物理选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应图片ppt课件

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1.了解光电效应及其实验规律,以及光电效应与电磁理论的矛盾。(物理观念)2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用。(科学思维)3.了解康普顿效应及其意义,了解光子的动量。(物理观念)4.理解光的波粒二象性及其对立统一的关系,会用光的波粒二象性分析有关现象。(物理观念)
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一、光电效应的实验规律1.光电效应:照射到金属表面的光,能使金属中的　　　　从表面逸出的现象。2.光电子:光电效应中发射出来的　　　　。 3.光电效应的实验规律
(1)截止频率:当入射光的频率　　　　到某一数值νc时,光电流消失,表明已经没有光电子了,νc称为截止频率。 
发生光电效应是有条件的
(2)存在　　　电流。在一定的光照条件下,单位时间内阴极K发射的光电子的数目是　　　　的。在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流　　　　,表明对于一定频率(颜色)的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数　　　　。 (3)存在遏止电压:使光电流减小到0的　　　　　　　　Uc称为遏止电压。 
使运动最快的电子速度减为零的电压
(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,照到金属时会立即产生光电流。即光电效应几乎是　　　　发生的。 4.逸出功:使电子脱离某种金属,对它做功的　　　　。不同种类的金属逸出功的大小不同。 
二、爱因斯坦的光电效应理论1.光子说:光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且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,这些能量子被称为　　　　。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式:　　=Ek+W0或Ek=　　　-W0。 (2)物理意义:金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν,在这些能量中,一部分大小为W0的能量被电子用来　　　　　　,剩下的是逸出后电子的初动能Ek。 
能量守恒定律的具体体现
一个电子只能吸收一个光子的能量
三、康普顿效应和光的波粒二象性1.光的散射:光与介质中的　　　　　　　　相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。 2.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。 
3.康普顿效应的解释(1)光子模型:光子不仅具有能量,而且具有动量p=　　　。 (2)解释:在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子的动量可能会变小。由p= 可知波长λ变大,因此,这些光子散射后波长变大。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　　　　,深入揭示了光的　　　　　的一面。 5.光既具有　　　　性,又具有　　　　性,即光具有　　　　　　性。 
情境链接太阳能是理想的新能源之一。照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40 min照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消耗。可以说,太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。太阳能电池是一种对光有响应的器件,其能量转化情况是什么?
提示 光能转化成电能。
教材拓展阅读教材P75思考与讨论,思考当在两极板上加上遏止电压时,逸出的电子受到的电场力对电子做什么功?遏止电压与电子的最大初动能有什么关系?
提示 电场力对电子做负功,由动能定理可得遏止电压Uc与电子的最大初动能的关系为Ek=eUc。
易错辨析(1)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(　　)(2)在发生光电效应的条件下,同种频率的入射光强度越大,饱和光电流越大。(　　)(3)不同金属的逸出功不同,因此金属对应的截止频率也不同。(　　)(4)入射光若能使某金属发生光电效应,则入射光的强度越大,照射出的光电子越多。(　　)
提示金属表面是否发生光电效应,取决于光的频率,与光的强弱无关。
(5)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。(　　)(6)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。(　　)
探究点一　光电效应的实验规律
研究光电效应的电路图如图所示。
(1)闭合开关后,当电压表的示数为0时,电流表的示数不是0,说明了什么?(2)闭合开关,将滑动变阻器的滑片不断向右移动,会观察到什么现象?说明了什么?(3)若将电源的正负极对调,闭合开关,滑动变阻器的滑片向右移动时,又会观察到什么现象?说明了什么?
要点提示 (1)说明发生了光电效应现象。(2)电压表、电流表的示数均增大,当电流增大到一定值后,滑动变阻器的滑片再向右移动,电流也不再增大。说明存在饱和电流。(3)电压表示数增大,电流表示数减小,最后电流表的示数可能减小到0。说明存在遏止电压。
1.光电效应中易混淆的概念
2.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,所以遏止电压应与光的强弱有关,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的。
3.光电效应的实验规律(1)发生光电效应的条件:每一种金属都有一个截止频率νc ,入射光的频率必须大于νc 才能发生光电效应。频率低于νc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。(2)饱和电流大小的决定因素:发生光电效应时,同一种频率的光照射,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。(3)光电子最大初动能的决定因素: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。入射光的频率越大,光电子的最大初动能越大,但最大初动能与频率不成正比。(4)光电效应的发生时间:光电效应具有瞬时性,发生的时间一般不超过10-9 s。
【例1】 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.用紫外线照射,电流表不一定有电流通过B.用红光照射,电流表一定无电流通过C.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片移到左端时,电流表中一定无电流通过D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片向右端滑动时,电流表示数可能不变
