4.2 光电效应（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性
第2节 光电效应
教学设计
问题与目标
1.通过实验，了解光电效应的实验规律。
2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。
3.了解康普顿效应，了解光子的动量。
重点与难点
重点
1.光电效应现象及实验规律。
2.会用爱因斯坦光电效应方程解释实验规律。
难点
1.对光的强度的理解。
2.了解光电效应实验的规律。
3.会用爱因斯坦光电效应方程解释实验规律。
教学准备
教师要求
多媒体课件、光电效应演示仪、验电器、锌板、紫外线灯、导线若干。
学生要求
预习本节课的相关内容；查阅资料，了解光电效应的相关知识。
教学过程
一、导入新课
教师介绍人类对光的本性的认识过程：
光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一基本性质的认识得到了发展。
二、新课教学
环节一：光电效应的实验规律
演示实验：把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。
实验现象：紫外线灯打开后，验电器指针张开的夹角会变小。
提出问题：这一现象说明了什么
说明紫外线会让电子从锌板表面逸出，锌板带的负电荷变少了。
师生共同总结并板书：
(1)光电效应
①光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应。(照射光可以是可见光，也可以是不可见光)
②光电子：在光的照射下，从金属的表面逸出的电子称为光电子。
教师介绍光电效应演示仪：
如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。
实验1：保持A、K之间电压一定，在窗口前依次放上红色、橙色、绿色滤光片，观察在各种色光的照射下，电流表示数的变化情况。
实验现象：用红光照射金属板K时没有光电流，用橙光和绿光照射金属板K时有光电流。
实验2：增加入射光的亮度和增加电压时，仍用红光照射，观察电流表示数的变化情况。
实验现象：电流表的示数仍然为0，说明不发生光电效应。
实验结论：任一金属都存在截止频率。只有人射光线的频率大于等于该金属的截止频率νc才能产生光电效应。
实验3:逐渐减小A、K间的正向电压，直到电压为0，观察电流表的示数。
现象：电流表仍有示数。
思考与讨论：为什么A、K间没有电场，却仍然有光电流
A、K间没有电场，却仍然有光电流，说明光线照射金属板逸出的光电子具有一定的动能，一部分光电子可以到达极板A，从而形成光电流。
提出问题：如果在A、K之间加一反向电压，则光电流变小，增大反向电压，能否使光电流刚好为0
在A、K间加反向电压，光电子需克服电场力做功而减速，不同的电子从金属中飞出时获得的初动能不同，即存在最大初动能。因此，随着反向电压的增加，光电子需克服电场力做的功越多，飞到极板A的光电子就越少，当反向电压增加到某一值时，即使获得最大动能的电子也飞不到极板A了，即电流表的示数为0。此时有 (Ek表示光电子的最大初动能）。
实验4：在A、K间加反向电压，调节电压的大小使电流表的示数恰好为0。保持入射光的频率不变，增加入射光的强度，观察电流表的示数。保持人射光的强度不变，增大入射光的频率，再观察电流表的示数。实验结果说明了什么
实验现象：保持入射光的频率不变，增加入射光的强度，电流表的示数仍为0，说明最大初动能与入射光的强度无关；保持人射光的强度不变，增大入射光的频率，电流表的示数不为0，说明最大初动能增加，则最大初动能与入射光的频率有关。
实验结论：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光率的增大而增大。
实验5，在A、K之间加正向电场，以高于截止频率的光入射，保持电压不变，增加人射光的强度，观察电流表的示数变化。
实验现象；电流表的示数变大，即光电流增大。
提出问题：入射光的强度大是什么意思 为什么人射光的强度大，光电流就大
入射光的频率不变时，光的强度大是指每秒内人射的光子数量多，因此入射光的强度大，每秒内从金属中逸出的光电子就多，到达极板A的电子电量总和也就多，所以光电流就大。
实验结论：当入射光的频率大于截止频率时，保持频率不变，则光电流的强度与入射光的强度成正比。
教师在实验的基础上进行归纳总结并板书：
(2)光电效应的规律
①存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。νc称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
②存在饱和电流：光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
③存在遏止电压：如果施加反向电压，使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压与最大初动能满足。
④光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，几乎不需要时间的积累。
思考与讨论：光电流的强度应该与入射光的频率有关。频率越高，光电子的最大初动能越大，光电子运动得越快，光电流就一定越大吗
不一定。如果入射光频率较高但强度不大，则说明每秒钟入射的光子数量少。尽管每个光电子的初动能较大，但每秒钟到达极板A的光电子电量总和不大，因而也就不能形成较强的光电流。
环节二：光电效应经典解释中的疑难
思考与讨论：人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不是很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
金属表面层内存在一种力，阻碍了电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。
教师总结并板书：
(1)逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。
(2）几种金属的截止频率和逸出功(如下表所示)。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
νc/(1014Hz) 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
提出问题：按照光的电磁理论，能否解释下列问题。
(1)截止频率的存在。
(2)遏止电压Uc应该与光的强弱无关。
(3)光电效应的瞬时性。
光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家的认真思考。
环节三：爱因斯坦的光电效应理论
阅读教材，了解爱因斯坦光电效应理论的内容。
教师归纳总结并板书：
(1)爱因斯坦的光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hν，其中，h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
(2)光子说解释光电效应：当光子照到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能，即hν=Ek+ W0，式中Ek为光电子的最大初动能。
(3)爱因斯坦光电效应方程：Ek =hν-W0。
(4)光电效应的Ek—v图像：如图所示。
思考与讨论：如何用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应的规律
(1)当hν> W0时，光电子才可以从金属中逸出，，就是光电效应的截止频率。
(2)光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关。这就解释了遏止电压和光强无关。
(3)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。
