高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 波粒二象性第二节 光电效应方程及其意义评课ppt课件

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知识点一　能量子假说和光子假说1．能量子假说．(1)假说内容：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍．(2)能量量子：hν称为一个能量量子，其中ν是辐射频率，h是一个常量，称为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s.(3)在微观世界里，物理量的取值通常是不连续的，只能取一些分立的值．这种物理量分立取值的现象称为量子化现象．
2．光子假说．(1)内容：光子说：1905年，爱因斯坦提出，光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子．一个光子的能量为ε＝hν，h是普朗克常量，ν是光的频率．(2)意义：利用光子假说可以完美地解释光电效应的各种特征．知识点二　光电效应方程1．逸出功W0：电子脱离离子的束缚而逸出表面，这个功称为金属的逸出功．
知识点三　康普顿效应1．康普顿效应．用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象称为康普顿效应．按照光的电磁理论，光波波长在散射前后应该不变，光的电磁理论再次遇到了困难．
3．康普顿效应的意义．(1)证明了爱因斯坦光子假说的正确性．(2)证明了光子具有能量．(3)证明了光子具有动量．
小试身手1．下列宏观概念是“量子化”的是(　　)A．物体的质量　　　B．木棒的长度C．花生米的粒数 D．物体的动能
C　解析：粒数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的．其他三个物理量的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的、非量子化的，故C正确．
2．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳散射的结果，美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子相互碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比(　　)A．频率变大 B．速度变小C．光子能量变大 D．波长变长
探究一　对光子概念的理解1．光子不是光电子：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．由光子的能量确定光电子的动能：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；只有金属表面的电子直接向外飞出时，需克服原子核的引力做功最小，具有的初动能最大．光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能．
3．光子的能量与入射光的强度的关系：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光子能量与入射光子数的乘积．
【典例1】　氦氖激光器发射波长为6.328×10－7 m的单色光，试计算这种光的一个光子的能量为多少？若该激光器的发光功率为18 mW，则每秒钟发射多少个光子？(h＝6.63×10－34 J·s)
光能量子E＝hν，光能是光子能量的整数倍，即E总＝nε＝nhν.普朗克量子化理论，认为电磁波的能量是量子化的、不连续的，总能量是能量子的整数倍，即E总＝nε，其中ε＝hν，因此，只要知道电磁波的频率ν即可解答．光是一种电磁波，光能量子简称光子．其能量值是光能量的最小单位，ε＝hν，其中ν为光的频率，通常结合c＝λν，确定ε的值．
1．对应于3.4×10－19 J的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？(h＝6.63×10－34 J·s)
探究二　爱因斯坦光子说对光电效应的解释1．对光电流存在饱和值，以及饱和光电流随光强增大而增大的解释．当光强一定时，单位时间照射到金属表面的光子数是一定的，一般情况下一个电子只能吸收一个光子，这样导致单位时间从阴极K射出的光电子数量也是一定的．如果单位时间从阴极K运动到阳极A的光电子数量小于单位时间从阴极K射出的光电子数量，那么增大外加正向电压时会使单位时间到达阳极A的光电子数量增多，这样光电流就随正向电压的增大而增大．当正向电压增大到一定程度，以至于单位时间到达阳极A的光电子数量等于从阴极K射出的光电子数量时，
这时无论再怎么增大外加的正向电压，光电流都不会增加，也就是光电流达到了饱和值．
光的频率不变，此时增大光的强度，就是增加单位时间照射到金属表面的光子的数量，会导致单位时间从阴极K射出的光电子数量和到达阳极A的光电子数量都增大，饱和光电流的数值也就增加了．2．对存在截止频率的解释．发生光电效应的条件可从光子能量、光子频率和光的波长三个角度确定，即：(1)hν>W0；(2)ν>νc；(3)λ>λc.
(1)①电子离开金属需要克服原子核的束缚做功，金属中不同位置的电子，离开金属表面需要克服原子核束缚做的功也不相同，逸出的电子克服原子核束缚做功的最小值叫作这种金属的逸出功．②逸出功只由金属本身决定，与入射光无关．
②若入射光频率大于截止频率，照射到金属表面时会发生光电效应；若小于截止频率，照射到金属表面时不会发生光电效应．(3)①光的频率与光的波长成反比，c＝λν，对应截止频率的光的波长，是使金属发生光电效应的最大波长，叫截止波长，也叫极限波长，可用λc表示．②波长小于截止波长的入射光，照射到金属表面时能够发生光电效应；反之就不能发生光电效应．
【典例2】　(2021·山西吕梁柳林县高二下期中)一束黄光照射某金属表面发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)A．若增加黄光的照射强度，则逸出的光电子数不变B．若增加黄光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加C．若改用红光照射，则可能不会发生光电效应D．若改用红光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加
C　解析：光的强度增大，则单位时间内选出的光电子数目增多，根据光电效应方程知，光电子的最大初动能不变；故A、B错误；因为红光的频率小于黄光的频率，则用红光照射时不一定发生光电效应，故C正确；若是红光照射，若能发生光电效应，根据光电效应方程Ek＝hν－W0 知，由于红光的频率小，所以光电子的最大初动能减小，故D错误．
(1)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．(2)发生光电效应时，产生的光电子数与入射光的频率无关，与入射光的强度有关．
3．(2021·江苏常州二中高二下期中)如图所示，某种单色光射到光电管的阴极上时，电流表有示数，则不正确的是(　　)
A．入射的单色光的频率必须大于阴极材料的截止频率B．增大单色光的强度，电流表的示数将增大C．滑片P向左移，电流表示数将增大D．滑片P向左移，电流表示数将减小，甚至为零
C　解析：单色光射到光电管的阴极上时，电流表有示数，说明发生了光电效应，因此入射的单色光的频率一定大于阴极材料的截止频率，故A正确；增大单色光的强度，则产生的光电流增大，电流表的示数增大，故B正确；当滑片P向左移时，K极板电势比A极板高，光电管上加的是反向电压，电流表示数将减小甚至为零，故C错误，D正确．故选C.
探究三　光电效应方程及其应用1．光电效应方程Ek＝hν－W0的四点理解．(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值．(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程．①能量为ε＝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.
(4)Ek - ν曲线．如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线．这里，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；斜率为普朗克常量．
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．①光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．
【典例3】　如图所示，一光电管的阴极是用极限波长λ0＝500 nm的钠制成的，用波长λ＝300 nm的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间的电势差U＝2.1 V，饱和光电流的值I＝0.56 μA.(1)求每秒内由K极发射的光电子数；(2)求光电子到达A极时的最大动能；(3)如果电势差U不变，而照射光的强度增加到原值的三倍，此时光电子到达A极时最大动能是多大？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，真空中的光速c＝3×108 m/s，电子的电荷量e＝1.6×10－19 C)
4．(2018·全国卷Ⅱ)用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J．已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　)A．1×1014 Hz　　　B．8×1014 HzC．2×1015 Hz D．8×1015 Hz
5．在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图像不能求出 (　　)
A．该金属的逸出功B．该金属的极限频率C．单位时间内逸出的光电子数D．普朗克常量