高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册光电效应导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册光电效应导学案，共7页。学案主要包含了赫兹偶然发现光电效应，光电效应实验规律，光电效应中的疑难，爱因斯坦的光电效应理论，康普顿效应，光的波粒二象性等内容，欢迎下载使用。

二、光电效应实验规律
科学家通过实验发现了以下规律：
存在截止频率νc
存在饱和电流

存在遏止电压Uc
光电效应具有瞬时性
光电效应：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。
逸出功w0：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，用w0表示。
不同种类的金属，其逸出功 的大小也不相同。
截止频率νc： 当入射光的频率≥截止频率才能发生光电效应。
遏止电压Uc：使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
三、光电效应中的疑难
光电效应中的一些重要现象,
无法用经典电磁理论解释。
四、爱因斯坦的光电效应理论
对于光电效应的解释，爱因斯坦是在普朗克量子假说的基础上作出的。
为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子说。
即光在吸收和发射能量是一份一份的，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子称为光子。
光电效应与经典电磁理论的矛盾
按照爱因斯坦的理论，当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，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的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后的初动能，即：
ℎν=W0+Ek
或
Ek=hν−W0
（该式称为爱因斯坦光电效应方程）
H
爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象。
1.只有当hν>W0时，光电子才可以从金属中逸出，初动能Ek≠0；
当hν=W0，光电子初动能Ek=0，此时ν是截止频率。νc=w0h
2.电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。
五、美国密立根以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。通过测量金属的遏止电压UC与入射光的频率ν，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。
六、康普顿效应
光可以与介质中的物质微粒发生散射时，改变传播方向。
美国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，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
康普顿效应无法用经典物理学解释。按照经典物理学的理论，X射线的波长不会在散射中发生变化。
康普顿用爱因斯坦的光子模型成功解释了这种效应。
康普顿效应的光量子理论解释
3.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，因而饱和电流较大。
4.光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与光的强弱无关。也解释了遏止电压和光强无关。
UC=hⅇν−w0ⅇ
Ek=hν−W0

Ek=ⅇUC
实验结果：两种方法得出的普朗克常量h在误差范围内是一致的。这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据。爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年诺贝尔物理学奖。
或：
康普顿的思想是：光子不仅具有能量（Σ=ℎν），而且还具有动量，光子的动量P与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量的关系：
P=hλ
（1）若光子和外层电子相碰撞，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）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，但光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
基于这个假定的理论结果和实验符合得很好。康普顿效应让人们对光子有了更深入的认识。康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。
七、光的波粒二象性
康普顿散射实验的意义：
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。
（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设，深入揭示了光的
粒子性的一面。
（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。
光的干涉和衍射现象说明光具有波动性。
(代表：惠更斯、托马斯·杨)
光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。
(代表：爱因斯坦、康普顿)
关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。
即：光具有波粒二象性。
1．关于康普顿效应，下列说法正确的是（ ）
A．康普顿效应证明光具有波动性
B．康普顿效应可用经典电磁理论进行解释
C．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变长了
D．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变短了
2. 金属P、Q的逸出功大小关系为WP>WQ，用不同频率的光照射两金属P、Q，可得光电子最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系图线分别为直线p、q，则下列四图中可能正确的是（ ）
3. 用如图甲所示的装置研究光电效应现象，闭合开关S，用频率为v的光照射光电管时发生了光电效应，图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率v的关系图像，图线与横轴交点的坐标为(a,0)，与纵轴交点的坐标为(0,-b)，下列正确的是（ ）
A．普朗克常量为h=b/a
B．断开开关S后，电流表G的示数不为零
C．仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大
D．保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变。存在截止频率
实验表明：不同金属的截止频率不同。
截止频率与金属本身的性质有关。
存在饱和电流
实验表明：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，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越多。
存在遏止电压
实验表明：同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变，遏止电压也会改变。
ν蓝>ν黄 即 Uc1>Uc2
这意味着，对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
如果施加反向电压，也就是阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电子无法定向移动。光电流减小到0 。此时的反向电压称为遏止电压。满足12mev2=ⅇUC。
光电效应具有瞬时性
实验表明：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，光电效应几乎是瞬时发生的，可认为不需要时间积累。
项目
经典电磁理论
光电效应实验结果
矛盾1
按照光的经典电磁理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够强，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应
如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不会发生光电效应。
矛盾2
光越强，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，所以遏止电压与光强有关
遏止电压与光强无关，
与频率有关。
矛盾3
光越强时，电子能量积累的时间就短，光越弱时，能量积累的时间就长
当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎在一开始就产生了光电子。
可认为不需要时间积累。