解析 因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,选项A错误;因不知阴极K的截止频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,所以选项B错误;即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,所以选项C错误;当滑片向右端滑动时,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,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,即使增大UAK,光电流也不会增大,所以选项D正确。
方法技巧　关于光电效应的三个理解误区误区1:误认为光电效应中,只要光强足够大,就能发生光电效应。产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清,实际上能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强度无关。误区2:误认为在光的频率不变时,光电流的强度与入射光的强度一定成正比。出现该误区是由于混淆了光电流和饱和电流。实际上,在光的频率不变时,光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,只有饱和电流的强度才与入射光的强度成正比。
误区3:误认为入射光越强,产生的光电子数一定越多。这是对光强的概念理解不全面造成的,实际上,入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量,是由入射的光子数和入射光子的频率决定的,可用E=nhν表示,其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下,光强度与光子数成正比。换用不同频率的光,即使光强度相同,光子数目也不同,因而逸出的光电子数目也不同。
1.(2023山东淄博高二期末)紫外光电管是利用光电效应原理对油库等重要场所进行火灾报警的装置,其工作电路如图所示,其中A为阳极,K为阴极,只有当明火中的紫外线照射到K极时,电压表才有示数且启动报警装置。已知太阳光中的紫外线频率主要在7.5×1014~9.5×1014 Hz,而明火中的紫外线频率主要在1.1×1015~1.5×1015 Hz,下列说法正确的是(　　)
A.为避免太阳光中紫外线干扰,K极材料的截止频率应大于1.5×1015 HzB.只有明火照射到K极的时间足够长,电压表才会有示数C.电源左边接正极有利于提高报警装置的灵敏度D.电压表的正接线柱与C相连
解析 太阳光中的紫外线频率主要在7.5×1014~9.5×1014 Hz,为避免太阳光中的紫外线干扰,K极材料的截止频率应大于9.5×1014Hz,A错误;电压表有没有示数与明火的照射时间无关,与明火中紫外线的频率有关,B错误;电源左边接正极时,光电管上被施加反向电压,发生光电效应时到达阳极的光电子数减少,因此会降低报警装置的灵敏度,可知电源右边接正极,则电压表的正接线柱与C相连,D正确,C错误。
探究点二　爱因斯坦的光电效应理论
深沉的夜色中,在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道。一个航标灯自动控制电路的示意图如图所示,电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属。下表反映的是几种金属发生光电效应的截止频率及其对应的波长,又知可见光的波长为400~770 nm。
几种金属发生光电效应的截止频率及其对应的波长
(1)光电管阴极K上应涂哪种金属?(2)控制电路中的开关S应接触a还是b?
要点提示 (1)铯的波长在可见光的波长范围内,所以光电管阴极K上应涂金属铯。(2)夜晚没有光,不能发生光电效应,但是指示灯亮,所以开关S与b端相连。
1.光电效应方程的理解光电效应方程实质上是能量守恒方程。(1)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。(2)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。(3)就某一个光电子而言,其离开金属时的动能可以是0~Ek范围内的任何数值。
2.光子说光本身就是由一个个不可分割的能量子(光子)组成的,频率为ν的光子的能量E=hν,其中h为普朗克常量。
3.光子说对光电效应规律的解释(1)存在截止频率若发生光电效应,则光电子的最大初动能必须大于零,即Ek=hν-W0>0,亦即
(2)光电子最大初动能当光子的频率高于截止频率时,能量传递给电子后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光电子的动能形式存在。这样光电子的最大初动能Ek=hν-W0,其中W0为金属的逸出功,可见光子的频率越高,光电子的最大初动能越大。(3)光电效应瞬时性电子接收能量的过程极其短暂,接收能量的瞬间即挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬时的。(4)饱和光电流随光强的增大而增大对于同种频率的光,光较强时,单位时间内照射到金属表面的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和光电流较大。
【例2】 如图甲所示,闭合开关,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K,发现电流表读数不为零。调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.60 V时,电流表读数仍不为零,当电压表读数大于或等于0.60 V时,电流表读数为零。把电路改为图乙,当电压表读数为1.5 V时,逸出功W0及电子到达阳极时的最大动能Ek'为(　　)
A.W0=3.1 eV　Ek'=4.5 eVB.W0=1.9 eV　Ek'=2.1 eVC.W0=1.7 eV　Ek'=1.9 eVD.W0=1.5 eV　Ek'=0.6 eV
解析 题图甲中所加的电压为反向电压,根据题意可知,遏止电压为0.60 eV,根据Ek=eUc可知,光电子的最大初动能为0.60 eV,根据光电效应方程Ek=hν-W0解得逸出功W0=hν-Ek=2.5 eV-0.60 eV=1.9 eV;题图乙中所加的电压为正向电压,根据动能定理有eUc=Ek'-Ek,解得电子到达阳极的最大动能为Ek'=eUc+Ek=1.5 eV+0.6 eV=2.1 eV,故选B。
2.(2023河北石家庄高二期末)一光电管的阴极K用截止频率为ν0的金属制成,将该光电管接入如图所示的电路中,当用频率为ν的单色光射向阴极K时,能产生光电流。已知电子的质量为m,则光电子的最大初速度为(　　)
探究点三　光电效应的图像问题
某金属在光的照射下,光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像如图所示。
根据图像可求得哪些物理量?
