全优课堂·物理·选择性必修第三册(人教版) 课件 第4章　2 光电效应

第四章原子结构和波粒二象性2光电效应

1.知道光电效应及其实验现象(重点).2.知道光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验的现象(重难点).3.知道什么是康普顿效应及X射线实验原理(重点).课前·

自主预习1．光电效应现象：在物理学中，在光的照射下________从物体表面逸出的现象．2．光电效应的实验规律(1)发生的条件：每一种金属对应一种光的__________，又称极限频率.只有当光的频率________________________时，才会产生__________.当光的频率小于这个最小频率时，即使增加__________或__________，也不能产生光电效应．光电效应电子最小频率大于或等于这个最小频率光电效应光的强度照射时间(2)与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度______，单位时间内逸出的光电子数________．(3)发生光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在_______内发生光电效应．3．光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的________组成的，每一个________的能量为________．光在发射和吸收时能量是一份一份的．越大越多10-9s光子光子hν4．光电效应方程(1)表达式：Ek＝hν－W0.(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后具有______________．5．光电效应的应用(1)__________．(2)微光夜视仪．(3)_________．最大初动能光电开关光电池1．光的散射：光在介质中与物质微粒的相互作用，使光的传播方向__________的现象．2．康普顿效应在光的散射现象中，部分散射光的波长______，波长改变的多少与________有关．这种现象称为_____________．康普顿效应及光的波粒二象性发生改变变长散射角康普顿效应3．康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守______守恒定律，又遵守______守恒定律．在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了________，光子能量减少，波长________．4．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________的一面，为光子说提供了又一例证．能量动量电子变长粒子性5．光电效应与康普顿效应发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长．当波长较短的X射线或γ射线入射时，产生____________；当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生__________．6．光的波粒二象性(1)光的本性：光子既有________的特征，又有______的特征，即光具有____________．(2)光是一种________．(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，__________明显．康普顿效应光电效应粒子波波粒二象性电磁波粒子性课堂·

重难探究1．实验装置及电路对光电效应的理解2．概念辨析(1)饱和光电流(Im)：在光照条件不变时，电流随电压升高而增大到的最大值．(2)遏止电压(Uc)：使光电流减小到0时的反向电压．(3)截止频率(νc)：使某种金属发生光电效应的最小频率．又叫极限频率．不同金属截止频率不同．3．光电效应的实验规律(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或等于这个截止频率才能产生光电效应．低于截止频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应现象．(2)光电子最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．(3)入射光照射到金属上时，光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10-9s.(4)当入射光的频率高于截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．4．光电效应方程的理解(1)光电效应方程Ek＝hν－W0中，Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值．(2)光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关．对光电效应实验规律的理解例1利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν1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，电流表中不一定有电流通过B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过C．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片移到a端，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向b端滑动时，电流表示数可能不变【答案】D【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使UAK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑片向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，当射出的所有光电子都能达到阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光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关于光电效应实验，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【答案】D【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，光照强度多大，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，故A、B错误，D正确．遏止电压与入射光频率ν有关，故C错误．变式2

(2024年江西学业水平考试)用黄光照射某种金属时，能发生光电效应．如图所示，用该金属制成光电管，并将光电管与微安表连接成闭合回路．现用蓝光照射该光电管，下列说法正确的是(

)A．微安表中没有电流通过，因为电路中没有电源B．微安表中不一定有电流通过，因为蓝光的频率有可能小于该金属的截止频率C．微安表中一定有电流通过，且用紫光照射一定比用蓝光照射时微安表中的电流更大D．微安表中一定有电流通过，且增加光的强度时微安表中的电流变大【答案】D【解析】因为蓝光的频率高于黄光的频率，故用蓝光照射时一定发生光电效应，微安表中一定有电流通过，A、B错误；光电流的大小与光强有关，与频率无关，C错误，D正确．对光电效应方程的理解及应用例2

(2024年北京期末)研究光电效应现象的装置如图所示．图中K、A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K极受到光照时能够发射电子．当用光子能量为2.82eV的光照射K极时，电流表的读数为30μA，移动滑动变阻器的滑片，当电压表的示数等于1V时，电流表读数为零，保持滑片位置不变．下列说法正确的是

