高中物理(新教材)選修三課件1：第1課時(shí)-光電效應(yīng)- 人教版

第1課時(shí)光電效應(yīng)第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性學(xué)習(xí)目標(biāo)1．知道光電效應(yīng)中極限頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾。2．知道光子說(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋。3．掌握愛因斯坦光電效應(yīng)方程并會(huì)用它來(lái)解決簡(jiǎn)單問(wèn)題。光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明了光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明光還是橫波。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當(dāng)人們以為光的波動(dòng)理論似乎非常完美的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋的新現(xiàn)象---光電效應(yīng)現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問(wèn)題的研究，使得人們對(duì)光的又一本質(zhì)性認(rèn)識(shí)得到了發(fā)展。一、一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律演示實(shí)驗(yàn)：1.光電效應(yīng)定義：當(dāng)光線（包括不可見光）照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)，如圖所示。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流。光電效應(yīng)本質(zhì)：金屬原子最外層電子在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，溫度不高時(shí)，動(dòng)能很小，電子受金屬表層存在的一種力阻礙而不能大量逸出金屬表面。當(dāng)有光照射時(shí)，電子吸收光子的能量而動(dòng)能變大，從而克服阻力從金屬表面掙脫出來(lái)。2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在飽和電流光照不變，增大UAK，電流表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。說(shuō)明：在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽(yáng)極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。(2)存在截止頻率和遏止電壓如果施加反向電壓，也就是陰極K接電源正極、陽(yáng)極A接電源負(fù)極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場(chǎng)，電流有可能為0。使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于一定顏色(頻率)的光，

無(wú)論光的強(qiáng)弱如何，遏止電壓是一樣的；光的頻率改變，遏止電壓也會(huì)改變。(3)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性思考：如果加了遏止電壓后，再增大入射光的強(qiáng)度，電路中會(huì)有光電流嗎？減弱光的強(qiáng)度，遏止電壓會(huì)減小嗎？實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過(guò)的時(shí)間不超過(guò)10─9秒(這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”)。光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。勒納德等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9秒.勒納德等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9秒.二.光電效應(yīng)解釋中的疑難思考：人們知道，金屬中原子外層的電子會(huì)脫離原子而做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。但在溫度不很高時(shí)，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢?說(shuō)明金屬表面存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來(lái)，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。1．光的電磁理論只能部分地解釋光電效應(yīng)(1)使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。用W0表示，不同的金屬的逸出功不同。見下表。(2)當(dāng)光照射金屬表面時(shí)，電子吸收能量。若電子吸收的能量與原有的熱運(yùn)動(dòng)能量之和超過(guò)逸出功，電子就從表面逸出，這就是光電子。光越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)相符。幾種金屬的逸出功和極限頻率金屬鎢鈣鈉鉀銣vc/1014Hz10.957.735.535.445.15W0/eV4.543.202.292.252.132．結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾的疑難處(1)按照光的電磁理論，還應(yīng)得出如下結(jié)論：①光越強(qiáng)，光電子的初動(dòng)能應(yīng)該越大，所以遏止電壓Uc應(yīng)該與光的強(qiáng)弱有關(guān)；②不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可以獲得足夠的能量從而逸出表面，不應(yīng)存在截止頻率；③如果光很弱，按經(jīng)典電磁理論估算，電子需要幾分鐘到十幾分鐘的時(shí)間才能獲得逸出表面所需的能量，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10-9s。(2)對(duì)于遏止電壓Uc與光的頻率v的關(guān)系，經(jīng)典電磁理論更是無(wú)法解釋。三、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論光子說(shuō)：光就是由一份一份不可分割的能量子組成的，頻率為v的光的能量子為hv，h為普朗克常量，這些能量子稱為光子。一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hν后，一部分能量用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：hν=Ek+W0

或

Ek=hν

-W0光子逸出功最大初動(dòng)能光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋(1)只有hν>W0，才有光子逸出。(2)光子的最大初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就解釋了遏止電壓和光強(qiáng)無(wú)關(guān)。(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要累積能量的時(shí)間，光電流幾乎是瞬間產(chǎn)生的。(4)對(duì)于同種顏色的光，光較強(qiáng)時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。hνc

＞W(wǎng)0

光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋(1)只有hν>W0，才有光子逸出。(2)光子的最大初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就解釋了遏止電壓和光強(qiáng)無(wú)關(guān)。(3)電子一次性吸收光子的全部能量，不需要累積能量的時(shí)間，光電流幾乎是瞬間產(chǎn)生的。(4)對(duì)于同種顏色的光，光較強(qiáng)時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。hνc

＞W(wǎng)0

(4)Ek-—ν曲線：如圖所示是光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線。這里，橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率；縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值；斜率為普朗克常量。對(duì)某確定的金屬，由光子的初動(dòng)能和光電效應(yīng)方程愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)跟蹤練習(xí)1.在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來(lái)不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針就張開一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)()A.鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D.鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B

CD3.如圖所示為研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)原理圖。已知光電管陰極材料的極限頻率為ν0，現(xiàn)用頻率為ν(ν>ν0)的單色光照射光電管，發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)變阻器的滑片P處于圖示位置時(shí)，靈敏電流計(jì)的示數(shù)為零，下列說(shuō)法正確的是(

)A.靈敏電流計(jì)的示數(shù)為零，是因?yàn)闆](méi)有發(fā)生光電效應(yīng)B.若不斷向左移動(dòng)滑片P，則靈敏電流計(jì)一定會(huì)有示數(shù)C.若不斷向右移動(dòng)滑片P，則靈敏電流計(jì)一定會(huì)有示數(shù)D.僅不斷增大入射光的光照強(qiáng)度，靈敏電流計(jì)一定會(huì)有示數(shù)C備用工具&資料

CD愛因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明了光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明光還是橫波。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當(dāng)人們以為光的波動(dòng)理論似乎非常完美的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋的新現(xiàn)象---光電效應(yīng)現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問(wèn)題的研究，使得人們對(duì)光的又一本質(zhì)性認(rèn)識(shí)得到了發(fā)展。1.光電效應(yīng)定義：當(dāng)光線（包括不可見光）照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)，如圖所示。逸出的電子稱為光電子。光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流。光電效應(yīng)本質(zhì)：金屬原子最外層電子在做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，溫度不高時(shí)，動(dòng)能很小，電子受金屬表層存在的一種力阻礙而不能大量逸出金屬表面。當(dāng)有光照射時(shí)，電子吸收光子的能量而動(dòng)能變大，從而克服阻力從金屬表面掙脫出來(lái)。2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在飽和電流光照不變，增大UAK，電流表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。說(shuō)明：在一定的光照條件下，單位時(shí)間內(nèi)陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的，電壓增加到一定值時(shí)，所有光電子都被陽(yáng)極A吸收，這時(shí)即使再增大電壓，電流也不會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)