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1、第二节第二节 科学的转折科学的转折 光的粒子性光的粒子性 问题问题1：回顾前面的学习，总结回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展人类对光的本性的认识的发展过程？过程？用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电 器张角增大到约为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。一、光电效应现象一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电定义：定义：在光(包括不可见光)的照射下，从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1.1.什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属当光线照射在金属表面时，金属中
2、有电子逸出的现象，称为光电效应。中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子逸出的电子称为光电子。一、光电效应一、光电效应阳阳极极阴阴极极石英窗石英窗 光线经石英窗照在阴极上，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出便有电子逸出-光电子光电子。光电子在电场作用下形成光电流。光电子在电场作用下形成光电流。2.2.光电效应的实验规律光电效应的实验规律1. 1. 光电效应实验光电效应实验阳阳极极阴阴极极 将换向开关反接，电场反向，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。场阻碍作用。 当当 K K、A A 间加反向电压，光间加反向电压，光电子
3、克服电场力作功，当电压达电子克服电场力作功，当电压达到某一值到某一值 U Uc c 时，光电流恰为时，光电流恰为0 0。 U Uc c称称遏止电压遏止电压。遏止电压遏止电压IUcOU光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置光电效应实验装置遏遏止止电电压压 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律阳阳极极阴阴极极IIsUaOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线光电效应实验装置光电效应实验装置遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流 一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律阳阳极极阴阴极极阳阳极极阴阴极极石英石
4、英窗窗2. 2. 光电效应实验规律光电效应实验规律.光电流与光强的关系光电流与光强的关系饱和光电流强度与入射光强度成正比。饱和光电流强度与入射光强度成正比。.截止频率截止频率c -极限频率极限频率对于每种金属材料，都相应的有一确对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率定的截止频率c 。 当入射光频率当入射光频率 c 时，电子才能逸出时，电子才能逸出金属表面；金属表面；当入射光频率当入射光频率 c时，无论光强多大也无电子逸出金时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。属表面。光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电逸出所需时间时间 10-9s。经典理论无法
5、解释光电效应的实验结果经典理论无法解释光电效应的实验结果。 经典认为，经典认为，按照经典电磁理论，入按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，就越大，光电子逸出的能量也应该越大。光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率率有关，更不应该有什么截止频率。 光电效应实验表明：饱和电流不仅与光光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有
6、关而且与频率有关，光电子初动能也强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。率时，无论光强再大也没有光电流。 光电效应具有瞬时性。而光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。积累过程。 为了解释光电效应，为了解释光电效应，爱因斯坦在能量爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论子假说的基础上提出光子理论，提出了光，提出了光量子假设。量
7、子假设。3.3.爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设1.1.内容内容 光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大量能量为光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。运动。 在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功部分消耗在电子逸出功A，另一部分变为光电子逸出后，另一部分变为光电子逸出后的动能的动能
8、 Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：2.2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功； 为光电子的最大初动能。为光电子的最大初动能。 3. 3. 从方程可以看出光电子初动能和照射从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系光的频率成线性关系 4. 4.从光电效应方程中，当初动能为零时，从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极极限频率：可得极极限频率： 爱因斯坦对光电效应的解释：爱因斯坦对光电效应的解释： 1. 1. 光强大，光子数多，释放的光电子也光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也
9、大。多，所以光电流也大。 2. 2. 电子只要吸收一个光子就可以从金属电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。表面逸出，所以不需时间的累积。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。波动理论。4.4.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国物理学家密立
10、根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效光电效应应”实验，结果在实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。放大器放大器控制机构控制机构 可以用于自动控可以用于自动控制，自动计数、自动制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。报警、自动跟踪等。4.4.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用1.1.光控继电器光控继电器可对微弱光线进行放可对微弱光线进行放大，可使光电流放大大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度倍，灵敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。2.2.光电倍增管光电倍增管应 用光电管光电源电流计IAK
