高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应说课ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应说课ppt课件，共57页。PPT课件主要包含了光电效应，光电子，最小频率νc，截止频率，金属自身，饱和值，反向电压Uc，遏止电压，产生光电流，瞬时发生等内容，欢迎下载使用。
知识点一 　光电效应及其实验规律
1.如图所示,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.用紫外线灯照射锌板,观察验电器指针有什么变化.这个现象说明了什么问题?
答案:用紫外线灯照射后,验电器张开的指针夹角会变小;说明锌板带的负电荷变少了,这意味着,紫外线会让电子从锌板表面逸出.
2.光电效应:照射到金属表面的光(包括不可见光),能使金属中的电子从表面 ,这个现象称为光电效应;在光的照射下从金属表面逸出的电子常称为 .3.光电效应的实验规律.(1)存在截止频率:对于给定的阴极材料,都存在一个发生光电效应所需的入射光的 ,叫作光电效应的截止频率或极限频率.只有频率超过 的光,才能引起光电效应.不同金属材料的 不同,截止频率与 的性质有关.
(2)存在饱和电流:在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个 ,叫作饱和电流;在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流 .(3)存在遏止电压:如果电源反接,在光电管两极间形成使电子减速的电场,使光电流减小到0的 称为 ;对同一种金属来说,遏止电压与光的强弱 ,与光的频率ν ,也就是说对于同一种金属,光电子的能量只与入射光的频率 ,而与入射光的强弱 .(4)光电效应具有瞬时性:当频率超过截止频率νc 时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即 ,即光电效应几乎是 的.
知识点二　光电效应经典解释中的疑难
1.金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则运动.但在温度不很高时,电子并不能大量逸出金属表面,这是为什么呢?
答案:因为金属表面层内的电子会受到原子核的吸引力作用.要离开金属表面,电子必须具有足够的能量用于克服原子核的吸引力做功.
2.逸出功:要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的 叫作这种金属的逸出功;金属的逸出功由金属 决定,不同的金属材料,其逸出功不同.
3.按照光的电磁理论,不管光的频率如何,光越强,照射到金属表面的能量越多,据此你认为光电效应是否应该存在截止频率?
答案: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金属表面,光电效应不应存在截止频率.
4.按照光的电磁理论,遏止电压Uc与光的强弱是否有关?
答案:按照光的电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,遏止电压Uc 应该与光的强弱有关.
5.按照光的电磁理论估算,发生光电效应的时间与实际发生光电效应的时间有什么不同?
答案: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.
知识点三　 爱因斯坦的光电效应理论
1.爱因斯坦提出光子说,即认为光本身就是由一个个 的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子后来称为 .2.爱因斯坦光电效应方程: .hν为光子的能量,Ek是逸出金属表面后电子的 ,W0是金属的 .
知识点四　康普顿效应和光子的动量
1.康普顿效应: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λ0 相同的成分外,还有波长 λ0 的成分,这个现象称为康普顿效应.2.光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关,这三个量之间的关系式为 .
知识点五　光的波粒二象性
1.在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种 ;光电效应和康普顿效应重新揭示了光的 .这使人们意识到,光具有 .2.统一描述光的波动性和粒子性的理论是 .
1.任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应.( )2.入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,单位时间照射出的光电子越多.( )3.遏止电压与入射光的强弱无关,与入射光的频率有关.( )4.光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性.( )5.光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子.( )6.康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量.( )7.康普顿效应进一步说明光具有粒子性.( )
探究一　光电效应的实验规律及光电效应经典解释中的疑难
下图所示的电路可以研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量之间的关系.
答案:阳极A的电势高,电场方向由A指向K;光照射K时,光电子向A加速运动;A、K之间导通,电流表有示数,此时产生的电流称为光电流.
1.阴极K和阳极A之间的电场方向如何?阴极K发射的光电子如何向阳极A运动?电流表是否有示数?
2.当入射光的频率减小到某一数值νc 时,光电流消失,这表明已经没有光电子了,νc 称为截止频率.截止频率νc与金属的逸出功W0之间存在什么关系?
答案: W0=hνc.
答案:随着所加电压的增大,光电流趋于一个饱和值.也就是说,在电流较小时电流随着电压的增大而增大;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.该电流的饱和值叫饱和电流.
3.在光照不变的条件下,如果仅增加A、K之间的电压,光电流变化有什么特点?
4.在光的频率不变的情况下,饱和电流与光的强弱存在什么关系?
答案:在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大.
答案:改变电源极性后,A、K之间的电场方向向左,从阴极K发射的光电子受到从A指向K的静电力,电子向A减速运动.
5.如果改变电源的极性,即给光电管施加反向电压,如图所示,从阴极K发射的光电子如何运动?