(4)对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数量较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
环节四：康普顿效应和光子的动量
阅读教材，了解康普顿效应及中国留学生吴有训的突出贡献。
教师讲解并板书：
(1)康普顿效应：1918~1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
(2)康普顿的理论观点：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为。
思考与讨论：如何用康普顿的理论观点来解释康普顿效应
在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。从看，动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变大。
环节五：光的波粒二象性
提出问题：能否用光的波动性或用光的粒子性来解释光的所有现象呢
不能
教师讲解并归纳：
从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论，再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学，人类对光的认识构成了一部科学史诗。单纯地从波动说或粒子说解释光的所有传播行为都是不可能的，只有认为光既具有波动性，又具有粒子性，才能很好地解释光的所有现象。
三、课堂小结
1.光电效应现象
(1)光电效应现象：照到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。
(2)光电子：利用光照从金属表面逸出的电子称为光电子。
2.光电效应规律
(1)存在截止频率
(2)存在饱和电流
(3)存在遏止电压
(4)光电效应具有瞬时性
3.光电效应经典解释中的疑难
逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。
4.爱因斯坦的光电效应理论
爱因斯坦光电效应方程：Ek =hν-W0。
5.康普顿效应和光子的动量
(1)康普顿效应
(2)光子动量：
6.光的波粒二象性
光既具有波动性，又具有粒子性。
四、作业设计
完成课本第77页练习题
课堂练习
1.下列说法正确的是( )
A.原子核的质量大于组成它的核子的总质量，这个现象叫作质量亏损
B.玻尔认为，原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的
C.在光电效应实验中，某金属的截止频率对应的波长为，若用波长为的单色光照射该金属，会产生光电效应
D.爱因斯坦提出质能方程，其中E是物体以光速c运动时的动能
2.下表给出了一些金属材料的逸出功。
材料 铯 钙 镁 铍 钛
逸出功(×10-19)J 3.0 4.3 5.9 6.2 6.6
现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h=6.63×10-34J·s，光速c=3.0×108m/s)（ ）
A.2种 B.3种 C.4种 D.5种
3.在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是( )
A.色光乙的频率小、光强大
B.色光乙的频率大、光强大
C.若色光乙的强度减为原来的一半，无论电压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小
D.若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流
4.如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路。当用强度一定的黄光照射到光电管上时，测得电流表的示数随电压变化的图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.若改用红光照射光电管，一定不会发生光电效应
B.若改用蓝光照射光电管，图像与横轴交点在黄光照射时的右侧
C.若用频率更高的光照射光电管，则光电管中金属的逸出功变大
D.照射的黄光越强，饱和电流将越大
答案以及解析
1.答案：B
解析：原子核的质量小于组成它的核子的总质量，这个现象叫作质量亏损，故A错误。玻尔认为，电子的轨道是量子化的，原子的能量也是量子化的，故B正确。光电效应实验中，某金属的截止频率对应的波长为，根据，结合光电效应产生的条件可知，若用波长为的单色光做该实验，其频率小于截止频率，不会产生光电效应，故C错误。质能方程中E是与物体相联系的一切能量的总和，不是单一的动能，也不是单一的核能，故D错误。
2.答案：A
解析：本题考查发生光电效应的条件,光子的能量以及光的波长、波速与频率的关系.
当单色光的频率大于金属的极限频率时便能产生光电效应,即照射光子的能量大于金属的逸出功.由及得,.
照射光光子的能量大于铯、钙的逸出功,能产生光电效应的材料有2种,故A项正确.
3.答案：D
解析：由题中图像可得用色光乙照射光电管时遏止电压大，其逸出的光电子最大初动能大，所以色光乙的频率大，光子的能量大。由题中图像可知，色光甲的饱和电流大于色光乙的饱和电流，故色光甲的光强大于色光乙的光强，A、B错误；若色光乙的强度减半，当所加反向电压大于且小于时，色光乙产生的光电流比色光甲产生的光电流大，C错误；因色光乙的频率大于色光甲的频率，故另一个光电管加一定的正向电压，如果色光甲能使该光电管产生光电流，则色光乙一定能使该光电管产生光电流，故D正确。
4.答案：D
解析：红光的频率小于黄光的频率，根据光电效应方程知，红光照射不一定发生光电效应，但不是一定不会发生光电效应，故A错误；蓝光的频率大于黄光的频率，根据光电效应方程知，光电子的最大初动能增大，所以遏止电压增大，图像与横轴交点在黄光照射时的左侧，故B错误；光电管中金属的逸出功的大小是由金属本身决定的，与入射光的频率无关，故C错误；增加入射光的强度，则单位时间内产生的光电子数目增加，饱和电流将增大，故D正确。
板书设计
第2节光电效应
1.光电效应的实验规律
(1)光电效应
①光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应。(照射光可以是可见光，也可以是不可见光)
②光电子：在光的照射下，从金属表面逸出的电子称为光电子。
(2)光电效应的规律
①存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。νc称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
②存在饱和电流：光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
③存在遏止电压：如果施加反向电压，使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压与最大初动能满足。
④光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的，几乎不需要时间的积累。
2.光电效应经典解释中的疑难
(1)逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。
(2)几种金属的截止频率和逸出功。
(3)疑难间题
①截止频率的存在。
②遏止电压Uc应该与光的强弱无关。
③光电效应的瞬时性。
3.爱因斯坦的光电效应理论
(1)爱因斯且的光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，其中，h为普朗克常量。这些能量于后来称为光子。
(2)爱因斯坦光电效应方程：Ek =hν-W0。
(3)光电效应的Ek—v图像：
4.康普顿效应和光子的动量
(1)康普顿效应
(2)康普顿的理论观点：。
5.光的波粒二象性
光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
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