要点提示 (1)截止频率νc:图线与ν轴交点的横坐标,即νc=a。(2)逸出功W0:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值,即W0=|b|=-b。
【例3】 如图甲所示,分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究,颜色相同的a、b两束光分别照射1、2两种材料,光电流I随电压U变化关系如图乙所示,则下列说法正确的是(　　)A.a、b光的频率νa<νbB.a、b两光的光照强度相同C.光电子的最大初动能Eka>EkbD.材料1、2的截止频率ν1>ν2
解析 a、b两束光颜色相同,所以频率相同,故A错误;饱和光电流越大,光照强度越大,所以a光的光照强度比b光的大,故B错误;光电子的最大初动能为Ek=eUc,由题图可知Ucb>Uca,所以Ekb>Eka,故C错误;根据爱因斯坦光电效应方程可得Eka=hνa-hν1,Ekb=hνb-hν2,所以ν1>ν2,故D正确。
3.(2023山东师范大学附中期中)某兴趣小组用如图甲所示的电路探究光电效应的规律。根据实验数据,小刚同学作出了光电子的最大初动能与入射光频率的关系图线如图乙所示,小明同学作出了遏止电压与入射光频率的关系图线如图丙所示。已知光电子的电荷量为e,则下列说法正确的是(　　)
A.如果图乙、图丙中研究的是同一金属的光电效应规律,则B.如果研究不同金属光电效应的规律,在图乙中将得到经过(b,0)点的一系列直线C.如果研究不同金属光电效应的规律,在图丙中将得到不平行的倾斜直线
解析 如果图乙、图丙中研究的是同一金属的光电效应规律,则由图乙可得该金属的逸出功W0=a,由图丙可得该金属的逸出功W0=ec,故有a=ec,A错误;如果研究不同金属光电效应的规律,根据Ek=hν-W0可判断,不同的金属W0不同,故当Ek=0时,对应的ν不同,所以在图乙中将得不到经过(b,0)点的一系列直线,B错误;如果研究不同金属光电效应的规律,根据eUc=hν-W0可判断,
探究点四　康普顿效应和光的波粒二象性
太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;航天员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的。分析产生这些现象的原因。
要点提示 在地球上存在着大气,太阳光经微粒散射后传向各个方向,而在太空中的真空环境下光不能散射只向前传播。
1.康普顿的光子模型
光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量p= 。2.解释康普顿效应(1)经典物理的理论无法解释康普顿效应按照经典物理的理论,入射的电磁波引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电微粒进而再次产生电磁波,并向四周辐射,这就是散射波。散射波的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率,也就是入射波的频率。因而散射波的波长与入射电磁波的波长应该相同,不应出现λ>λ0的散射波。
(2)利用光子的动量解释康普顿效应在康普顿效应中,入射光子与晶体中电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,光子动量可能会变小。由光子动量p= 知,p变小,则光的波长变长。
3.对光的波粒二象性的理解
【例4】 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图所示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(　　)A.可能沿1方向,且波长变短B.可能沿2方向,且波长变短C.可能沿1方向,且波长变长D.可能沿3方向,且波长变长
解析 因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以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,可见碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由p= 知,波长变长,故C项正确。
方法技巧　对康普顿效应的三点认识(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)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,光子有一部分动量传给电子,散射光子的动量减少,于是散射光子的波长大于入射光子的波长。(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。
4.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'
解析 光子与电子碰撞过程中,能量守恒,动量也守恒,因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子,光子的能量减少,由E= 可知,光子的波长变长,即λ'>λ,故C正确。
1.(光电效应的条件)某金属在黄光照射下不能发生光电效应,以下可能使它发生光电效应的是(　　)A.增加黄光的照射时间B.增大黄光的照射强度C.改用红光照射D.改用紫光照射
解析 要使该金属发生光电效应,可以增大入射光的频率(或减短入射光的波长)。延长作用时间、增大光的强度都不会使金属发生光电效应,所以可能使它发生光电效应的是改用频率更大的紫光照射,故选D。
2.(光子的动量和光电效应方程)(2023河北石家庄高二期末)a、b两种光的频率之比为νa∶νb=2∶1,将两种光分别照射到截止频率为 的金属上,则a、b两种光子的动量之比及产生的光电子的最大初动能之比分别为(　　)A.2∶1、3∶1B.1∶2、3∶1C.2∶1、1∶3D.1∶2、1∶3
3.(光电效应的图像问题)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示。则关于这两种光的波长,下列说法正确的是(　　)A.a光的波长较长B.b光的波长较长C.两种光的波长一样长D.无法确定
解析 根据光电效应方程 mv2=hν-W0,由题图可得b光照射光电管时遏止电压大,使其逸出的光电子最大初动能大,所以b光的频率大,则a光的频率小,那么a光的波长长,故A正确,B、C、D错误。
4.(光电效应实验)(2023湖南郴州高二期末)利用如图所示的电路研究光电效应现象,各电表均为理想电表,滑片P的位置在O点的正上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率,且光的强度较大,则(　　)A.减弱入射光的强度,遏止电压变小B.P不移动时,微安表的示数为零C.P向a端移动,微安表的示数减小D.P向b端移动,光电子到达阳极A的最大动能减小