6.增大光电管之间的反向电压,光电流减小,使光电流恰好减小到0的反向电压Uc 称为遏止电压,如果从阴极K发射的光电子的最大速度为vc,遏止电压Uc与光电子的最大速度vc之间有什么关系?遏止电压与光照强弱和频率有无关系?
(4)光电效应具有瞬时性.只要入射光的频率大于截止频率,即使用极弱的入射光照射,光电子也能立刻(约10-9 s)发射出来. 2.理解光电效应的三个关键点:(1)截止频率为νc的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为0,逸出功W0=hνc.(2)逸出功的大小由金属本身决定,与其他因素无关.(3)光电效应的实质是光现象转化为电现象.
3.光电效应与电磁理论的矛盾.(1)能否发生光电效应与入射光的频率有关,与光的强弱无关.而电磁理论认为光的强度由光波的振幅决定,与频率无关,只要入射光足够强,就应该能发生光电效应.(2)光电子的最大初动能只与光的频率有关,与光的强弱无关.电磁理论认为入射光的强度越大,逸出的光电子的最大初动能越大,所以遏止电压Uc应与光的强弱有关.(3)光电效应具有瞬时性.按照电磁理论,电子能量的增加应该是个积累过程,大约需要几分钟到十几分钟时间,电子才能逸出金属表面.
【典例1】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,则(　　)A.从光照射金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能将减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应
解析:根据光电效应的实验规律知,从光照射金属表面到光电子发射的时间间隔极短,这与光的强弱无关,A错误.实验规律还指出,逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关;对于同种频率的光,入射光越强,单位时间内从金属表面逸出的光电子越多.由此可知,B、D错误,C正确.
探究二　爱因斯坦的光电效应理论
爱因斯坦为了解释光电效应,假定光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν 的光的能量子为hν,其中,h为普朗克常量.这些能量子后来称为光子.1.发生光电效应时,所有逸出的光电子的动能是否都是最大初动能?为什么?
答案:不是.因为金属表面的电子吸收光子的能量hν,只需要克服原子核的吸引力做功时,其动能最大为Ek =hν-W0.有些电子获得光子的能量后,如果与其他电子碰撞后再逸出,其动能应小于hν-W0,有的可能不逸出,故从金属中逸出的电子动能应该在0到最大初动能Ek之间.
2.请用光子说解释一下,为什么金属存在发生光电效应的截止频率.
答案:电子要从金属中逸出,需要的能量至少等于金属的逸出功,只有光子的能量大于金属的逸出功,电子获得这份能量才可能逸出;因为光子的能量ε=hν,所以金属存在发生光电效应的截止频率.
3.对某种金属来说,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν是正比关系吗?
答案:由公式Ek =hν-W0可知,二者不是正比关系,而是线性关系.二者的函数图像如图所示,图像不过坐标原点.
4.结合已学知识和光电效应方程,参考教材中研究光电效应的电路图,推导遏止电压与入射光频率的关系.
1.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释.(1)解释截止频率的存在:光照射到金属板时,光子将能量传递给电子,每个光子的能量为hν,一个光子传递给一个电子的能量为hν,电子要脱离原子核的吸引力,有一个最小能量,最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率,即截止频率.如果小于这一频率,即使增大光照的强度,也不会使电子逸出.(2)解释光电效应的瞬时性:电子一次性吸收光子的全部能量,吸收光子的能量时间很短,几乎是瞬时的.(3)解释最大初动能与频率的关系:由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,最大初动能的大小与入射光的频率有关,而与光的强弱无关.
该图像对应的函数式为Ek=hν-W0,图像与横轴交点的坐标为截止频率,图线的斜率是普朗克常量.
(2)光电流与电压的关系图像.
由图像①③可看出同种光照射同种金属板对应的遏止电压相同.而饱和电流随入射光强度增大而增大;由图像①②可知,对于同种金属,入射光的频率越高,遏止电压越大.
(3)遏止电压与入射光频率的关系.
4.区分光电效应的相关概念.(1)光子与光电子: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,光照射金属是因,产生光电子是果.(2)光电流和饱和电流:金属板逸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,饱和电流与所加电压大小无关.
【典例2】利用光电管研究光电效应的实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则(　　)
A.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过B.用红外线照射,电流表一定无电流通过C.用频率为ν的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片移到最右端时,电流表一定无电流通过D.用频率为ν的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑片向左端移动时,电流表示数可能不变
解析:因为紫外线的频率比可见光的频率高,用紫外线照射,电流表一定有电流通过,A错误.因为不知阴极K的截止频率,用红外线照射,也可能发生光电效应,电流表可能有电流通过,B错误.由于发生了光电效应,即使A、K间的电压UAK=0,电流表中也有电流通过,C错误.当滑动变阻器的滑片向左端移动时,阳极吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极时,电流达到最大,即饱和电流,如果在移动前,电流已经达到饱和电流,那么再增大UAK,光电流也不会增大,D正确.
