4.2光電效應(第2課時） 教案

1、4.2光電效應(第2課時）教材分析本節(jié)由光電效應方程、康普頓效應和光的波粒二象性三部分組成，其中光電效應方程是本節(jié)重點內(nèi)容，它進一步揭開了光的粒子特性。光的波粒二象性教材中先通過科學們對光的本性的歷史過程簡單回顧，引入二象性的理論。本節(jié)教材是對學生進行類比思想方法以及物理興趣培養(yǎng)的好題材。教學目標與核心素養(yǎng)物理觀念形成光量子初步的物理觀念，通過學習康普頓效應解釋一些天空為什么是藍的現(xiàn)象，能應用光的波粒二象性解決一些實際問題?？茖W思維運用光量子假說成功解釋光電效應和康普頓效應，形成光具有能量和動量的思維觀念。科學探究：通過光量子假說分析光電效應的實驗規(guī)律和康普頓效應?？茖W態(tài)度與責任通過物理學史的

2、學習，使學生能從科學家的工作中感悟科學探究，培養(yǎng)學生類比思想，以及嚴謹?shù)目茖W思維。教學重難點教學重點：光電效應方程、康普頓效應和光的波粒二象性。教學難點：光電效應方程和光的波粒二象性。教學準備多媒體課件等。教學過程一、新課引入復習回顧光電效應的實驗規(guī)律。存在截止頻率，與頻率有關；存在飽和電流，與光強有關；存在遏止電壓，與頻率有關；光電效應的瞬時性。光電效應中，光照射的瞬間就發(fā)出了光電子，而它的最大時動能以及光電效應的產(chǎn)生條件都跟頻率有關。這和波動理論格格不入，那到底應該如何解釋他們。這引發(fā)了物理學家們的認真思考。二、新課教學（三）愛因斯坦的光電效應理論1.光量子理論能量量子化認為：電磁波的輻射

3、和吸收是不連續(xù)的，一份兒一份兒的，每一份叫做一個能量子。借用這一觀點，愛因斯坦提出光量子化模型。光量子認為：光不但在發(fā)射和吸收的時候，能量是一份一份的，而且光本身就是由一份一份的能量子組成的。光子的能量：E = h也就是說光其實是由光子組成的，這些光子沿光的傳播方向，以光速c運動。2.光電效應方程按照愛因斯坦的理論，當光子照到金屬上時，金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hv，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動能。即Ek=hv-W0式子中為光電子的最大動能，W0是金屬的逸出功 。稱為愛因斯坦光電效應方程。通過這個方程愛因斯坦完美的解釋了光電效應實驗

4、的規(guī)律。3.愛因斯坦對光電效應實驗規(guī)律的解釋截止頻率的解釋通常所說的光強是指光的總能量，對于同一頻率的光，單個光子的能量相同，因此光強大就說明光子的數(shù)量多。電子要想從金屬那逃出來，就需要克服金屬的引力做功。這類功當中最小的叫做逸出功用w0表示，當電子被光照射時，一個電子只能吸收一個光子的能量，也就是hv的能量。如果吸收的能量大于逸出功hv>W0，就會產(chǎn)生光電效應。如果頻率不夠，即使增加光強，或者增加照射時間，也只是增加了光子的數(shù)量，并不能提高單個光子的能量，所以仍然不能產(chǎn)生光電效應。這就解釋了截止頻率現(xiàn)象。當hv=w0時，,此時的頻率就是極限頻率。把它繪制成圖像就是這樣的。遏止電壓的解釋

5、Ek=hv-W0 通過這三個方程，光電子的最大初動能EK與入射光的頻率v有關，而與光的強弱無關。這就解釋了遏止電壓和光強無關。瞬時性的解釋這是由于電子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要時間的積累。 飽和電流的解釋 對于同種頻率的光，光較強時，單位時間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。理論是完美的，實踐才是檢驗真理的標準。思考與討論愛因斯坦光電效應方程給出了光電子的最大初動能 Ek 與入射光的頻率v的關系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是截止電壓 Uc。那么，怎樣得到截止電壓Uc與光的頻率v和逸出功W0的關系呢?4.密立根驗證光電效應

6、方程Ek=hv-W0 綜合這三個式子就可以得到Uc和頻率v的關系：這樣一來斜率就是，而縱軸的截距就是。至于根橫軸的截距，它是逸出光電子的最大初動能為零的入射光頻率，剛好能發(fā)生光電效應，這就是這種金屬的極限頻率。如圖密立根他通過測量金屬的遏止電壓Uc和入射光的極限頻率v，計算出布朗克常量h，并與普朗克通過黑體輻射得出的h相比較。通過兩種方法得出的普朗克常量h基本上是一致的，誤差不超過0.5%。這為愛因斯坦光電效應方程提供了直接證據(jù)，又一次證明了光量子理論的正確。（四）康普頓效應和光子的動量1.康普頓效應 19181922年，美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了

7、與入射波長0相同的成分外，還有波長大于0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。2.經(jīng)典理論的解釋康普頓效應按照經(jīng)典電磁理論：振動頻率=入射光頻率=散射光頻率。所以散射出來的射線不應該有波長大于0的成分，因此，康普頓效應無法用經(jīng)典物理學解釋。3. 光子模型解釋康普頓效應康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應。他的基本思想是光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長和普朗克常量h有關。這三個量之間的關系式為：波長變長的解釋按照這個理論，光子與電子相互作用，使得電子動量增加。根據(jù)動量守恒，光子的動量就要減少，而這個動量可以用來計算。動量減少就意味著波長變長，這就是反射光波長變長的原因。這時光量

