高中物理教科版高中選修-第四章波粒二象性光電效應與光的量子說

第二節(jié)光電效應與光的量子說第四章波粒二象性太陽能電池板如何實現(xiàn)把太陽能轉化為電能？光電效應如圖1是研究光電效應現(xiàn)象的裝置圖，實驗1如圖1是研究光電效應現(xiàn)象的裝置圖，請結合裝置圖及產生的現(xiàn)象回答下列問題：圖1(1)實驗中，利用紫外線照射鋅板，驗電器有張角，這說明了什么？怎樣證明其電性？鋅板在紫外燈的照射下發(fā)生怎樣的變化？答案鋅板帶電關閉紫外燈后用毛皮摩擦過的橡膠棒接觸驗電器，夾角變小或為零，說明鋅板帶正電。原來中性的鋅板帶正電，說明鋅板向外放出電子。實驗1一、光電效應現(xiàn)象如圖1是研究光電效應現(xiàn)象的裝置圖，請結合裝置圖及產生的現(xiàn)象回答下列問題：圖1(2)利用紫外線照射鋅板，驗電器有張角，而用白光照射鋅板，驗電器無張角，紫外線和白光誰的頻率高？這說明了能否發(fā)生光電效應取決于光的什么？答案紫外線金屬能否發(fā)生光電效應，決定于入射光的頻率，高于某個極限頻率才能發(fā)生。實驗1一、光電效應現(xiàn)象一、光電效應現(xiàn)象

當光線照射在金屬表面時，金屬中的電子因吸收光的能量而逸出金屬表面的現(xiàn)象，稱為光電效應。1、逸出的電子稱為光電子2、對于每種金屬材料，都相應的有一確定的極限頻率c。當入射光頻率

>c

時，電子才能逸出金屬表面。分組實驗：為了更好的探究光電效應的規(guī)律，我們用光電管來做實驗，光電管結構如圖2所示：

圖2可簡化為圖3所示：（光電子形成的電流可以用電流表G測出，叫光電流）實驗2一、光電效應現(xiàn)象圖3分組實驗：光電效應實驗演示儀如圖4所示實驗2一、光電效應現(xiàn)象2517圖4操作1：接通電源，蓋上燈罩，通過旋轉燈罩方向改變光照強度，觀察電流表示數(shù)變化。操作2：把燈罩轉到合適方向，保持光強一定，增大光電管兩端電壓，觀察電流表示數(shù)變化。操作3：在操作2基礎上，把燈罩轉動，增加光強，觀察電流表示數(shù)變化。操作4：保持燈泡亮度不變，迅速蓋上燈罩。觀察電流表示數(shù)變化。在迅速拿開燈罩，觀察電流表示數(shù)變化。實驗2一、光電效應現(xiàn)象現(xiàn)象：示數(shù)逐漸變大，增大到某一數(shù)值不再隨電壓增大而增大，說明光電流的存在飽和值。現(xiàn)象：示數(shù)隨光照強度增大而增大。說明光電流隨光強增大而增大?，F(xiàn)象：蓋上燈罩瞬間電流表示數(shù)變?yōu)榱?，打開瞬間，電流表有示數(shù)。說明光電效應瞬間發(fā)生。現(xiàn)象：隨著光強增大，電流表示數(shù)增大。說明光電流的飽和值隨光強增大而增大④光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；進一步精確的實驗表面光電效應有以下特征：－++++++

一一一一一一vEEUFKAUC叫做遏止電壓①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光電效應，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應；②當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強，飽和電流越大；③光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過10-9秒.二、光電效應的實驗規(guī)律如何解釋上述實驗規(guī)律？材料１：經典物理學對物質世界的認識具有連續(xù)性和整體性，認為物體具有的能量是一個整體，比如物體的重力勢能取決于質量和高度且可以取任意值．對于光的能量來說，一般認為光的強度越強表示光的能量越大，光的能量是一個不可分割的整體．材料２：量子化理論提出物質世界具有分立性和不連續(xù)性，認為帶電微粒的能量只能是某個能量值ε＝ｈν的整數(shù)倍，帶電微粒輻射和吸收能量時也只能是以ε＝ｈν為單位一份一份地進行．愛因斯坦在普朗克量子理論的啟發(fā)下提出“光子說”，他認為電磁輻射（包括光）不僅在輻射和吸收能量時以ε＝ｈν為單位一份一份地進行，電磁輻射（包括光）本身就是由一個一個不可分割的能量子（光子）ε＝ｈν組成．閱讀以下材料，思考后填寫表格，再進行分組討論光電效應實驗規(guī)律

經典電磁理論解釋

量子化理論解釋

存在極限頻率

光的強度決定飽和電流

光的頻率決定遏止電壓

光電效應瞬時性

表格：對光電效應的兩種解釋光的強度越強，具有能量越大，只要光的強度足夠，光電子一定能逸出（無法解釋）光的強度越強，具有能量越大，能夠讓更多的電子克服原子核束縛，光電子數(shù)目越多光的強度越強，具有能量越大，光電子逸出后的初動能越大，遏止電壓越高（無法解釋）若光的強度很弱，通過一段時間積累電子逸出所需能量，時間將超過１０－９ｓ（無法解釋）光的頻率越高，光子具有能量越大，只有當光子能量使電子克服原子的引力做功，光電子才能逸出光的強度越強，含有的光子數(shù)越多，能夠讓更多的電子吸收光子能量，光電子數(shù)目越多光的頻率越高，光子具有能量越大，電子吸收光子能量逸出后初動能越大，遏止電壓越高電子一次性吸收一個光子的能量逸出，無需時間積累，若能發(fā)生光電效應僅需１０－９ｓ1.愛因斯坦的光電效應方程——光電子最大初動能

——金屬的逸出功

W00

一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分消耗于電子從金屬內逸出表面是所需做的功W0，剩下的轉化為逸出后光電子的初動能Ekk，根據能量守恒可得：三.愛因斯坦的光電效應方程

金屬表面最外層的電子克服原子的引力所需做功，叫做逸出功。用表示。不同的物質，逸出功不同

2、對光電效應現(xiàn)象進一步解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只有當hν>W0時，才有光電子逸出光電效應的截止頻率是：②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨著入射光的頻率增大而增大；由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。3.光電效應理論的驗證

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，h

的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得1921年諾貝爾物理學獎密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。放大器控制機構

可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。四.光電效應在近代技術中的應用1.光控繼電器可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.光電倍增管小結一、光電效應現(xiàn)象及實驗規(guī)律①對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須