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1、高考导航,1.常考点:光电效应实验规律、光电效应方程的应用及有关图像问题2.题型及难度:多以选择题形式考查,难度中等,17.2光的粒子性,1.光电效应现象19世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论,明确了光的电磁说,同时赫兹也最早发现了光电效应现象。(1)演示:如图所示,用紫外线灯照射锌板,与锌板相连的验电器就带正电,这说明锌板在光的照射下发射了电子。(2)定义:在光(包括不可见光)的照射下物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。深度理解:(1)光电效应的实质:光现象转化为电现象;(2)使锌板发射电子的光是紫外线灯发出的紫外线.,一、光电
2、效应的实验规律,2.光电效应实验(1)实验目的研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。(2)光电效应的实验装置如图所示,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电子。电源加在K与A之间的电压大小可以调整,正负极也可以对调,当电源按图示极性连接时,阳极A吸收阴极K发出的电子,在电路中形成光电流。,一、光电效应的实验规律,存在饱和电流,光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。,因为光照条件一定时，K发射的电子数目一定。,实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。,一、光电效应的
3、实验规律,(3)光电效应的实验结论,(3)光电效应的实验结论在入射光强度和频率不变的情况下,I-U曲线如图所示,曲线表明,当加速电压U增大到一定值时,光电流达到饱和值,这是因为单位时间内从阴极K射出的电子全部到达阳极A,若单位时间从阴极K上逸出的光电子数目为n,则饱和电流lm=ne,式中e为电子电荷量.,一、光电效应的实验规律,：使光电流减小到零的反向电压,+,一一一,v,加反向电压，如右图所示：,光电子作减速运动。若速率最大的记为vC,最大的初动能,U=0时，I0，,因为电子有初速度,则I=0，式中UC为遏止电压,存在遏止电压和截止频率,a.存在遏止电压UC,U,F,K,A,一、光电效应的实
4、验规律,I,Is,Uc2,O,U,黄光（强）,黄光（弱）,光电效应伏安特性曲线,遏止电压,饱和电流,蓝光,Uc1,实验表明:对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压是一样的.光的频率改变时，遏止电压也会改变。,一、光电效应的实验规律,实验结论：光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。,(3)光电效应的实验结论另外,当电压U减小到零,并开始施加反向电压时,光电流并没有减小到零,这表明从阴极逸出的电子具有初动能.所以尽管电场阻碍光电子运动,仍有部分光电子到达阳极A,但当反向电压等于Uc时,就能阻止所有的光电子飞向阳极A,使光电流降为零,此时的反向电压叫做遏止电压(也
5、称截止电压),它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差,那么就能根据遏止电压U来确定电子的最大初速度和最大初动能,即122=,一、光电效应的实验规律,存在截止频率:在用相同频率、不同强度的光去照射阴极K时,得到的I-U曲线如图所示(Io1、Io2、Io3表示入射光的强度),它显示了对于不同强度的光,UC是相同的,Im是不同的,这说明相同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的,饱和电流I是不同的。此外,用相同强度、不同频率的光去照射阴极K时,实验结果是频率越高,UC越大,如图甲所示;还得到了遏止电压UC与入射光频率v的图线呈线性关系,如
6、图乙所示频率低于vc的光不论光强多大,都不能产生光电子,因此vc称为截止频率,对于不同材料,其截止频率不同。,一、光电效应的实验规律,（1）饱和电流和入射光的强度的关系入射光越强，饱和电流越大。即饱和电流的大小和的强度成正比,也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。,一、光电效应的实验规律,3.光电效应的实验规律,要点解读：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;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;单位时间内发射出来的电子数由光强决定。,一、光电效应的实验规律,(2)光电子的最大初动
7、能与入射光强度的关系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,频率越高,光电子的最大初动能越大。(3)光电效应的产生与入射光的频率和光强的关系任何一种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应;频率低于v的入射光,无论光的强度多大照射时间多长都不能使光电子逸出。入射光强度入射光频率,决定着,发生光电效应时,单位时间内发射出来的光电子数,决定着,是否产生光电效应及发生光电效应时光电子的最大初动能,实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。,更精确的研究推知，光电
