《光电效应》课件.高中物理

第1讲描述运动的基本概念,2光电效应,1.知道光电效应现象,了解光电效应的实验规律。,2.理解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.了解康普顿效应及其意义。,4.知道光的波粒二象性。,1.光电效应的概念,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,。,1|,光电效应的实验规律,2.研究光电效应的电路图,如图,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,阴极K,在受到光照,时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压,U,的大小可以调整,电源的正负极也,可以对调。电源按图示极性连接时,闭合开关后,阳极A吸收阴极K发出的光电子,在电路中形成,光电流,。这导致电压,U,为0时电流,I,并不为,0。,3.光电效应的实验规律,(1),存在截止频率,当入射光的频率低于,截止频率,时不发生光电效应。实验表明,不同金属的,截止频率,不同,。换句话说,截止频率与金属自身的性质有关。,(2),存在饱和电流,在光照条件不变的情况下,在电流较小时电流随着正向电压的增大而,增大,;,但当电流增大到一定值之后,即使电压再增大,电流也,不会,再进一步增大了,如图所示,光电流趋于一个饱和值。,光电流与电压的关系,(3)存在遏止电压,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,电流有可能为0。使光电流减小到0的,反向电压,U,c,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,初速度的上限,v,c,应满足,m,e,=,eU,c,。,进一步的实验表明,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,改变时,遏止电压,U,c,也会改变。,(4)光电效应具有瞬时性,当频率超过截止频率,c,时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会,立即,产生光,电流。精确测量表明产生电流的时间很快,即光电效应几乎是,瞬时,发生的。,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,用,W,0,表示。不同种类的金属,其逸出功的大小也,不相同,。,2.光电效应与经典电磁理论的矛盾,矛盾之一:光电效应中存在,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,电子都可以获得足够能,量从而逸出表面,不应存在截止频率。,矛盾之二:光电效应中,遏止电压由入射光的,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,U,c,应该与,光的强弱有关。,矛盾之三,:,光电效应具有,瞬时,性,如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸,出表面所需的能量,这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。,2|,光电效应经典解释中的疑难,1.光子说,(1)内容,假定电磁波本身的能量也是,不连续,的,即认为光本身就是由一个个不可分,割的,能量子,组成的,频率为,的光的能量子为,h,其中,h,为普朗克常量。这些,能量子后来称为光子。,(2)光子能量,公式为,=,h,其中,指光的,频率,。,2.爱因斯坦光电效应方程,(1)爱因斯坦在光电效应中能量守恒的理论,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,3|,爱因斯坦的光电效应理论,吸收一个光子获得的能量是,h,在这些能量中,一部分大小为,W,0,的能量被电,子用来脱离金属,剩下的是逸出后电子的,初动能,。,(2)爱因斯坦光电效应方程,E,k,=,h,-,W,0,式中,E,k,为光电子的最大初动能,E,k,=,m,e,。,3.爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释,(1)这个方程表明,只有当,h,W,0,时,光电子才可以从金属中逸出,c,=,就是光,电效应的截止频率。如图所示。,光电效应的,E,k,-,图像,(2)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,。,(3)这个方程还表明,光电子的最大初动能,E,k,与入射光的频率,有关,而与光的强弱无,关。这就解释了遏止电压和,光强,无关。,(4)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,乎是瞬时产生的。,4.遏止电压,U,c,与光的频率,和逸出功,W,0,的关系,利用光电子的初动能,E,k,=,eU,c,和爱因斯坦光电效应方程,E,k,=,h,-,W,0,可以消去,E,k,从而得,到,U,c,与,、,W,0,的关系,即,U,c,=,-,。,遏止电压,U,c,与光的频率,之间是,线性,关系,U,c,-,图像是一条斜率为,的直线。,某金属的,U,c,-,图像,1.康普顿效应,19181922年,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,0,相同的成分外,还有波长,大于,0,的成分,这个现象,称为康普顿效应。,2.康普顿效应与经典物理学理论的矛盾,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。因此,康普顿效应,无法用经典物理学解释。,3.用光子的模型解释康普顿效应,(1)光子不仅具有能量,而且具有,动量,光子的动量,p,与光的波长,和普朗克常,量,h,有关。这三个量之间的关系式为,p,=,。,4|,康普顿效应和光子的动量,爱因斯坦质能方程Emc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损由质量亏损可求出释放的核能Emc2.,光的干涉和衍射都属于光的叠加，从本质上看，干涉条纹和衍射条纹的形成有相似的原理，都可认为是从单缝通过两列或多列频率相同的光波，在屏上叠加形成的,箱顶受到水的压力为F1=p1S1=1960 Pa(0.30.3410-4)m2=175.6 N，,(1)解决“同时”的相对性问题，可从三个方面入手：,(2)氢原子的能级和轨道半径,(3)位移不变：爆炸的时间极短，因而作用过程中物体运动的位移很小，一般可忽略不计，可以认为爆炸后仍然从爆炸时的位置以新的动量开始运动,重点：眼睛成像原理和调节作用、近视眼和远视眼的矫正；,(1)明确研究对象，确定系统的组成(系统包括哪几个物体及研究的过程)；,3、近视眼的成因和矫正。