人教版高中物理選擇性必修三 4.2光電效應-教案

1、光電效應【教學目標】一、知識與技能1通過實驗了解光電效應的實驗規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。3了解康普頓效應，了解光子的動量。4了解光既具有波動性，又具有粒子性。二、過程與方法經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。三、情感、態(tài)度與價值觀領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！窘虒W重點】光電效應的實驗規(guī)律。【教學難點】愛因斯坦光電效應方程以及意義。【教學過程】一、復習提問、新課導入回顧前面的學習，總結人類對光的本性的認識的發(fā)展過程。光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光

2、的偏振現(xiàn)象進一步說明光還是橫波。19世紀60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質。然而，出人意料的是，正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候，又發(fā)現(xiàn)了用波動說無法解釋的新現(xiàn)象光電效應現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象及其他相關問題的研究，使得人們對光的又一本質性認識得到了發(fā)展。二、新課教學（一）光電效應的實驗規(guī)律1光電效應實驗演示1：用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，（注意用導線與不帶電的驗電器相連），使驗電器張角增大到約為30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。上述實驗說明了什么？（表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。）概念：在光（包括不可見光）的照射下，從物體發(fā)射電子

3、的現(xiàn)象叫做光電效應。發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應的實驗規(guī)律以上實驗改用很強的白熾燈照射，卻不能發(fā)生光電效應。向學生提出問題：光電效應的發(fā)生一定是有條件的，存在著一定規(guī)律。有什么規(guī)律呢？讓我們進一步研究。向學生介紹光電效應演示儀。在黑板上畫一示意圖，如圖所示。S為抽成真空的光電管，C是石英窗口，光線可通過它照射到金屬板K上，金屬板A和K組成一對電極與外部電路相連接。光源為白熾燈，在光源和石英窗口C之間插入不同顏色的濾光片可以改變入射光的頻率，光源的亮度可以通過另一套裝置調節(jié)。實驗演示2：光電效應的規(guī)律觀察現(xiàn)象一：存在截止頻率當入射光頻率減小到某一數(shù)值c時，A、K極板間不加反向電壓，電流也

4、為0。c稱為截止頻率或極限頻率。這就是說，當入射光的頻率低于截止頻率時不發(fā)生光電效應。實驗表明，不同金屬的截止頻率不同。換句話說，截止頻率與金屬自身的性質有關。觀察現(xiàn)象二：存在飽和電流光照不變，增大UAK，G表中電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。出示圖象理解：頻率不變，入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)越多。觀察現(xiàn)象三：存在截止電壓如果施加反向電壓，也就是陰極接電源正極、陽極接電源負極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場，電流有可能為0。使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為截止電壓。12mevc2=eUc，可以理解為：光電子克服電場力做功，到達A極板時速度剛好為零。同一種金

5、屬，截止電壓只與光的頻率有關。光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，入射光的強弱無關。觀察現(xiàn)象四：光電效應具有瞬時性即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經過的時間不超過10-9秒（這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）。對以上現(xiàn)象進行總結：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

6、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）光電效應經典解釋中的疑難逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。按照經典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應該越大。也就是說，光電子的能量應該隨著光強度的增加而增大，不應該與入射光的頻率有關，更不應該有什么截止頻率。光電效應實驗表明：飽和電流不僅與光強有關而且與頻率有關，光電子初動能也與頻率有關。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。光電效應具有瞬時性。而經典認為光能量分布

7、在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。一切都表明：無法用經典的波動理論來解釋光電效應。為了解釋光電效應，愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論，提出了光量子假設。（三）愛因斯坦的光電效應理論1內容光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為的光是由大量能量為E=h的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運動。2愛因斯坦光電效應方程在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽蹺k。由能量守恒可得出：h=Ek+W0。W0為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功。Wk為光電子的最大

8、初動能。3愛因斯坦對光電效應的解釋光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系。從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極限頻率：c=W0/h。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。4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，的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。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

9、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。（四）康普頓效應和光子的動量1光的散射：光在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。2康普頓效應1923年康普頓在做X射線通過物質散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長和散射物質都無關。這種波長改變的散射稱為康普頓效應。經典理論認為：物質中的電子會隨入射光以相同的頻率振動，并向外輻射，即散射光的頻率與入射光頻率相等。而無法解釋有存在的實驗規(guī)律。3康普頓效應

10、的光量子理論解釋（1）若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。（2）若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質量遠小于原子質量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。（3）因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。4康普頓散射實驗的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設。（2）首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設。（3）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改

11、變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎。（五）光的波粒二象性我們知道光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。而今天我們學習了光在與物質發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應，康普頓效應。說明光具有波動性，又有粒子性，即波粒二象性。關于光的本性問題，我們不應該在微粒說和波動說之間進行取舍，而應該把它們看作是光的本性的兩種不同側面的描述?！揪毩曥柟獭?在演示光電效應的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時（ ）A鋅板帶正電，指針帶負電B鋅板帶正電，指針帶正電C鋅板帶負電，指針帶正電D鋅板帶負電，指針帶負電答案：B2一束黃光照射某金屬表面時，不能產生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產生光電效應的是（ ）A延長光照時間B增大光束的強度C換用紅光照射D換用紫光照射答案：D3關于光子說的基本內容有以下幾點，不正確的是（ ）A在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個光子B光是具有質量、能量和體積的物質微粒子C光子的能量跟它的頻率成正比D光子客觀并不存在，而是人為假設的答案：B4能引起人的視覺感應的最小能量為1