5.1 光电效应 教案 (4)

5.1
光电效应
教案4
〖教学目标〗
1.理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾.
2.知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾．
3.理解光子说及对光电效应的解释.
4.理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题．
〖教学重点〗光电效应现象,光电效应规律,光子说.
〖教学难点〗光电效应规律,光子说及其对光电效应的解释.
〖教学用具〗验电器，锌板，弧光灯，丝绸，玻璃棒，电源，导线等.
〖主要教学过程〗
引入
出具一块绝缘金属板(锌板)
通过什么方式可以使其带上电
与起电机相连，使其带电．用带电物体与其接触，使其带电．
将一带电体靠近金属板，使其感应起电．
为了能够检验金属板是否带上电，再将其与验电器连接．
新课教学
问：是否还有其他方法
演示：用弧光灯照射锌板，观察到验电器指针张开，
思考：此时金属板带何种电荷 如何检验 并叙述结论．
结论：用光照的方法也可以使物体带电．用丝绸摩擦过的玻璃棒与金属板接触，验电器张角增大，说明金属板缺少了电子(有电子逸出)．我们把这种现象叫做光电效应．
一、光电效应
光子
l、光电效应：在光的照射下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。
猜想：具备哪些条件才可能发生光电效应 理由是什么
学生：与光的强度有关，与光的颜色有关，与照射时间有关，与被照射的材料有关，理由……
验证性实验：
(1)用同一频率的光分别照射不同金属，有些金属发生光电效应有些金属则不发生。．
(2)对同一金属采用不同频率的光照射，随着频率的提高(波长变短)，原本不发生光电效应的金属，在某一频率光照射下，开始发生光电效应。
任何一种金属都有发生光电效应的极限频率和极限波长。
(3)在能够发生光电效应的前提下，尽管光很弱，但只要能够照射到金属板上，就立即会发生光电效应，几乎不需要时间的积累．不超过10-9s.
2．与波动理论的矛盾。
按照波动理论的观点，光是电磁波，当它照射到金属上时，金属中的电子会由于变化着的电场的作用而振动．不论频率怎样，只要照射时间足够长，金属中电子的能量总会积累到足以脱离金属的程度，从而发生光电效应．但上述实验说明事实并非如此．
造成上述矛盾的症结在哪里
爱因斯坦在普朗克量子理论的启发下，于1905年提出了光子说。
二、光子说
1.光子说
⑴光子：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子。
⑵光子的能量：
h为普朗克常量。h=6.63×10-34J·s每个光子的能量只决定于光的频率。
⑶光强
同样频率的光，光的强弱的不同则反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少．
2.光子说对光电效应的解释
光子照射到金属上时，光子一次只能将其全部能量传递给一个电子，一个电子一次只能获取一个光子的能量，它们之间存在着一对一的关系．电子吸收光子后，能量增加，如果能量足够大，就能摆脱金属中正电荷对其的束缚，从金属表面逸出，成为光电子．
如果光子的能量较小(频率较低)，电子吸收光子后的能量不足以克服金属中正电荷对其的束缚，则立即会将其转化为系统的内能，而不能从金属中逸出，这就是入射光的频率较低时，尽管照射时间足够长，也不能发生光电效应的原因．
每一种金属，正电荷对电子的束缚能力都不同，因此，电子逸出所需做的最小功也不一样．光子频率小于该频率，无论如何都不会发生光电效应，这就是每一种金属都存在极限频率的原因．
金属中的电子对于光子的吸收是十分迅速的，电子一次性获得的能量足够时，逸出也是十分迅速的，这就是光电效应具有瞬时效应的原因．
三、光电效应方程
1.金属的逸出功
光电效应中，金属中的电子在飞出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功。
某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需的功不一样。
使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功
２、爱因斯坦光电效应方程
动能最大的光电子所具有的动能Ek＝hv－w
小结
光子说能够很好的解释光电效应．
(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份的吸收光子的能量．而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率小于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．
(2)而当光的频率大于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ekm=hν－W；其中W为金属的逸出功．可见光的频率越大，电子的初动能越大．
(3)电子接收能量的过程极其短暂，接收能量后的瞬间即挣脱束缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬间的．
(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在电子上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多．
巩固练习
1.用波长为200nm的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是2.94eV．用波长为160nm的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子的最大动能是多少
分析：第二次照射时光子的能量比第一次大．由于在两次照射中钨的逸出功是相同的，所以光电子的最大动能之差应该等于两次照射的光子的能量差．
解
根据Ek＝hv－w，对于第一次照射，有Ek1＝hv1－w
对于第二次照射，有Ek2＝hv2－w
两式相减，得Ek2－EK1＝hv2－hv1
即
Ek2＝EK1+h(v2－v1)
波长为200nm和波长为160nm的光子的频率分别为
,
将各量代入上式,得第二次照射时光电子的最大初动能为
Ek2＝EK1+h(v2－v1)＝4.51eV
2．入射光射到金属表面上发生光电效应，若使入射光的强度减弱而频率不变，那么
A．光照射到金属表面上到发生光电效应之间的时间间隔将明显增加
B．逸出的光电子的最大初动能将减小
C．一定会发生光电效应
D．有可能不发生光电效应
3．在演示光电效应的实验中，把某金属板连在一验电器上，第一次用弧光灯照射，验电器张开一定角度．第二次在弧光灯和金属板间插入一块普通玻璃，再用弧光灯照射，验电器指针不张开．已知弧光灯中含有红外线、可见光、紫外线等成分．则上述实验可以断定，使金属板发生光电效应的是弧光灯中的_______成分．
作业