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

这是一份物理选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应评课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了光电效应，目标体系构建，课前预习反馈，反向电压，最小值，ABC，光本身，能量子，一个光子，逸出功W0等内容，欢迎下载使用。

1．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。2．知道爱因斯坦的光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。3．了解光的波粒二象性。1．知道光电效应与电磁理论的矛盾。2．理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。3．了解康普顿效应及其意义。
1．光电效应定义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，金属表面已经没有光电子了，νc称为截止频率。(2)存在着_______电流。入射光强度一定，单位时间内阴极K发射的光电子数_______。入射光越强，饱和电流_______，表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数_______。(3)遏止电压：施加反向电压，使光电流减小到0的___________Uc称为遏止电压。(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是_______发生的。
4．逸出功使电子_______某种金属所做功的_________，叫作这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功_______。
『判一判』(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。(　　)(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(　　)(3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。(　　)
『选一选』(多选)光电效应的规律中，经典波动理论不能解释的有(　　　)A．入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才产生光电效应B．光电子的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C．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9 sD．当入射光频率大于极限频率时，光电子数目与入射光强度成正比
解析： 按经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，从金属中飞出的电子，必须吸收足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积蓄的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的光子数越多，被电子吸收的光子数自然也越多，产生的光电子数也越多。故不能解释的有A、B、C三项。
『想一想』如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电。你知道锌板是怎样带上电的吗？答案：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。
1．光子说(1)内容光不仅在发射和吸收能量时是一份一份的，而且_________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。(2)光子能量公式为ε＝hν，其中ν指光的_______。
2．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_______，其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＝_____________。
3．对光电效应规律的解释(1)光电子的最大初动能与入射光_______有关，与光的_______无关。只有当hν_________时，才有光电子逸出。(2)电子_________吸收光子的全部能量，_________积累能量的时间。(3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的_________较多，照射金属时产生的_________较多，因而饱和电流较大。
说明：①光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大；②入射光的强度，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比；③单位时间内发射出来的电子数由光强决定。
『选一选』(2023·广东潮州期末)1905年爱因斯坦提出“光子说”，成功解释了光电效应现象，因此获得 1921年诺贝尔物理学奖。关于光电效应的规律，下列说法正确的是(　　)A．对于同种金属，光电子的最大初动能与入射光的强度有关B．对于同种金属，在发生光电效应时遏止电压与入射光的频率有关C．只要金属中的电子吸收了光子的能量，就一定能发生光电效应现象D．单位时间内从金属表面逸出的光电子数与单位时间内照射到金属表面的光子数无关
解析：光电子的最大初动能Ek与入射光的强度无关，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及eUc＝Ek，有eUc＝hν－W0，所以，对于同种金属，发生光电效应时遏止电压与入射光的频率有关，故B正确；入射光的频率大于截止频率时，才能发生光电效应现象，故C错误；发生光电效应时，单位时间内入射的光子数越多，从金属表面逸出的光电子数就越多，故D错误。
1．康普顿效应在散射的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．光子的动量光子不仅具有能量，而且具有_______，公式：p＝______。
『判一判』(4)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。(　　)(5)光子发生散射后，其波长变大。(　　)
光电效应现象及其实验规律
要|点|提|炼1．光电效应现象存在遏止电压和截止频率，当所加电压U为0时，电流I并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流才有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。