,安装双缝和单缝，中心大致位于遮光筒的轴线上，使双缝与单缝的缝平行，二者间距约5 cm10 cm，这时，可观察白光的干涉条纹,(3)分方向守恒：系统在某个方向上所受合力为零时，系统在该方向上动量守恒,考点三狭义相对论的简单应用,(3)最大初动能,以质量为m1、速度为v1的小球与质量为m2的静止小球发生正面弹性碰撞为例，则有,(2)在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把,一部分动量,转移给电子,因而,光子动量可能会,变小,。从式,p,=,看,动量,p,减小,意味着波,长,变大,因此,这些光子散射后波长变大。,光子既有能量也有动量,1.在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种电磁波,从而光的,波动,说被普遍接受。,2.光电效应和康普顿效应重新揭示了光的,粒子,性。,3.光既具有,波动性,又具有,粒子性,。换句话说,光具有,波粒二象性,。,5|,光的波粒二象性,1.金属钠表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。,(,),2.金属钾发生光电效应,入射光强度越大,饱和电流越大。,(,),3.金属钙、钠、钾的逸出功不同,说明了金属种类不同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:入射光的强度越大,光子数目越多,照射金属时产生的光电子就越多。,5.能产生光电效应的光必定是可见光。,(,),提示:频率大于金属的截止频率的光可以使该金属产生光电效应,不一定是可见光。,6.经典物理学理论不能合理解释康普顿效应。,(,),提示:康普顿效应与经典物理学的理论有矛盾,用光子的模型能成功解释康普顿效应。,7.光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。,(,),提示:光子不是宏观观念的粒子,不由分子、原子组成。,判断,正误,，,正确,的画“”,，,错误,的画“”,。,1,|,光电效应中的几组概念,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,=,h,(,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,强度等于光子能量,h,与单位时间内单位面积上入射光子数,n,的乘积,即入射光的强,度等于,nh,。,光子与光电子,(1)光子指光在空间传播时的每一份能量,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)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。,光电子的初动能、最大初动能与遏止电压,(1)光照射到金属表面时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收了光子的能量,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。,(2)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或等于光电子的最大初动能。,(3)遏止电压与光电子初速度的上限,v,c,满足:,m,e,=,eU,c,。,饱和电流、正向电压与光的强度三者之间的关系,(1)存在饱和电流的原因,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一定的,电压增加,到一定值时,所有光电子都被阳极A吸收,这时即使再增大电压,电流也不会增大。,(2)饱和电流与正向电压的关系,从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,这个饱和值是饱和电流,在一定的光照条件下,饱和电流与,所加正向电压大小无关。,(3)饱和电流与光的强度的关系,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。,2,|,爱因斯坦光电效应方程的理解及应用,情境如图甲所示,P,在最左端,没有给光电管加电压,依然有光电流。如图乙所示,给光电管加反向电压,光电子在光电管两极间形成的电场中做减速运动。当反向,电压增加到遏止电压,U,c,时,光电流减小到零。增加单色光的频率,发现对应的遏止,电压,U,c,变大。,问题,1.当反向电压达到遏止电压,U,c,时,光电流为零,说明初速度最大的光电子运动到极,板A时的速度恰好为多大?,提示:速度恰好为0。,2.遏止电压,U,c,与光电子的最大初速度,v,c,满足哪个与能量相关的规律?请写出相关方,程式。,提示:满足动能定理。方程式为0-,m,e,=-,eU,c,。,3.综合应用爱因斯坦光电效应方程,E,k,=,h,-,W,0,分析,对于同一个光电管,遏止电压,U,c,与,入射光的频率、强弱有什么关系?,提示:综合表达式可得,E,k,=,m,e,=,eU,c,=,h,-,W,0,可知,遏止电压,U,c,与入射光的强弱无关,与入射光的频率有关,入射光的频率越大,遏止电压,U,c,越大。,爱因斯坦光电效应方程,E,k,=,h,-,W,0,的四点理解,(1)爱因斯坦光电效应方程中的,E,k,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,E,k,范围内的任何数值。,(2)爱因斯坦光电效应方程实质上是能量守恒方程。,能量为,=,h,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,W,0,则电子离开金属表面时动能最大为,E,k,根据能量,守恒定律可知,E,k,=,h,-,W,0,。,(3)爱因斯坦光电效应方程包含了产生光电效应的条件。若发生光电效应,则光电,子的最大初动能必须大于零,即,E,k,=,h,-,W,0,0,可知,h,W,0,=,c,而,c,=,恰好是光,电效应的截止频率。,（组