1、第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 2光电效应 1.知道光电效应现象,了解光电效应的实验规律。 2.理解爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释,会用光电效应方程解决一些简单问 题。 3.了解康普顿效应及其意义。 4.知道光的波粒二象性。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 1.光电效应的概念 照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电 效应,这种电子常称为光电子。 1 | 光电效应的实验规律 2.研究光电效应的电路图 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 如图,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,阴极K在受到光照 时能够发射光电子。
2、阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整,电源的正负极也 可以对调。电源按图示极性连接时,闭合开关后,阳极A吸收阴极K发出的光电子, 在电路中形成光电流。这导致电压U为0时电流I并不为0。 3.光电效应的实验规律 (1)存在截止频率 当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明,不同金属的 截止频率不同。换句话说,截止频率与金属自身的性质有关。 (2)存在饱和电流 在光照条件不变的情况下,在电流较小时电流随着正向电压的增大而增大; 但当电流增大到一定值之后,即使电压再增大,电流也不会再进一步增大了, 如图所示,光电流趋于一个饱和值。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 光电流
3、与电压的关系 (3)存在遏止电压 如果施加反向电压,也就是阴极K接电源正极、阳极A接电源负极,在光电管两极间形 成使电子减速的电场,电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc 称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度,初速度的上限vc应 满足me=eUc。 1 2 2 c v 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 进一步的实验表明,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。光的频率改变时,遏止电压Uc也会改变。 (4)光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率c时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光 电流。精确测量表明产生电流的时间很
4、快,即光电效应几乎是瞬时发生的。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 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。不同种类的金属,其逸出功的大小也不相同。 2.光电效应与经典电磁理论的矛盾 矛盾之一:光电效应中存在截止频率 按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可以获得足够能 量从而逸出表面,不应存在截止频率。 矛盾之二:光电效应中,遏止电压由入射光的频率决定,与光的强弱无关 按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压Uc应该与 光的强弱有关。 矛盾之三:光电效应具有瞬时性 如果光
5、很弱,按经典电磁理论估算,电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸 出表面所需的能量,这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 2 | 光电效应经典解释中的疑难 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 1.光子说 (1)内容 假定电磁波本身的能量也是不连续的,即认为光本身就是由一个个不可分 割的能量子组成的,频率为的光的能量子为h,其中,h为普朗克常量。这些 能量子后来称为光子。 (2)光子能量 公式为=h,其中指光的频率。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)爱因斯坦在光电效应中能量守恒的理论 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 3 | 爱因斯坦的光
6、电效应理论 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 吸收一个光子获得的能量是h,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。 (2)爱因斯坦光电效应方程 Ek=h-W0,式中Ek为光电子的最大初动能,Ek=me。 3.爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释 (1)这个方程表明,只有当hW0时,光电子才可以从金属中逸出,c=就是光 电效应的截止频率。如图所示。 1 2 2 c v 0 W h 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 光电效应的Ek-图像 (2)对于同种频率的光,光较强时,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
7、的光电子较多,因而饱和电流较大。 (3)这个方程还表明,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关,而与光的强弱无 关。这就解释了遏止电压和光强无关。 (4)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 乎是瞬时产生的。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 4.遏止电压Uc与光的频率和逸出功W0的关系 利用光电子的初动能Ek=eUc和爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0,可以消去Ek,从而得 到Uc与、W0的关系,即Uc=-。 遏止电压Uc与光的频率之间是线性关系,Uc-图像是一条斜率为 的直线。 h e 0 W e h e 某金属的Uc-图像 第第1讲描述运动的基
