江苏省镇江市高中物理第十七章波粒二象17.2光的粒子性教案新人教版选修3_5

17.2
光的粒子性
教学目标：
1、知识与技能：
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以及意义；
3、了解康普顿效应，了解光子的动量；
2、过程与方法：
经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。
3、情感态度与价值观：
领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。
教学重点难点：
1、重点：光电效应的实验规律
2、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义
教学难点突破方法：
教学方法：相互讨论、研究
教学过程：
[自学导案]
一、自主学习：认真阅读课本28-33，思考并回答下列问题。
（一）能量子：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量ε的______倍，这个不可再分的最小能量值ε称为能量子。能量子的表达式：ε=__________
（其中普朗克常量h=6.62610-34J·S）
（二）光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的
从表面逸出的现象，叫光电效应，发射出来的电子被称为__________。
（1）光电效应的规律：
①存在着________电流，入射光越___
_，____
_电流越大，即单位时间内发射的光电子数目越
。
②存在着________电压Uc和________频率νc。光电子的能量只与入射光的
有关，与入射光的
无关。
③入射光频率
截止频率时，不发生光电效应。
（2）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的__________值，称做这种金属的逸出功W0。
（3）光子说：在空间传播的光不是__________，而是一份一份的，每一份称为__________，光子的能量E=__________
（4）光电效应方程：_______
___________
光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光强度________。只有当hν_____
W0时，才有光电子逸出。ν0=
W0/h就是光电效应的__________。
（三）光的波粒二象性：光既具有__________，又有__________。
（四）物质波：实物粒子也具有
性，叫做物质波，又叫
波。
波长=
。
[例题研究]
例1：在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图1－2－6所示．则可判断出：（
B
）A．甲光的频率大于乙光的频率
B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
例2：如图所示是做光电效应实验的装置简图。在抽成真空的玻璃管内，K为阴极（用金属铯制成，发生光电效应的逸出功为1.9eV），A为阳极。在a、b间不接任何电源，用频率为（高于铯的极限频率）的单色光照射阴极K，会发现电流表指针有偏转。这时，若在a、b间接入直流电源，a接正极，b接负极，并使a、b间电压从零开始逐渐增大，发现当电压表的示数增大到2.1V时，电流表的示数刚好减小到零。求：⑴a、b间未接直流电源时，通过电流表的电流方向。（从下向上）
⑵从阴极K发出的光电子的最大初动能EK是多少焦？（3.36X10-19J）
⑶入射单色光的频率是多少？（9.65X1014Hz）
新课讲授：
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本质性认识得到了发展。
1．光电效应
教师：实验演示。（课件辅助讲述）
用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电
器张角增大到约为
30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。
学生：认真观察实验。
教师提问：上述实验说明了什么？
学生：表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。
概念：在光(包括不可见光)的照射下，从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。
2．光电效应的实验规律
（1）光电效应实验
如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出----光电子。
光电子在电场作用下形成光电流。
概念：遏止电压
将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。
当
K、A
间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值
Uc
时，光电流恰为0。
Uc称遏止电压。
根据动能定理，有
（2）光电效应实验规律
①
光电流与光强的关系
饱和光电流强度与入射光强度成正比。
②
截止频率νc
----极限频率
对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率νc
。
当入射光频率ν>νc
时，电子才能逸出金属表面；
当入射光频率ν
<νc时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
③
光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间<10-9s。
3．光电效应解释中的疑难
经典理论无法解释光电效应的实验结果。
经典理论认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。
光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。
光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。
4．爱因斯坦的光量子假设
（1）内容
光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν
的光是由大量能量为
E
=hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速
c
运动。
（2）爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能
Ek
。由能量守恒可得出：
W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功
Wk为光电子的最大初动能。
（3）爱因斯坦对光电效应的解释：
①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。
②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。
[]
③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系
④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
[课后作业]
1、在光电效应实验中，如果需要增大光电子到达阳极时的速度，可采用的方法是（
D
）
A．增加光照时间．
B．增大入射光的波长．
C．增大入射光的强度．
D．增大入射光频率．
2、关于光电效应有如下几种陈述，其中正确的是：
（　
D　
）
A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比；
B．光电流强度与入射光强度无关；
C．用不可见光照射金属一定比可见光照射金属产生的光电子的初动能要大
D．对任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应。
3、关于光电效应，以下说法正确的是（
C
）
A、光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
B、光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强
C、能否产生光电效应现象，决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功
D、用频率是的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是的黄光照射该金属一定不发生光电效应
4、如图所示，有一验电器与锌板相连，现用一弧光灯照射锌板一段时间，关灯后，验电器指针保持一定偏角，下列说法正确的是：(
C
)
A．用一带负电的金属小球与锌板接触，验电器指针偏角一定变大
B．用一带负电的金属小球与锌板接触，验电器指针偏角一定变小
C．使验电器指针回到零，改用强度更大的弧光灯照射锌板相同时间，指针偏角将增大
D．使验电器指针回到零，改用强度更大的红外线灯照射锌板相同时间，指针将偏转
5、在图甲所示的装置中，K
为一金属板，A为金属电极，都密封在真空的玻璃管中，W为由石英片封盖的窗口，单色光可通过石英片射到金属板K上，E
为输出电压可调的直流电源，其负极与电极A
相连,
是电流表．实验发现，当用某种频率的单色光照射K
时，K
会发出电子（光电效应），这时，即使东
K
之间的电压等于零，回路中也有电流,当
A
的电势低于K
的电势且低到某一值
Uc
时，电流消失，Uc称为截止电压．当改变照射光的频率v，截止电压
U
c也将随之改变，其关系如图乙所示．如果某次实验我们测出了画这条图线所需的一系列数据，又知道了电子的电荷量，则可求得
(
ABC
)
A、该金属的极限频率
B、该金属的逸出功
C、普朗克常量
D、电子的质量
6、.当具有5.0
eV能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初动能是1.5
eV.为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为（
B
）
A.1.5
eV
B.3.5
eV
C.5.0
eV
D.6.5
eV
7、当每个具有5.0eV的光子束射入金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大初动能是1.5eV，为了使这种金属产生光电效应，入射光子的最低能量是______，为了使从金属表面逸出的电子具有的最大初动能加倍，入射光子的能量是______．
8、某频率的单色光照射到一块金属板表面时，能发生光电效应，测得光电子的最大初动能为2电子伏。若换用频率是原来的1.8倍的单色光照射该金属，光电子的最大初动能为6电子伏。试求该金属的逸出功。
课堂小结：思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。
板书设计：
（一）能量子：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε称为能量子。
（二）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的现象，叫光电效应，发射出来的电子被称为光电子。
（1）光电效应的规律：
①存在着饱和电流，入射光越强，饱和电流越大，即单位时间内发射的光电子数目越多。
②存在着截止电压Uc和极限频率νc。光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。
③入射光频率小于截止频率时，不发生光电效应。
（2）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，称做这种金属的逸出功W0。
（3）光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为光子。
（4）光电效应方程：
光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光强度无关。只有当hν大于W0时，才有光电子逸出。ν0=
W0/h就是光电效应的极限频率。
（三）光的波粒二象性：光既具有波动性，又有粒子性。
（四）物质波：实物粒子也具有波动性，叫做物质波，又叫德布罗意波。
教学反思：
V
μA
K
A
a
b
单色光