高中 物理 必修第三册 第四章 原子结构和波粒二象性《第2节 光电效应》课件

物理第四章原子结构和波粒二象性第2节光电效应01必备知识素养奠基02关键能力素养形成03分层演练素养达标[学习目标]1．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。2．知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾。3．知道光子说及其对光电效应的解释。4．掌握爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题。5．了解康普顿效应，知道光子不仅具有能量，而且具有动量。6．理解光的波粒二象性。知识点1光电效应的实验规律1．光电效应的定义：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2．光电效应的实验规律(1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明没有光电流了，νc称为截止频率或极限频率。(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，光电流趋于一个饱和值，表明在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的______是一定的。数目初速度瞬时知识点2光电效应经典解释中的疑难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。2．光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释。知识点3爱因斯坦的光电效应理论1．光子：_________就是由一个个不可分割的_________组成的，频率为ν的光的能量子为

__，这些能量子称为光子。光本身能量子

hν2．光电效应方程(1)对光电效应的说明在光电效应中，金属中的电子吸收____________获得的能量是

__，在这些能量中，一部分用来克服金属的__________，另一部分为光电子的__________。(2)光电效应方程Ek＝_________。一个光子hν逸出功W0初动能Ekhν－W0>W0频率强弱一次性不需要光子数光电子[判一判]1．(1)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(

)(2)“光子”就是“光电子”的简称。(

)××知识点4康普顿效应和光子的动量1．康普顿效应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______λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。2．康普顿效应的意义康普顿效应表明光子不仅具有______，而且具有______。大于能量动量3．光子的动量(1)表达式：p＝___。(2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能会变小。动量p减小，意味着波长λ变大，因此，有些光子散射后波长______。变大知识点5光的波粒二象性在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种_________，从而光的______说被普遍接受。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的______性。人们意识到，光既具有______性，又具有_____性。换句话说，光具有_______________。电磁波波动粒子波动粒子波粒二象性[判一判]2．(1)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。(

)(2)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子。(

)××1．(对光电效应规律的理解)关于光电效应，下列说法正确的是(

)A．光子与光电子的本质都是电子B．光电效应现象表明光具有波动性C．只要入射光的频率大于金属的截止频率，就能发生光电效应现象D．用相同频率的光照射不同的金属表面，发生光电效应时逸出的光电子最大初动能相同√解析：能量子又称为光子，是量子化的能量单位，光电子本质是电子，故A错误；光电效应现象表明光具有粒子性，故B错误；只要入射光的频率大于金属的截止频率，就能发生光电效应现象，故C正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0可知光电子的最大初动能Ekm由逸出功W0与入射光频率ν共同决定，逸出功与金属材料有关，不同金属的逸出功不同，所以最大初动能不同，故D错误。2．(对光电效应的考查)(多选)如图所示，一验电器与锌板用导线相连，用紫外线光源照射锌板时，验电器指针发生了偏转，下列判断正确的是(

)A.此时锌板带正电B．紫外线越强，验电器的指针偏角越大C．改用红外线照射锌板，验电器的指针一定会偏转D．改用紫光照射锌板，可能会发生光电效应√√√解析：用紫外灯照射锌板时，验电器指针发生了偏转，知发生了光电效应，电子从锌板中逸出，此时锌板失去电子带正电，A正确；紫外光越强，单位时间内逸出的光电子数目越多，则所带电荷量越大，则验电器的指针偏角越大，B正确；因为红外线的频率小于紫外线的频率，用红外线照射，不一定产生光电效应，C错误；当照射光的频率大于金属板的极限频率时，可以产生光电效应。已知紫外线照射光源产生光电效应，则紫外线的频率大于金属板的极限频率。同时紫外线的频率大于紫光的频率，无法比较紫光频率和金属板极限频率的关系，紫光照射锌板，可能会发生光电效应，D正确。√4．(康普顿效应)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了电子。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＜λ′D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′√探究一对光电效应规律的理解1．光电效应的基本概念(1)光电效应：金属在光(包括可见光和不可见光)的照射下，向外逸出电子的现象。(2)光电子：光电效应中发射出来的电子。2．理解光电效应规律的四个角度(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应。(2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大。(3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比。(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9s。3．光电效应与经典电磁理论的矛盾(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，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，所以遏止电压与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。(2)矛盾之二：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，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于等于截止频率时才会发生光电效应。(3)矛盾之三：具有瞬时性。按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎都是瞬时发生的。【例1】

(2021·河北武强中学高二期中)关于光电效应，下列说法正确的是(

)A．光电流随入射光频率的增大而增大B．光电子的最大初动能越大，光电流就越大C．光子本身所具有的能量取决于光子本身的频率D．用频率是ν1的绿光照射某金属发生了光电效应，则改用频率是ν2的红光照射该金属就一定不发生光电效应√[解析]

在发生光电效应的前提下,光电流随入射光强度的增大而增大,A错误；光电子的最大初动能越大，遏止电压就越大，B错误；根据光子说，光子本身所具有的能量取决于光子本身的频率，C正确；用频率是ν1的绿光照射某金属发生了光电效应，则改用频率是ν2的红光照射该金属不一定不发生光电效应，根据极限频率与红光频率的关系才能确定，D错误。【例2】利用光电管研究光电效应实验如图所示，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．用紫外光照射，电流表不一定有电流通过B．用红外光照射，电流表一定无电流通过C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变√[解析]

因紫外光的频率比可见光的频率高，所以用紫外光照射时，电流表中一定有电流通过，A错误；因不知阴极K的截止频率，所以用红外光照射时，也可能发生光电效应，B错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，C错误；当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A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A时，光电流达到最大，即饱和电流；若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，D正确。[针对训练1]光电效应实验中，下列表述正确的是(

)A．金属的逸出功与入射光的频率有关B．入射光足够强就会有光电流C．遏止电压与入射光的频率成正比D．入射光频率大于极限频率才能产生光电效应√探究二光电效应方程的理解及应用【问题导引】1．不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能是否相同？2．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比吗？提示：1.由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同,由光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光电子的初动能是不同的。2．不成正比。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。1．对光电效应方程Ek＝hν－W0的四点理解(1)式中的Ek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0～Ek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E＝hν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＝hν－W0。2．光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系光强大→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4】如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极，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0.60V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为(

)A．1.9eV

B．0.6eVC．2.5eV D．3.1eV√[针对训练2]在如图所示的光电效应现象中，光电管阴极K的极限频率为ν0，现用频率为ν(ν>ν0)的光照射在阴极上，若在A、K之间加一数值为U的反向电压时，光电流恰好为零，则下列判断错误的是(

)A．阴极材料的逸出功等于hν0B．有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为eUC．有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为

hν－hν0D．无光电子逸出，因为光电流为零√解析：阴极材料的逸出功W0＝hν0，A正确；由于入射光的频率ν＞ν0，则能发生光电效应，有光电子逸出，D错误；但是A、K间加的是反向电压，电子飞出后要做减速运动，当速度最大的光电子减速到A端速度为零时，光电流恰好为零，由动能定理得：－eU＝0－Ekm，则Ekm＝eU，B正确；由爱因斯坦光电效应方程：Ekm＝hν－W0，可得Ekm＝hν－hν0，C正确。2．康普顿效应的意义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。3．光的波粒二象性(1)光的波动性实验基础：光的干涉和衍射。(2)光的粒子性①实验基础：光电效应、康普顿效应。②表现：当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质；少量或个别光子容易显示出光的粒子性。③说明：粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；光子不同于宏观观念的粒子。【例5】康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量。如图，给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰后光子可能沿_______方向运动，并且波长_______(