8、本概念讲描述运动的基本概念 1.康普顿效应 19181922年,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,除了与入射波长0相同的成分外,还有波长大于0的成分,这个现象 称为康普顿效应。 2.康普顿效应与经典物理学理论的矛盾 按照经典物理学的理论,X射线的波长不会在散射中发生变化。因此,康普顿效应 无法用经典物理学解释。 3.用光子的模型解释康普顿效应 (1)光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量p与光的波长和普朗克常 量h有关。这三个量之间的关系式为p=。 h 4 | 康普顿效应和光子的动量 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 (2)在康普顿效应中,
9、当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量 转移给电子,因而,光子动量可能会变小。从式p=看,动量p减小,意味着波 长变大,因此,这些光子散射后波长变大。 光子既有能量也有动量 h 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 1.在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动 说被普遍接受。 2.光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。 3.光既具有波动性,又具有粒子性。换句话说,光具有波粒二象性 。 5 | 光的波粒二象性 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 1.金属钠表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。() 2.金属钾发生光电效应,入射光强
10、度越大,饱和电流越大。() 3.金属钙、钠、钾的逸出功不同,说明了金属种类不同对应的截止频率也不同。 () 4.入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越 多。() 提示:入射光的强度越大,光子数目越多,照射金属时产生的光电子就越多。 5.能产生光电效应的光必定是可见光。() 提示:频率大于金属的截止频率的光可以使该金属产生光电效应,不一定是可见光。 6.经典物理学理论不能合理解释康普顿效应。() 提示:康普顿效应与经典物理学的理论有矛盾,用光子的模型能成功解释康普顿效应。 7.光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。() 提示:光子不是宏观观念的粒子,不由分子、
11、原子组成。 判断正误，正确的画“ ” ，错误的画“ ” 。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 1 | 光电效应中的几组概念 光子的能量与入射光的强度光子的能量与入射光的强度 光子的能量即每个光子的能量,其值为=h(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 强度等于光子能量h与单位时间内单位面积上入射光子数n的乘积,即入射光的强 度等于nh。 光子与光电子光子与光电子 (1)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。 (2
12、)对于同一种金属,光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 光电子的初动能、最大初动能与遏止电压光电子的初动能、最大初动能与遏止电压 (1)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。 (2)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。 (3)遏止电压与光电子初速度的上限vc满足:me=eUc。 饱和电流、正向电压与光的强度三者之间的
13、关系饱和电流、正向电压与光的强度三者之间的关系 (1)存在饱和电流的原因 在一定的光照条件下,单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的,电压增加 到一定值时,所有光电子都被阳极A吸收,这时即使再增大电压,电流也不会增大。 1 2 2 c v 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 (2)饱和电流与正向电压的关系 从金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大, 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 所加正向电压大小无关。 (3)饱和电流与光的强度的关系 实验表明,在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这说明,
14、对于一定 频率(颜色)的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 2 | 爱因斯坦光电效应方程的理解及应用 情境如图甲所示,P在最左端,没有给光电管加电压,依然有光电流。如图乙所示, 给光电管加反向电压,光电子在光电管两极间形成的电场中做减速运动。当反向 电压增加到遏止电压Uc时,光电流减小到零。增加单色光的频率,发现对应的遏止 电压Uc变大。 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 问题 1.当反向电压达到遏止电压Uc时,光电流为零,说明初速度最大的光电子运动到极 板A时的速度恰好为多大? 提示:速度恰好为0。 2.遏止电压Uc与
15、光电子的最大初速度vc满足哪个与能量相关的规律?请写出相关方 程式。 提示:满足动能定理。方程式为0-me=-eUc。 3.综合应用爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0分析,对于同一个光电管,遏止电压Uc与 入射光的频率、强弱有什么关系? 提示:综合表达式可得Ek=me=eUc=h-W0,可知,遏止电压Uc与入射光的强弱无关, 与入射光的频率有关,入射光的频率越大,遏止电压Uc越大。 1 2 2 c v 1 2 2 c v 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0的四点理解的四点理解 (1)爱因斯坦光电效应方程中的Ek是光电子的最大初
16、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0Ek范围内的任何数值。 (2)爱因斯坦光电效应方程实质上是能量守恒方程。 能量为=h的光子被电子吸收,电子把这些能量的一部分用来克服金属对它的 吸引,另一部分就是电子离开金属表面时的动能。 如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量 守恒定律可知Ek=h-W0。 (3)爱因斯坦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=h-W00,可知hW0,=c,而c=恰好是光 电效应的截止频率。 0 W h 0 W h 第第1讲描述运动的基本概念讲描述运动的基本概念 (4)如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率的变化曲线。这里,横轴上的截 距是截止频率或极限频率;纵轴上的截距是逸出功的负值;斜率为普朗克常量。