【变式1】(多选)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub，光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是(　　)A.若νa>νb,则一定有Uaνb,则一定有Eka>EkbC.若Uahνb-Ekb
解析:设该金属的逸出功为W,根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W,同种金属的W不变,则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大,B项正确.又因为Ek=eU,所以遏止电压与最大初动能成正比,C项正确.根据上述有eU=hν-W,遏止电压U随ν的增大而增大,A项错误.又hν-Ek=W,W相同,则D项错误.
【变式2】(2022·广东珠海)(多选)在研究甲、乙两种金属光电效应现象的实验中,光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示,则(　　)
A.两条图线与横轴的夹角α和β可能不相等B.若增大入射光频率ν,则所需的遏止电压Uc随之增大C.若某一频率的光可以使乙金属发生光电效应,则一定也能使甲金属发生光电效应D.若增加入射光的强度,不改变入射光频率ν,则光电子的最大初动能将增大
解析:根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像的斜率为普朗克常量h,所以两条图线的斜率一定相等,α和β一定相等,A选项错误;由Ek=hν-W0可知,若增大入射光的频率ν,则产生的光电子的最大初动能增大.由eUc=Ek可知若增大入射光频率ν,则所需的遏止电压Uc将增大, B选项正确;光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像与横轴的截距等于金属的逸出功W0与普朗克常量h的比值,由图像可知甲的逸出功较小,因此某一频率的光可以使乙金属发生光电效应,则一定能使甲金属发生光电效应, C选项正确;根据光电效应规律,若不改变入射光频率ν,而增加入射光的强度,则光电子的最大初动能不变, D选项错误.
探究三　康普顿效应和光的波粒二象性
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λ0 相同的成分外,还有波长大于λ0 的成分,这个现象称为康普顿效应.
1.按照经典物理学中光的电磁理论,能否解释康普顿效应?为什么?
答案:不能.按照经典物理学理论,散射的X射线频率应该等于入射X射线的频率,X射线的波长也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.
2.为了解释这种效应,康普顿如何继承和发展了爱因斯坦的光子说?
3.康普顿是如何解释散射波波长变大这一现象的?光子与电子相互作用的过程满足什么规律?
1.康普顿效应与经典物理学理论的矛盾.按照经典物理学理论,入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子进而再次产生电磁波,并向四周辐射,这就是散射光.散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率).因此散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应该出现波长变长的散射光.2.光子说对康普顿效应的解释.康普顿假定光子与电子发生弹性碰撞.(1)光子和电子相碰撞时,光子把一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长.(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关,所以波长改变与散射角有关.
(3)微观粒子之间的相互作用可以看成弹性碰撞,满足动量守恒、能量守恒.3.康普顿效应的意义.康普顿效应表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的粒子性的一面,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性.4.光的波粒二象性.(1)光的本性:光既具有粒子性,又有波动性,即光具有波粒二象性.(2)光是一种电磁波,光可以发生干涉、衍射现象.(3)当光的波长较长时,光在传播过程中波动性明显;当光的波长较短时,光子与粒子相互作用时,光的粒子性明显.
【典例3】康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量.入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给电子.下图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰撞过程中动量　　　　(选填“守恒”或“不守恒”),能量　　　　(选填“守恒”或“不守恒”),碰撞后光子可能沿　　　　(选填“1”“2”或“3”)方向运动,并且波长　　　　(选填“不变”“变小”或“变大”). 
解析:光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒,碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,由矢量合成知识可知碰撞后光子的运动方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分能量转移给电子,能量减少,由E=hν知,频率变小,再根据c=λν知,波长变大.
答案:守恒　守恒　1　变大
1.光电效应实验中,下列表述正确的是(　　)A.光照时间越长光电流越大B.入射光足够强就可以有光电流C.遏止电压与入射光的频率无关D.入射光频率大于截止频率才能产生光电子
解析:在光电效应中,若照射光的频率小于截止频率,无论光照时间多长,光有多强,都无光电流;当照射光的频率大于截止频率时,立刻有光电子产生,时间间隔很小,A、B错误,D正确.遏止电压与入射光频率ν有关,C错误.
2.用一束紫外线照射某金属时没有产生光电效应,下列措施中可能产生光电效应的是(　　)A.换用强度更大的相同紫外线照射B.换用红外线照射C.换用截止频率较大的金属D.换用截止频率较小的金属
解析:发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率,红外线的频率小于紫外线的频率,紫外线照射不能发生光电效应,换用红外线也不能发生光电效应,A、B错误.换用截止频率较大的金属,不能发生光电效应,C错误.换用截止频率较小的金属可能发生光电效应,D正确.
3.科学研究证明,光子有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ',则碰撞过程中(　　)A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ'B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ'C.能量守恒,动量守恒,且λ