(

)A．光电子的最大初动能为1.82eVB．K极材料的逸出功为1eVC．电流表的读数为30μA时，电压表的示数大于1VD．仅将电源正负极对调，电流表示数一定大于30μA【答案】D【解析】电压表示数为1V时，电流表示数为零，即遏止电压为1V，则光电子最大初动能为Ekm＝eU＝1eV，A错误；K极材料的逸出功为W0＝hν－Ekm＝1.82eV，B错误；电流表有示数，说明两极电压小于遏止电压1V，C错误；仅将电源正负极对调，则两极间电场对光电子的运动有促进作用，电流表示数增大，一定大于30μA，D正确．变式3

(2024年河南联考)如图所示为演示光电效应的实验装置，用光强相同、频率差距较大的单色光a、b分别照射光电管的K极，得到a的反向遏止电压比b的大，则两种单色光分别实验时，得到的电流的示数I和对应电压表的示数U关系图像，正确的是

(

)ABCD【答案】B【解析】a的反向遏止电压比b的大，由eUc＝hν－W0，可知a的频率比b高，a的光子能量大，在光强相同的情况下，单位时间照射到K上b的光子数多，打出的光电子数多，饱和电流大，故选B．变式4

(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出

(

)A．该金属的截止频率和截止波长B．普朗克常量C．该金属的逸出功D．单位时间内逸出的光电子数【答案】ABC1．对康普顿效应的理解(1)实验现象．X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．对康普顿效应及光的波粒二象性的理解(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾．按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，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．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．(3)光子说对康普顿效应的解释．假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．①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．②因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关．2．对光的波粒二象性的理解(1)光的粒子性的含义．①当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．②少量或个别光子易显示出光的粒子性．③频率高、波长短的光，粒子性特征显著．(2)光的波动性的含义．①足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．②频率低、波长长的光，波动性特征显著．(3)光的波粒二象性．①光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．②只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．3.对康普顿效应的三点认识(1)光电效应属于电子吸收光子的问题；而康普顿效应属于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．(2)假定X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．(3)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．对康普顿效应的理解例3

(多选)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，除了有与入射波长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．关于康普顿效应，下列说法正确的是

(

)A．康普顿效应现象说明光具有波动性B．康普顿效应现象说明光具有粒子性C．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少【答案】BD【解析】康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应，在散射过程中X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能量守恒定律，故B、D正确，A、C错误．变式5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′【答案】C对光的波粒二象性的理解例4

(多选)下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是 (

)A．光电效应现象说明光具有波粒二象性B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性【答案】BC【解析】光电效应现象说明光具有粒子性，A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，D错误．变式6

(多选)下列说法正确的是 (

)A．有的光是波，有的光是粒子B．光子与电子是同样的一种粒子C．光子和电子是不同的两种粒子，但都具有波粒二象性D．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著【答案】CD【解析】光同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，光的波长越长，越容易观察到其波动特性．光子不同于一般的实物粒子，它没有静止质量，是一个个的能量团，是光的能量的最小单位．C、D正确．小练·

随堂巩固1．某小组做光电效应实验的电路如图所示，滑动变阻器滑片处于图示位置．用绿光照射阴极K时，电流表示数为零．能使电流表有示数的方法是

(

)A．可将照射光改为红光B．可将电源正负极调换C．可改变阴极K的材料D．可将滑动变阻器滑片向左移动【答案】C【解析】此时光电管加的是正向电压，电流表示数为零，说明没有发生光电效应．将照射光改为红光，则照射光频率减小，仍不会发生光电效应，A不符合题意；将电源正负极调换或将滑动变阻器滑片向左移动，仍不会发生光电效应，B、D不符合题意；改变阴极K的材料，当入射光子能量大于阴极材料的逸出功时即可发生光电效应，C符合题意．2．高能光子和粒子也会发生碰撞，美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比 (

)A．频率变大

B．速度变小C．光子能量变大

D．波长变长【答案】D3．(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像，则下列说法正确的是(

)A．图像甲表明光具有粒子性

B．图像丙表明光具有波动性C．实验表明光是一种概率波

D．实验表明光是一种电磁波【答案】ABC【解析】用很弱的光做双缝干涉实验得到的图片上的一个一个无分布规律的光点，体现了光的粒子性，故A正确；经过较长时间曝光的图片丙，出现了明暗相间的条纹，波动性较为明显，本实验表明光是一种概率波，但不能表明光是一种电磁波，故B、C正确，D错误．4．(2