人教版高中物理選擇性必修三 4.2光電效應(yīng)-教案

1、光電效應(yīng)【教學(xué)目標(biāo)】一、知識與技能1通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，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(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律。三、情感、態(tài)度與價值觀領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。【教學(xué)難點(diǎn)】愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義?！窘虒W(xué)過程】一、復(fù)習(xí)提問、新課導(dǎo)入回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對光的本性的認(rèn)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(jìn)一步說明光還是橫波。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當(dāng)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(yīng)現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究，使得人們對光的又一本質(zhì)性認(rèn)識得到了發(fā)展。二、新課教學(xué)（一）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示1：用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，（注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)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(yàn)電器的指針張角會變大。上述實(shí)驗(yàn)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(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律以上實(shí)驗(yàn)改用很強(qiáng)的白熾燈照射，卻不能發(fā)生光電效應(yīng)。向?qū)W生提出問題：光電效應(yīng)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(jìn)一步研究。向?qū)W生介紹光電效應(yīng)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?nèi)肷涔獾念l率，光源的亮度可以通過另一套裝置調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)演示2：光電效應(yīng)的規(guī)律觀察現(xiàn)象一：存在截止頻率當(dāng)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(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不發(fā)生光電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)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(zhì)有關(guān)。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(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。出示圖象理解：頻率不變，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時間內(nèi)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(fù)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(dá)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(guān)。光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關(guān)，入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。觀察現(xiàn)象四：光電效應(yīng)具有瞬時性即使入射光的強(qiáng)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(zhuǎn)。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)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(jìn)行總結(jié)：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(yīng)，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；2當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；3光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，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(yīng)經(jīng)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(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場強(qiáng)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(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。光電效應(yīng)具有瞬時性。而經(jīng)典認(rèn)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(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。（三）愛因斯坦的光電效應(yīng)理論1內(nèi)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(yùn)動。2愛因斯坦光電效應(yīng)方程在光電效應(yīng)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(yīng)的解釋光強(qiáng)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(guān)系。從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)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(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動理論。4光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，榮獲1921年諾

9、貝爾物理學(xué)獎。密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。（四）康普頓效應(yīng)和光子的動量1光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)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(yīng)1923年康普頓在做X射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)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(guān)，而與入射線波長和散射物質(zhì)都無關(guān)。這種波長改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。經(jīng)典理論認(rèn)為：物質(zhì)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(shí)驗(yàn)規(guī)律。3康普頓效應(yīng)

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(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)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?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。4康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)。（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動量”的假設(shè)。（3）證實(shí)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(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改

11、變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)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(xué)習(xí)了光在與物質(zhì)發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。說明光具有波動性，又有粒子性，即波粒二象性。關(guān)于光的本性問題，我們不應(yīng)該在微粒說和波動說之間進(jìn)行取舍，而應(yīng)該把它們看作是光的本性的兩種不同側(cè)面的描述。【練習(xí)鞏固】1在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗(yàn)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(fù)電B鋅板帶正電，指針帶正電C鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電答案：B2一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（ ）A延長光照時間B增大光束的強(qiáng)度C換用紅光照射D換用紫光照射答案：D3關(guān)于光子說的基本內(nèi)容有以下幾點(diǎn)，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(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)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(shè)的答案：B4能引起人的視覺感應(yīng)的最小能量為1