1、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：新课导入新课导入德 国 物 理 学 者 海 因 里海 因 里希希赫兹赫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1
2、8881888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因斯坦爱因斯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
3、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：保持保持，增大，增大U UAKAK，G G表中电流达到某一值后表中电流达到某一值后 ，即，即达到达到 值。值。不再增大不再增大饱和饱和保持保持，饱和，饱和电流电流 。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？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 I0
4、0，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 2c102ecm veU 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：对于对于的光，无论的光，无论光的强弱如何，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2c102ecm veU 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。新课教学新课教学1 1、光电效应实验结论、光电效应实验结论新课教学新课教学实验表明：实
5、验表明：即使入射光的强度非常微弱，只要即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。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，
6、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
7、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
8、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叫作这种金属的这种金属的逸出功。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
9、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？
10、（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 h6.636.631010-34-34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 金属中的金属中的电子吸收一个光子电子吸收
11、一个光子获得的能量是获得的能量是hvhv，一部，一部分大小为分大小为WW0 0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后出后电子电子的初动能的初动能。光电效应方程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
12、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
13、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-W0eUc=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
14、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 爱因斯坦提出光子说解释光电效应的时候，实验测量尚爱因斯坦提出光子说解释光电效应的时候，实验测量尚不精确，加上这种观点与当时的理论大相径庭，因此并未不精确，加上这种观点与当时的理论大相径庭，因此并未被物理学家们广泛承认，甚至被说成是被物理学家们广泛承认，甚至被说成是“在思辨中迷失目在思辨中迷失目标标”的的“冒昧的假设冒昧的假设”。美国物理学家密立根，花了美国物理
15、学家密立根，花了十年十年时间做光电效应实验，时间做光电效应实验，测量金属的遏止电压与入射光的频率，由此算出普朗克常测量金属的遏止电压与入射光的频率，由此算出普朗克常量量h h ，并与普朗克根据黑体辐射得出的，并与普朗克根据黑体辐射得出的h h相比较，在相比较，在19151915年年证实了爱因斯坦的光电效应方程，两种方法得到的普朗克证实了爱因斯坦的光电效应方程，两种方法得到的普朗克常量常量h h 在在0.5%0.5%的误差范围内一致，又一次证明了的误差范围内一致，又一次证明了“光量子假光量子假说说”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1
16、921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题：习题：(多选多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，图线与横轴的交点坐标为光频率的变化图线，图线与横轴的交点坐标为(4.27,0)(4.27,0)，与纵轴的交点坐标为，与纵轴的交点坐标为(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4.274.2710101414 Hz HzB B该金属的截
17、止频率为该金属的截止频率为5.55.510101414 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，发现当电压表读数小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
18、大于或等于0.6 V0.6 V时，电流表时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为读数为零。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题：入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度习题：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，而频率保持不变，那么减弱，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
19、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年康普顿在做年康普顿在做 X X 射线通过物质散射的实射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长验时，发现散射线中除有与入射线波长 0 0相同的相同的射线外，还有波长比射线外，还有波长比 0
20、 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2mcmcE E hE)(2c ch hm m 2hhhpmcccc 爱因斯坦质能方程：爱因斯坦质能方程：光子能量：光子能量：
21、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
22、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，吴有训用银的年，吴有训用银的X X射线为入射线射线为入射线,以以1515种种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量波长
23、的散射光强度，作了大量 X X 射线散射实验。对射线散射实验。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/年年波动性波动性粒子性粒子性惠更斯惠更斯波动说波动说牛顿牛顿微粒说微粒说爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说托马托马斯斯杨杨双缝干双缝干涉实验涉实验菲涅菲涅耳衍耳衍射实射实验验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密立密立根光根光电效电效应实应实验验康普康普顿效顿效应应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
24、二波粒二象性象性。hhp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 hph 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
25、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)不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能可能相同，但最大初动能一定不同。可
26、能相同，但最大初动能一定不同。()(2)(2)若用光照射光电管能发生光电效应，给光电管加正向电压时，光电流若用光照射光电管能发生光电效应，给光电管加正向电压时，光电流随电压的增大会一直增大，加反向电压时，光电流随电压增大而逐渐减随电压的增大会一直增大，加反向电压时，光电流随电压增大而逐渐减小至小至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)(
27、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
28、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