8、子发射所经过的时间不超过109s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。,结论：光电效应在极短的时间内完成。,(4)光电效应的瞬时性,一、光电效应的实验规律,1.光的电磁理论只能部分地解释光电效应利用光的电磁理论(经典波动理论)能够解释:(1)逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值；(2)光越强,光电流越大。2.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾,二、光电效应的理论解释,二、光电效应的理论解释,2.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾,3.爱因斯坦光电效应方程(1)光子说:爱因斯坦于1905年提出,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。光子的能量跟它的频率成正比,即=,式
9、中h叫普朗克常量(h=6.6310-34Js)(2)光电效应方程:Ek=W0其中Ek=122为光电子的最大初动能,W0为金属的逸出功。,二、光电效应的理论解释,(3)对光电效应方程的理解式中Ek是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0Ek范围内的任何数值。光电效应方程表明,光电子的最大初动能与入射光的频率v呈线性关系(注意不是正比关系),与光强无关。光电效应方程包含了产生光电效应的条件,即Ek=W00,亦即W0,W0=c,而c=W0就是被照射金属的极限频率.光电效应方程实质上是能量守恒方程.逸出功W0:电子从金属中逸出所需要克服束缚而消耗的能量的最小值,叫做金属的
10、逸出功.光电效应中,从金属表面逸出的电子消耗能量最少.,二、光电效应的理论解释,4.光子说对光电效应现象的解释(1)由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量,而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为.如果光的频率低于金属的极限频率,则光子提供给电子的能量不足以使电子克服原子核的束缚,就不能发生光电效应.(2)对于某一金属,逸出功是一定的,要产生光电效应,入射光的频率必须高于金属的极限频率(c=W0),当光子的频率高于金属的极限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=122=W
11、0.,二、光电效应的理论解释,(3)电子吸收能量的过程极其短暂,吸收能量后瞬间挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬时的.(4)发生光电效应时,单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比,光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多,那么逸出的光电子数目也就越多,所以光电流也就越大.,二、光电效应的理论解释,4.光子说对光电效应现象的解释,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发生改变的现象:叫做光的散射。2.康普顿效应在散射光中,除有与入射波长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。3.光子说对康普顿效应的解释假定x射线的光子与电子发生完全弹性碰撞,这
12、种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说可知,一个X射线光子不碰撞前碰撞后仅具有能量E=,而且还有动量.如图所示,一个光子与静止的电子发生弹性碰撞,光子把部分能量转移给了电子,能量由减小为,因此频率减小,波长增大,同时,光子还使电子获得一定的动量,这样就圆满地解释了康普顿效应。,三、康普顿效应,4.光子的动量光子不仅具有能量,还具有动量,根据狭义相对论可知:E=mc2,m=Ec2。光子的能量E=,则光子的动量p=mc=c。根据波长与频率和波速的关系式c=,可知光子的动量为P=。式中h为普朗克常量,为光波的波长.注意:(1)在光的散射中,光子不仅具有能量,也具有动量,在与其他微粒
13、作用过程中遵守能量守恒定律和动量守恒定律。(2)光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性。,三、康普顿效应,1.构造光电管的种类很多,如图所示是具有代表性的一种,玻璃泡里的空气已被抽出,有时管内充有少量的惰性气体。管的内半壁涂有碱金属作为阴极K,管内另有一阳极A,使用时采用如图所示的电路。,四、光电管的构造和工作原理,2.工作原理当光照射到阴极K上时,由于发生光电效应,就有电子从阴极上发射出来,在电场力作用下到达阳极A,因而电路中就有电流流过照射光的强度不同,阴极发射的电子数不同,电路中的电流就不同.所以,利用光电管可将光信号转化为电信号.光电管产生的光电流很弱,应用时可用放大器进行放大。3.应用利用光电管可以实现自动化控制,制作有声电影,实现无线电传真,光电扫描,自动计数等。,四、光电管的构造和工作原理,一、光电效应的基本规律,1.光电效应现象,2.光电效应实验规律,(2)存在遏止电压和截止频率,(1)存在饱和电流,(3)具有瞬时性,二、光电效应解释中的疑难,课堂小结,（3）光子说对光电效应的解释,（2）爱因斯坦的光电效应方程,三、爱因斯坦的光电效应方程,（1）光子：,四、康普顿效应,光子的动量,作业,1.先复习今天所讲基础内容完成本节大小本；2.完成习题课课件。,