高中物理第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应公开课课件ppt

第2节　光电效应

【知识梳理与方法突破】

一、光电效应及其实验规律

1.光电效应中的几组概念的理解

2.光电效应的实验规律

（1）发生光电效应时，入射光越强，饱和电流越大，即入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

（2）光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大，但最大初动能与频率不成正比。

（3）每一种金属都有一个截止频率（或极限频率），入射光的频率必须大于才能发生光电效应。频率低于的入射光，无论光的强度有多大，照射时间有多长，都不能发生光电效应。不同金属的截止频率不同。

（4）光电效应具有瞬时性。

3.光电效应与经典电磁理论的矛盾

【例1】光伏电池是利用半导体材料的光电效应将太阳光能直接转换为电能的一种非机械装置。研究光电效应的电路图如图所示，下列有关分析正确的是（　　）

A．发生光电效应时，入射光的强度越大遏止电压越高

B．发生光电效应时，入射光的频率越高饱和光电流一定越大

C．用不同颜色的光照射阴极K，发生光电效应时电流表的示数可能相同

D．若电流表的示数为0，则说明入射光的频率小于或等于阴极材料的截止频率

【针对训练1】研究光电效应电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极K），钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压的关系图象中，正确的是（      ）

A． B．

C． D．

二、光电效应方程的理解和应用

1.光电效应方程的理解

（1）方程中的是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是范围内的任何数值。

（2）光电效应方程实质上是能量守恒方程。能量为的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，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，则电子离开金属表面时动能最大为，根据能量守恒定律可知：。

（3）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，亦即，，而恰好是光电效应的截止频率。

2.光电效应几种图像的对比

3.光电效应规律中的两条线索、两个关系

（1）两条线索

（2）两个关系

光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；

光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。

【例2】甲、乙两种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光频率间的关系分别如图中的a、b所示。下列判断正确的是（　　）

A．图线a与b不一定平行

B．图线a与b的斜率是定值，与入射光和金属材料均无关系

C．乙金属的极限频率小于甲金属的极限频率

D．甲、乙两种金属发生光电效应时，若光电子的最大初动能相同，甲金属的入射光频率大

【针对训练2】已知普朗克常量为，元电荷，如图所示为金属钙的遏止电压Uc随入射光频率v变化的图像，图像中v0的数值约为（   ）

A． B． C． D．

三、康普顿效应

1.康普顿效应的几点认识

（1）光电效应主要用于电子吸收光子的问题；而康普顿效应主要用于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。

（2）光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律。

（3）假定射线光子与电子发生弹性碰撞。光子和电子相碰撞时，光子有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。

（4）康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。

2.光子的能量和动量

能量和动量是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 λ和频率是描述物质的波动性的典型物理量。和揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。

【例/3】如图所示是教材上解释康普顿效应的示意图，下列说法正确的是（　　）

A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律

B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率ν

C．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度

D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长

【针对训练3】6．COVID-19引起的肺炎病人在进行CT诊断时，肺部影像呈白色（“白肺”），其物理原理是利用X射线穿透人体肺部进行扫描并呈现灰度不同的图像。X射线的穿透量受物质吸收程度的影响，吸收程度与物质的密度等因素有关。密度越小，吸收X射线的本领越弱，透过人体的量就越多，呈现的图片就越暗，如空气等。密度越大，吸收X射线的本领越强，透过人体的量就越少，呈现的图片为白色，如骨骼等。X射线被物质的吸收主要产生两种效应：光电效应和康普顿效应。依据以上信息，下列说法中正确的是（　　）

A．光电效应说明光具有波动性

B．X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象，属于光电效应，说明X射线具有粒子性

C．光电效应中，X射线频率越高，从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大

D．X射线光子只被电子部分吸收，电子能量增大，光子被散射出去，散射光子波长变长，这说明光子既具有能量又具有动量，这属于康普顿效应，说明了X射线具有粒子性

【对点检测】

1．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（甲光、乙光、丙光），如图所示。则可判断出（　　）

A．乙光的波长大于丙光的波长

B．甲光的频率大于乙光的频率

C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率

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

2．用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.6eV的光照射到光电管上时，电流表G有读数。移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.9V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是（　　）

A．光电子的最大初动能为0.9eV

B．改用能量为2eV的光子照射，电流表G有电流，但电流较小

C．电键S断开后，电流表G示数为0

D．光电管阴极的逸出功为3.6eV

3．对光电效应的理解正确的是（　　）

A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B．在光电效应中，电子吸收足够能量后才可以逸出，所以发生光电效应的累积时间很长

C．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

4．某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每分钟发射的光子数量为（   ）

A． B． C． D．

5．光电管是一种利用光照产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可以形成光电流。下表中记录了某同学进行光电管实验时的数据。

由表中数据得出的以下论断中正确的是（　　）A．三次实验采用了不同频率的入射光

B．三次实验光电管中的金属板材质不同

C．若入射光子的能量为5.0eV，不论光强多大，饱和光电流一定大于60mA

D．若入射光子的能量为5.0eV，逸出光电子的最大初动能为1.8eV

6．用波长为λ1和λ2的单色光A和B分别照射两种金属C和D的表面，单色光A照射两种金属时都能产生光电效应现象；单色光B照射时，只能使金属C产生光电效应现象，不能使金属D产生光电效应现象。设两种金属的逸出功分别为WC和WD，则下列选项正确的是（　　）

A．λ1＞λ2，WC＞WD B．λ1＞λ2，WC＜WD

C．λ1＜λ2，WC＞WD D．λ1＜λ2，WC＜WD

7．如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图像，由图像可知（　　）

A．该金属的逸出功等于E

B．普朗克常量等于

C．入射光的频率为时，产生的电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为时，产生的电子的最大初动能为

8．现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生，下列说法正确的是（　　）

A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大

B．向左移动滑片P，电流表示数一定增大

C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大

D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生