资源简介

4.2光电效应 教案
【教材分析】
（一）教材分析
本节由光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性三部分组成，其中光电效应方程是本节重点内容，它进一步揭开了光的粒子特性。光的波粒二象性教材中先通过科学们对光的本性的历史过程简单回顾，引入二象性的理论。本节教材是对学生进行类比思想方法以及物理兴趣培养的好题材。
【教学目标】
（一）教学目标
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。
【教学重难点】
（一）教学重难点
学习重点 康普顿效应及其意义、光的波粒二象性
学习难点 理解光的波粒二象性
【新课导入】
（一）新课导入
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 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？
【新课讲解】
（一）光电效应的实验规律
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。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。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。
光的电磁理论
①逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值。
如下表所示，不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
vc/（1014HZ） 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。
③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
2.光的电磁理论与光电效应的矛盾
按照光的电磁理论∶
●不应存在截止频率;
● 遏止电压.应该与光的强弱有关;
● 需要长时间，光子才能逸出
而实验结果并不是这样的。
这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。
（一）光电效应经典解释中的疑难
光电效应的实验规律
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的现象。
2．光电子：光电效应中从金属表面逸出的电子。
3．光电效应的实验规律
(1)存在截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。
(2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限vc满足关系： mev＝eUc。进一步实验表明，同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率ν改变时，遏止电压Uc也会改变。这表明，对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。
(4)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。
4．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。不同种类的金属，其逸出功的大小不相同。
（一）爱因斯坦的光电效应理论
爱因斯坦的光电效应理论
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：hν=Ek+W0。
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：νc=W0/h。
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， 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。
密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。
（一）康普顿效应和光子的动量
康普顿效应和光子的动量
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，除了有与入射波长λ0相同的成分外，还有大于λ0的成分。这个现象称为康普顿效应。
中国留学生吴有训通过实验，测试了多种物质对X射线的散射，证实了康普顿效应的普遍性。
经典电磁理论：散射光的波长应与入射光的波长相同，与实验事实相矛盾。
光子模型观点：光子不仅具有能量，而且具有动量。光子动量。
X射线的光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因而光子动量减小。p减小意味着λ变大，因而有些光子散射后波长变大了。
（一）光的波粒二象性
光的波粒二象性
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。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。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。
【板书】
（一）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
【课后反思】
（一）课后反思
学生可能会认为光量子只不过是能量子观点的简单移用，所以在学习光电效应方程中要把光量子假说和普朗克的能量子假说对比。密立根验证光电效应方程的正确性主要是通过测点普朗克常量来进行的，不过它的测量方法是非常不错的，学生比较容易忽略这一点。教学时要注意分析。因为没有学过光的干涉和衍射，以及一些波的知识，还有动量的知识，所以学习康普顿效应和光的波粒二象性时会有一些难度。

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