资源简介

11-6 光的粒子性 光的波粒二象性
一、教学目标
1．认识光的粒子性，知道截止频率
2．了解光电效应的基本规律
3．知道光既具有波动性，又具有粒子性
二、教学重点、难点
重点：光的粒子性，光的波粒二象性
难点：解释光电效应的光的量子说，光的波粒二象性所表现出的物质性质的多样性
三、教学器材
多媒体教学用光盘
四、教学建议
教法建议
互动启发、演示实验、讲授
教学设计方案
（一）引入新课
提问：光的干涉、衍射等现象使我们认识到光具有什么性质？答：波动性
设疑：在光的波动理论建立以后，人们从实验中又发现了用光的波动性解释不了的新现象。
用多媒体演示：
图1 光电效应
让带电的锌板与验电器连接，验电器指针偏转一定角度，然后用紫外线照射锌板，验电器原来偏转的指针闭合。这个实验现象表明锌板受到紫外线照射时，光使电子从锌板表面逸出了。
（二）引出课程内容
1.光的粒子性
（1）光电效应：
定义：物体在光（从可见光到射线）的照射下发射电子的现象，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子。
俄国物理学家斯托列夫在1888年用图2所示的实验装置研究了光电效应的规律。
图2 光电效应实验
图中S是一个抽成真空的玻璃容器，容器中装有阴极K(金属板)和阳极A，C为石英小窗。当光线透过石英小窗照射在阴极K上时，从电流计上可以看到有电流通过，这些被光照射产生的光电子在电场作用下不断由阴极K流向阳极A形成的电流称为光电流。
（2）光电效应的基本规律
提问：任何金属都会发生光电效应吗？它遵守什么规律呢？从实验中可归纳得出，光电效应的基本规律是：
①对于每一种金属，只有在高于某一频率的光照射时，才能产生光电效应，这个频率称为该金属的截止频率。任何一种金属都具有各自的截止频率，比如锌的截止频率是8．065 ,用低于这个频率的光照射锌板，无论照射光多强，也无论照射时间多长，都不能使它产生光电效应。书上用表格列出了几种金属的截止频率和对应的波长。
几种金属的截止频率和对应的波长
金 属 铯 钙 钨 镍 铂
4.59×1014 6.52×1014 11.1×1014 12.1×1014 15.1×1014
0.654 0.460 0.271 0.248 0.197
②入射光的频率大于截止频率时，光电流的大小与入射光的强度成正比。
③光电子的初动能只与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关。
④光电效应具有瞬时性，只要有大于截止频率的光照射到金属上，光电子立即发射出来，所需时间不到s。
（3）光的量子理论
光电效应的这些基本规律用经典的电磁波理论无法得到解释。按照电磁波理论，光的能量应该由光的强度决定而与频率无关，然而这和实验结果又不相符。波动理论还无法解释光电效应的瞬时性，按照波动理论，当一束很弱的光照射到金属表面上以后，应该经过一段时间的能量积累才能有光电子从金属中逸出，怎么可能瞬间就从金属中逸出呢
爱因斯坦正确解释了光电效应的规律，提出了光的量子学说。他认为光是由大量以光速运动的粒子组成的粒子流，这些粒子称为光量子或光子，每个光子的能量E与它的频率成正比，即
式中h是普朗克常量。
按照这个观点，频率为的光的能量只能是的整数倍，光子能量是这种光的能量的最小单位，称为光的能量的量子化。
例题1 分别计算的红光和的光的光子能量。
解 已知，，则
红光的光子能量为
X光的光子能量为
计算结果表明：X光光子比红光光子的能量大得多。
光的量子理论能很好地解释了光电效应，并说明了能量在辐射、传播和吸收的过程中是一份一份的、不连续的，每份的能量等于，显示了光的粒子性。光子就是这种一份一份的分立的能量量子。
为了解释光电效应，爱因斯坦还提出了一个公式：
式中是入射光子能量,是金属的逸出功，是光电子的初动能。
这就是著名的爱因斯坦方程，它定量地说明了发生光电效应时的能量关系。
例题2 已知铯的截止频率为，若波长为0．4的光照射在铯上，能否发生光电效应 为什么 如能发生，试求金属铯的逸出功和光电子的初速度。
解 已知,，则
所以可以发生光电效应。
金属的逸出功与其截止频率相对应。利用爱因斯坦方程，令初动能为零，则
逸出功
光电子的初动能为
=
=6.63×10-34×7.5×1014 J--3.01×10-19 J
=1.96×10-19 J
已知电子质量,则
光电子的初速度
2.光的波粒二象性
光的干涉、衍射现象充分说明了光是一种波，而光电效应又揭示了光的粒子性，那么光究竟是波还是粒子 近代物理的理论和实验研究表明，光既具有波动性，又具有粒子性。
①光子与实物粒子有着本质的区别，比如光子始终以光速运动，而任何实物粒子的运动都不可能达到光速。相对论证明，光子的静止质量为零，运动质量为
光子的能量与光波的频率有关，说明光的波动性和粒子性有着紧密的联系，无论在什么情况下，光的波动性和粒子性都是始终存在的，它既具有波动性，又具有粒子性，我们把这种现象称为光的波粒二象性。
②光在传播过程中，一般主要表现出波动性，但是当光与其他物质相互作用时，粒子性比较显著。光的波粒二象性说明光既不是宏观概念中的波(如机械波等)，也不是宏观概念中的微粒。光是由一系列具有波动性的、不连续的光子流所构成的。
③一切实物粒子(电子、质子、中子等)都具有波粒二象性。1924年，法国科学家德布罗意不仅大胆地设想了一切微粒都具有二象性，而且给出了表征其粒子性与波动性相联系的能量E和动量的关系式：
式中h是普朗克常量。
后来建立起来的量子力学正是以波粒二象性的观点作为其重要基础。当然，人们对光的本性的认识尚未完结，还有待于进一步的探索发现。
（三）小结
1.光电效应的实验规律
(1)光电效应存在截止频率，任何一种金属都具有各自的截止频率。入射光频率低于截止频率时，无论光强多大，光照时间多长，都不能产生光电效应。
(2)光电流的大小与入射光强成正比。
(3)光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。
(4)光电效应具有瞬时性。
2.光电效应说明光具有粒子性。
3.光的波粒二象性
（1）光子与实物粒子有着本质的区别，光既有波动性，又有粒子性，是由一系列具有波动性的、不连续的光子流所构成。
（2）光在传播过程中，波动性比较显著；在与物质相互作用时，粒子性比较显著。
（3）光具有波粒二象性。
（四）作业布置
p.148 1、3、4、6题 《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学中应注意的问题
1.讲述发生光电效应时，对截止频率可多举例，加深理解。
2.对于物质性质的多样性可点到为止。

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