(共24张PPT)
光电效应（第二课时）
人教版高中物理
选择性必修3
新知导入
①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。
②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。
③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10
-9
S。
以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
那么以上实验结论应该如何解释？
新知讲解
1.光子：
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。这些能量子后来被称为光子。
爱因斯坦的光子说
爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：
一、爱因斯坦的光量子假设
新知讲解
2.爱因斯坦的光电效应方程
或
——光电子最大初动能
——金属的逸出功
W0
一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：
新知讲解
3.光子说对光电效应的解释
①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才有光电子逸出，
就是光电效应的截止频率。
②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发生的。
③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。
新知讲解
爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能E与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压U。那么，怎样得到截止电压U。与光的频率v和逸出功W0的关系呢?
思考与讨论
利用光电子的初动能E
=
eUC。和爱因斯坦光电效应方程Ek=
hv-
W0,可以消去E,从而得到Uc与v、W0
的关系，即
新知讲解
对于确定的金属，其逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc
与光的频率v之间是线性关系，Uc-v图像是一条斜率为h/e的直线
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。
新知讲解
由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。
4.光电效应理论的验证
美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h
的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。
新知讲解
1.光的散射
光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射.
2.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，除了与人射波长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(
Compton's
effect
)。
二、康普顿效应和光子的动量
新知讲解
按照经典物理学的理论，人射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是人射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。
因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。
康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是: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h和普朗克常量h有关。
新知讲解
新知讲解
三、光的波粒二象性
动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的
众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。
新知讲解
也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。当然，此时人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者。人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性(
wave-particle
dualism)。
新知讲解
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。
课堂练习
1、康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子( )
A.可能沿1方向,且波长变短
B.可能沿2方向,且波长变短
C.可能沿1方向,且波长变长
D.可能沿3方向,且波长变长
解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由
知,波长变长,故C项正确。
C
拓展提高
1、(多选)下列对光子的认识,正确的是( )
A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒
B.光子说中的光子就是光电效应的光电子
C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子
D.光子的能量跟光的频率成正比
解析：根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确。由E=hν知,光子能量E与其频率ν成正比,故D选项正确。
CD
拓展提高
2、(多选)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。关于康普顿效应,以下说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光子具有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
解析：康普顿效应说明光具有粒子性,B项错误,A、C项正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D项错误。
AC
拓展提高
3、(多选)如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5
eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2
mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7
V时,电流表示数为0,则( )
A.光电管阴极的逸出功为1.8
eV
B.开关S断开后,没有电流流过电流表G
C.改用光子能量为1.5
eV的光照射,电流表G也有电流,但电流较小
D.光电子的最大初动能为0.7
eV
拓展提高
解析：该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数大于或等于0.7
V时,电流表示数为0,则知光电子的最大初动能为0.7
eV,根据光电效应方程Ek=hν-W0得,逸出功W0=1.8
eV,故A、D正确;当开关S断开后,用光子能量为2.5
eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,有光电子逸出,则有电流流过电流表,故B错误;改用光子能量为1.5
eV的光照射,由于光子的能量小于逸出功,所以不能发生光电效应,无光电流,故C错误。
答案：AD
课堂总结
一、爱因斯坦的光量子假设
二、康普顿效应和光子的动量
三、光的波粒二象性
板书设计
一、爱因斯坦的光量子假设
二、康普顿效应和光子的动量
三、光的波粒二象性
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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4.2光电效应第二课时教学设计
课题
光电效应（第二课时）
单元
4
学科
物理
年级
高二
学习目标