当光照射在金属表面时有电子从金属表面逸出，但并不是任何频率的入射光都能引起光电效应。对于某种金属材料，只有当入射光的频率大于某一频率νc时，电子才能从金属表面逸出，形成光电流。当入射光的频率小于νc时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明没有光电子逸出，这一频率νc称为截止频率或极限频率。截止频率与阴极材料有关，不同的金属材料的νc一般不同。如果入射光的频率ν小于截止频率νc，那么，无论入射光的光强多大，都不能产生光电效应。
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，光电效应几乎是瞬时的。
典|例|剖|析　　　　　如图所示为演示光电效应的实验装置，关于光电效应，下列说法正确的是(　　)A．发生光电效应时，光电子是从K极逸出的B．灵敏电流计不显示读数一定是因为入射光强度太弱C．灵敏电流计不显示读数可能是因为电压过低D．如果把电源反接，一定不会发生光电效应
解析：当发生光电效应时，光电子从K极逸出，故A正确；由题图可知，光电管A、K两极之间加的是正向电压，若有光电子逸出，则光电子在电场力作用下加速运动，一定能到达A极，回路中一定有光电流，若灵敏电流计不显示读数，可能是因为入射光频率过低，没有发生光电效应，故B、C错误；若把电源反接，不会影响光电效应现象的发生，故D错误。
　　　　　　　　(多选)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．入射光的频率变高，饱和光电流变大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
解析： 入射光频率不变，光强变大，单位时间内产生的光电子数目变多，故饱和光电流变大，A正确；饱和光电流与光强有关，B错误；由爱因斯坦光电效应方程得hν＝W0＋Ek，C正确；不断减小入射光的频率，当频率小于材料的截止频率时，就没有光电流产生，D错误。
要|点|提|炼1．对光电效应方程的理解(1)光电子的动能方程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)方程实质方程Ek＝hν－W0实质上是能量守恒方程。
(3)产生光电效应的条件
(4)截止频率νc方程Ek＝hν－W0表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν存在线性关系(如图所示)，与光强无关。图中横轴上的截距是截止频率或极限频率，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量。(5)逸出功方程Ek＝hν－W0中的逸出功W0为从金属表面逸出的电子克服束缚而消耗的最少能量，不同金属的逸出功是不同的。
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→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。
3．光电效应几种图像的对比
(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关。　(2)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。
典|例|剖|析　　　　　如图所示K装置，阴极K用极限波长为λc＝0.66 μm的金属制成。若闭合开关S，用波长为λ＝0.50 μm的绿光照射阴极，调整两极间的电压，使电流表的示数最大，最大示数为0.64 μA。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。
(1)求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能；(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。
解析：(1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和。由电流可知每秒到达阳极的光电子数，即阴极每秒发射的光电子个数
代入数据可得Ek＝9.6×10－20 J。
(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍，饱和电流增大为原来的2倍，则绿光的光强增大为原来的2倍后，阴极每秒发射的光电子个数n′＝2n＝8.0×1012光电子的最大初动能仍然为Ek＝hν－W0＝9.6×10－20 J。答案：(1)4.0×1012　9.6×10－20 J(2)8.0×1012　9.6×10－20 J
　　　　　　　　(2023·云南省云天化中学高二春季开学试题)某金属发生光电效应，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν之间的关系如图所示。已知h为普朗克常量，e为电子电荷量的绝对值，结合图像所给信息，下列说法正确的是(　　)A．入射光的频率小于ν0也可能发生光电效应现象B．该金属的逸出功随入射光频率的增大而增大D．遏止电压与入射光频率无关
要|点|提|炼1．光的波粒二象性的理解
2．光的波粒二象性(1)大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性，如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性得到充分体现；但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验，为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。
(2)光子和电子、质子等实物粒子一样具有能量和动量，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，如光子与电子的作用是一份一份进行的，这些都体现了光的粒子性。(3)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。
典|例|剖|析　　　　　(多选)对光的认识，下列说法正确的是(　　　)A．少量光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不具有波动性了D．光的波粒二象性可以理解为在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下，光的粒子性表现明显
解析：少量光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光传播时表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，故选项A、B、D正确。
　　　　　　　　(2023·江苏苏州期末)关于光的本性，下列说法正确的是(　　)A．关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性D．光的波粒二象性将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来
