分能相碰撞，光子有一部分能量传给电子，量传给电子，散射光子散射光子的能量减少，于是的能量减少，于是散散射光射光的波长大于的波长大于入射光入射光的波长。的波长。若光子和束缚很紧的若光子和束缚很紧的内层电子内层电子相碰撞，相当相碰撞，相当于光子与整个原子碰撞，由于光子质量远小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。能量几乎不变，波长不变。新课教学新课教学7 7、康普顿散射实验的意义、康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设；（2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；（3 3）证实了）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。立的。科学故事：科学故事：1925192619251926年年，吴吴有有训训用用银银的的X X射射线线为为入入射射线线,以以1515种种轻轻重重不不同同的的元元素素为为散散射射物物质质，在在同同一一散散射射角角测测量量各各种种波波长长的的散散射射光光强强度度，作作了了大大量量 X X 射射线线散散射射实实验验。对对证实康普顿效应作出了重要贡献。证实康普顿效应作出了重要贡献。新课教学新课教学T T/年年波波动动性性粒粒子子性性1690169016901690惠惠更更斯斯波波动动说说1672167216721672牛牛顿顿微微粒粒说说1905190519051905爱爱因因斯斯坦坦光光子子说说1864186418641864麦麦克克斯斯韦韦电电磁磁说说1801180118011801托马斯托马斯杨双杨双缝干涉缝干涉实验实验1814181418141814菲涅菲涅耳衍耳衍射实射实验验1888188818881888赫兹赫兹电磁电磁波实波实验验赫兹赫兹发现发现光电光电效应效应1916191619161916密立密立根光根光电效电效应实应实验验1922192219221922康普康普顿效顿效应应牛牛牛牛顿顿顿顿微微微微粒粒粒粒说说说说占占占占主主主主导导导导地地地地位位位位波动说渐成真理波动说渐成真理波动说渐成真理波动说渐成真理1909190919091909爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦光光光光的的的的波波波波粒粒粒粒二二二二象象象象性性性性光光学学发发展展史史新课教学新课教学大量事实说明：大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光是一种波，同时也是一种粒子，光具有光具有波粒二波粒二象性象性。粒子性粒子性波动性波动性（具有能量E）（具有频率（具有频率f f）（具有动量）h hh h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁架起了粒子性与波动性之间的桥梁（具有波长）（具有波长）8 8、光的波粒二象性、光的波粒二象性新课教学新课教学8 8、光的波粒二象性、光的波粒二象性波粒二象性波粒二象性波长较长时，波长较长时，表现出表现出波动性波动性波长较短时，波长较短时，表现出表现出粒子性粒子性与与物体相互作用时，表现出物体相互作用时，表现出粒子性粒子性光的粒子性和波动性是光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现在不同条件下的表现知识总结知识总结2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程EK=hv-W01.1.光电效应实验结论：频率一定，入射光越强，饱和电流越大；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；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；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。光电效应具有瞬时性。3.3.康普顿效应和光子的动量康普顿效应和光子的动量4.4.光的波粒二象性光的波粒二象性=巩固练习巩固练习(1)(1)不不同同频频率率的的光光照照射射到到同同一一金金属属表表面面发发生生光光电电效效应应时时，光光电电子子的的初初动动能能可能相同，但最大初动能一定不同。可能相同，但最大初动能一定不同。()(2)(2)若若用用光光照照射射光光电电管管能能发发生生光光电电效效应应，给给光光电电管管加加正正向向电电压压时时，光光电电流流随随电电压压的的增增大大会会一一直直增增大大，加加反反向向电电压压时时，光光电电流流随随电电压压增增大大而而逐逐渐渐减减小至小至0 0。()(3)(3)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。()(4)(4)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。()(5)“(5)“光子光子”就是就是“光电子光电子”的简称。的简称。()(6)(6)光子具有动量说明光具有粒子性。光子具有动量说明光具有粒子性。()巩固练习巩固练习习题：习题：对于对于光的行为，下列说法正确的是（光的行为，下列说法正确的是（）A.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.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.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，就不具有波动性了性了 D.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场合下光的粒子性表现明显BDBD巩固练习巩固练习习题：习题：关于关于光的本性，下列说法正确的是（光的本性，下列说法正确的是（）A.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说，它们都说明了光的本性B.B.光具有波粒二象性是指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观概念上的粒子C.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.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的C C