8、子理論完美解釋了康普頓效應，康普頓散射證實了在微觀世界的單個碰撞實驗中，動量和能量守恒定律仍然是成立的，他有力的支持了愛因斯坦光量子假設。（五）光的波粒二象性思考：光究竟是就是粒子，還是波？粒子：V、m、q，運動符合牛頓運動定律波：在空間是迷散開了，它的特征是頻率和波長。在經(jīng)典物理學中，粒子和波是相互排斥的。物質(zhì)要么是粒子，要么是波。疑惑：光究竟是哪一種?。繉嶒灛F(xiàn)象1：光的干涉、衍射表明光是一種波。實驗現(xiàn)象2；光電效應和康普散射，表明光是一種粒子。也就是說光同時具有波和粒子的特性。即光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。光傳播的過程中，主要表現(xiàn)為波動性；而關于物體相互作用的時候，更

9、多的表現(xiàn)出粒子性。此外波長較長的光波動性更強，而波長較短的光粒子性更強。你可以這樣理解波長短就是頻率v比較大，因此光子的能量hv就比較大，所以粒子性就比較強。課堂練習例1：利用光子說對光電效應的解釋，下列說法正確的是( )A. 金屬表面的一個電子只能吸收一個光子B. 電子吸收光子后一定能從金屬表面逸出，成為光電子C. 金屬表面的一個電子吸收若干個光子，積累了足夠的能量才能從金屬表面逸出D. 無論光子能量大小如何，電子吸收光子并積累了能量后，總能逸出成為光電子解析：根據(jù)光子說，金屬中的一個電子一次只能吸收一個光子，若所吸收的光子頻率大于金屬的截止頻率，電子才能逃離金屬表面，成為光電子，且光子的吸

10、收是瞬時的，不需要積累能量的時間，故選項A正確。例2：下列有關光的波粒二象性的說法正確的是（ ）A. 有的光是波，有的光是粒子B. 光子與電子是同樣的一種粒子C. 光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短.其粒子性越顯著D. 大量光子的行為往往顯示出粒子性解析一切光都具有波粒二象性，有些行為（如干涉、衍射）表現(xiàn)出波動性，有些行為（如光電效應）表現(xiàn)出粒子性，所以不能說有的光是波，有的光是粒子。雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量。電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以不能說光子與電子是同樣一種粒子。光的波粒二

11、象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應，所以其粒子性就很顯著。故選項 C正確。選C。例3：對于光的行為，下列說法正確的是（ ）A. 個別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B. 光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C. 光表現(xiàn)出波動性時，就不具有粒子性了，光表現(xiàn)出粒子性時，就不具有波動性了 D. 光的波粒二象性應理解為，在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯解析：個別光子的

12、行為表現(xiàn)為粒子性。大量光子的行為表現(xiàn)為波動性。選項A正確；光與物質(zhì)作用，表現(xiàn)為粒子性，光的傳福表現(xiàn)出波動性。光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因為波動性表現(xiàn)為粒子的分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時仍具有波動性，因為大量光子的行為里現(xiàn)出波動規(guī)律。選項BD正確。例4：能夠證明光具有波粒二象性的現(xiàn)象是（ ） A. 光的反射和小孔成像現(xiàn)象 B. 光的衍射和光的色散 C. 光的折射和透鏡成像D. 光的干涉、光的衍射、光電效應和康普頓效應解析：選D。例5：關于光的本性，下列說法正確的是（ ）A. 關于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明了光的本性B. 光具有波粒二象性

13、是指既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C. 光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性D. 光的波粒二象性是將牛頓的波動說和惠更斯的粒子說真正有機地統(tǒng)一起來的解析：光具有波粒二象性，這是現(xiàn)代物理學關于光的本性的認識，先的波粒二象性不同于牛頓提出的微粒說和惠更斯的波動說。是愛因斯坦的光子說和麥克斯韋的電磁說的統(tǒng)一。光的不涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性。光電效應說明光具有粒子性。故逸項ABD借誤，C正確。例6：鋁的逸出功是4.2eV，現(xiàn)在將波長200nm的光照射鋁的表面。(1)求光電子的最大初動能。(2)求遏止電壓。(3)求鋁的截止頻率。解析：（1）由愛因斯坦

14、光電效應方程Ek=hv-W0可得 （2）由eUc=EK得遏止電壓。（3） 由W0=hv0得截止頻率。板書設計4.2光電效應(第2課時）3、 愛因斯坦的光電效應理論1.光量子理論：光本身就是由一個個不可分割能量子組成的。每一份稱為光量子。光子的能量：E = h2.光電效應方程：EK=hv-w0光電子最大初動能 W0金屬的逸出功 3.愛因斯坦對光電效應實驗規(guī)律的解釋4.密立根驗證光電效應方程：四、康普頓效應和光子動量1.康普頓效應：在散射的X射線中，除了與人射波長0相同的成分外，還有波長大于0的成分。2.光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長和普朗克常量h有關：五、光的波粒二象性1.光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。2.傳播的過程中，表現(xiàn)出波動性；物體相互作用時