物理观念：知道什么是光电效应理论。科学思维：通过计算推导出光电效应理论。科学探究：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。科学态度与责任：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。
重点
光电效应理论的理解和应用
难点
光电效应理论的理解和应用
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。③如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10
-9
S。以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。那么以上实验结论应该如何解释？
回顾上节课所学习的光电效应规律。
和上节课留下的问题衔接。并引出新的内容。
讲授新课
一、爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发，他提出：1.光子：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。这些能量子后来被称为光子。2.爱因斯坦的光电效应方程一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即：或——光电子最大初动能
W0
——金属的逸出功
3.光子说对光电效应的解释①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才有光电子逸出，
就是光电效应的截止频率。②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发生的。③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。思考与讨论：爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能E与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压U。那么，怎样得到截止电压U。与光的频率v和逸出功W0的关系呢?利用光电子的初动能E
=
eUC。和爱因斯坦光电效应方程Ek=
hv-
W0,可以消去E,从而得到Uc与v、W0
的关系，即对于确定的金属，其逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc
与光的频率v之间是线性关系，Uc-v图像是一条斜率为h/e的直线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。4.光电效应理论的验证美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h
的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。二、康普顿效应和光子的动量1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射.2.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，除了与人射波长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(
Compton's
effect
)。按照经典物理学的理论，人射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是人射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是: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h和普朗克常量h有关。三、光的波粒二象性众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。
动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。当然，此时人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者。人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性(
wave-particle
dualism)。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。课堂练习1、康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子( )A.可能沿1方向,且波长变短B.可能沿2方向,且波长变短C.可能沿1方向,且波长变长D.可能沿3方向,且波长变长解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由
知,波长变长,故C项正确。答案：C
明确光子的概念，并知道其能量的大小。分析光电子的能量和逸出功之间的关系，总结出光电效应方程。理解光子说对光电效应现象的解释。小组讨论遏止电压与光子频率、逸出功之间的关系。了解科学探索发展的过程。了解经典物理学的局限性。推导光子动量的表达式。理解光的粒子性和波动性分别表现在哪些方面。完成课堂练习。
结合能量守恒定律分析光电效应方程，培养学生应用能量守恒定律解决问题的科学思维方式。以小组讨论的形式，总结得到遏止电压和频率、逸出功的关系。提高学生交流合作的能力。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。了解经典物理学的局限性，体会科学发展的艰辛。让学生从粒子性和波动性理解光的波粒二象性。
拓展提高
1、(多选)下列对光子的认识,正确的是( )A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒B.光子说中的光子就是光电效应的光电子C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子D.光子的能量跟光的频率成正比解析：根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确。由E=hν知,光子能量E与其频率ν成正比,故D选项正确。答案：CD2、(多选)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。关于康普顿效应,以下说法正确的是( )A.康普顿效应说明光子具有动量B.康普顿效应现象说明光具有波动性C.康普顿效应现象说明光具有粒子性D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加解析：康普顿效应说明光具有粒子性,B项错误,A、C项正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D项错误。答案：AC3、(多选)如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5
eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2
mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7
V时,电流表示数为0,则( )A.光电管阴极的逸出功为1.8
eVB.开关S断开后,没有电流流过电流表GC.改用光子能量为1.5
eV的光照射,电流表G也有电流,但电流较小D.光电子的最大初动能为0.7
eV解析：该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数大于或等于0.7
V时,电流表示数为0,则知光电子的最大初动能为0.7
eV,根据光电效应方程Ek=hν-W0得,逸出功W0=1.8
eV,故A、D正确;当开关S断开后,用光子能量为2.5
eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,有光电子逸出,则有电流流过电流表,故B错误;改用光子能量为1.5
eV的光照射,由于光子的能量小于逸出功,所以不能发生光电效应,无光电流,故C错误。答案：AD
完成拓展提高。
通过习题练习，总结本节知识，巩固知识掌握程度。
课堂小结
一、爱因斯坦的光量子假设二、康普顿效应和光子的动量三、光的波粒二象性
总结本节课知识。
课堂小结，帮助学生总计知识，形成知识框架。
板书
一、爱因斯坦的光量子假设二、康普顿效应和光子的动量三、光的波粒二象性
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精品试卷·第
2
页
（共
2
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