解析：光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波。光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒。某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象；某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子理论解释这一现象。综上，选项C正确。
光电效应中几个易混淆的概念1．光子与光电子光子指光在空间传播时的一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。2．光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时， 光子的能量全部被电子吸收，电子吸收光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。光电子的初动能小于等于光电子的最大初动能。
3．光子的能量与入射光的强度光子的能量即每个光子的能量，其值为E＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量；入射光的强度等于单位时间内入射光子数与光子能量的乘积。4．光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
　　　　　用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是_____，可能相同的是_____，一定不相同的是_______。A．光子的能量　　　　B．金属的逸出功　　　　C．光电子动能　　　　D．光电子最大初动能
解析：光子的能量由光的频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同，逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最小的功，因此只由材料决定，锌片和银片的逸出功一定不相同。由Ek＝hν－W，照射光子能量hν相同，逸出功W不同，则光电子最大初动能也不同，由于电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的动能可能分布在零到最大初动能之间，所以，两个不同光电效应的光电子中，动能是可能相等的。
一、光电效应现象和实验规律1．下列关于光电效应现象的表述中，错误的是(　　)A．光电效应是指照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象B．光电效应实验中存在截止频率C．入射光太弱时不可能发生光电效应D．光电效应几乎是瞬时发生的
解析：光电效应是指照射到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出的现象，A正确；根据光电效应的实验规律可知，B、D正确；光电效应现象是否发生与入射光的强度无关，当入射光的频率大于截止频率时，就可以发生光电效应，C错误。
2．光电效应的规律中，经典波动理论能解释的有(　　)A．入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才产生光电效应B．当入射光频率大于被照射金属的极限频率时，光电子数目与入射光的强度成正比C．光电子的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D．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的
解析：按经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，金属中的电子必须吸收足够的能量后才能从其中飞出，电子有一个能量积累的时间，光的强度越大，单位时间内辐射到金属表面的能量越多，被电子吸收的能量自然也越多，产生的光电子数也越多，故经典波动理论只能解释B项。
3．(2023·北京101中学高二月考)如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度，下列说法正确的是(　　)A．验电器带正电，锌板带负电B．验电器带负电，锌板也带负电
C．若改用红光照射锌板，验电器的指针一定也会偏转D．若改用同等强度频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转
解析：用紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板连接，则验电器带正电，故A、B错误；根据光电效应的条件可知若改用红光照射锌板，不一定能发生光电效应，所以验电器的指针不一定会发生偏转，C错误；根据光电效应的条件可知发生光电效应与光的强度无关，若改用同等强度频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转，D正确。
5．(2023·山东济宁期末)用普通光源照射金属时，一个电子在极短时间内只能吸收一个光子从金属表面逸出，称为单光子光电效应。如果用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内能吸收多个光子，称多光子光电效应。某光电效应实验装置如图所示，用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率的强激光照射阴极K，发生了光电效应，闭合开关S，并逐渐增大电源电压U，当光电流恰好减小到零时，电压为Uc。已知W为金属材料的逸出功，h为普朗克常量，e为电子带电荷量，下列说法可能正确的是(　　)
6．(2022·湖南师大附中高二下月考)某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中νc为极限频率。下列说法正确的是(　　)A．逸出功随入射光频率的增大而减小B．最大初动能Ek与入射光强度成正比C．最大初动能Ek与入射光频率成正比D．图中直线的斜率与普朗克常量有关
解析： 逸出功是金属的固有属性，只与金属本身有关，与入射光的频率无关，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，但最大初动能与入射光的频率不是成正比关系，故B、C错误；根据Ek＝hν－W0并结合图像可知，Ek－ν图线的斜率表示普朗克常量，故D正确。
三、康普顿效应和光子的动量7．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，而且具有动量。下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(　　)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
8．(2023·杭州学军中学期中)关于光的波粒二象性，下列说法正确的是(　　)A．光既是一种波又是一种粒子B．个别光子是粒子，大量光子是波C．光沿直线传播时表现为粒子性，发生干涉时表现为波动性D．在光的干涉条纹中，明条纹是光子能够到达的地方，暗条纹是光子不能到达的地方