資源簡介

4.2光電效應 教案
【教材分析】
（一）教材分析
本節由光電效應方程、康普頓效應和光的波粒二象性三部分組成，其中光電效應方程是本節重點內容，它進一步揭開了光的粒子特性。光的波粒二象性教材中先通過科學們對光的本性的歷史過程簡單回顧，引入二象性的理論。本節教材是對學生進行類比思想方法以及物理興趣培養的好題材。
【教學目標】
（一）教學目標
物理觀念：知道什么是光電效應理論。
科學思維：通過計算推導出光電效應理論。
科學探究：經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規律。
科學態度與責任：領略自然界的奇妙與和諧，發展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規律的艱辛與喜悅。
【教學重難點】
（一）教學重難點
學習重點 康普頓效應及其意義、光的波粒二象性
學習難點 理解光的波粒二象性
【新課導入】
（一）新課導入
①光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓UC應與光的強弱有關。
②不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。
③如果光很弱，按經典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠遠大于 S。
以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應。
那么以上實驗結論應該如何解釋？
【新課講解】
（一）光電效應的實驗規律
光電效應經典解釋中的疑難
思考與討論
人們知道，金屬中原子外層的電子會脫離原子而做無規則的熱運動。但在溫度不很高時，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢
這表明金屬表面層內存在一種力，阻礙電子的逃逸。電子要從金屬中掙脫出來，必須獲得一些能量，以克服這種阻礙。
光的電磁理論
①逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。
如下表所示，不同種類的金屬，其逸出功的大小也不相同。
金屬 鎢 鈣 鈉 鉀 銣
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光電子：金屬表面受到光照射時，從金屬表面逸出的電子。
③光越強，逸出的電子數越多，光電流也就越大。
2.光的電磁理論與光電效應的矛盾
按照光的電磁理論∶
●不應存在截止頻率;
● 遏止電壓.應該與光的強弱有關;
● 需要長時間，光子才能逸出
而實驗結果并不是這樣的。
這些結論都與實驗結果相矛盾。光電效應中的一些重要現象無法用經典電磁理論解釋，這引發了物理學家們的認真思考。
（一）光電效應經典解釋中的疑難
光電效應的實驗規律
1．光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現象。
2．光電子：光電效應中從金屬表面逸出的電子。
3．光電效應的實驗規律
(1)存在截止頻率：當入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。實驗表明，不同金屬的截止頻率不同。換句話說，截止頻率與金屬自身的性質有關。
(2)存在飽和電流：在光的頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大。這說明，對于一定頻率(顏色)的光，入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。
(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電子具有一定的初速度，初速度的上限vc滿足關系： mev＝eUc。進一步實驗表明，同一種金屬對于一定頻率的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都是一樣的。光的頻率ν改變時，遏止電壓Uc也會改變。這表明，對于同一種金屬，光電子的能量只與入射光的頻率有關，而與入射光的強弱無關。
(4)光電效應具有瞬時性：光電效應幾乎是瞬時發生的。
4．逸出功：要使電子脫離某種金屬，需要外界對它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，用W0表示。不同種類的金屬，其逸出功的大小不相同。
（一）愛因斯坦的光電效應理論
愛因斯坦的光電效應理論
1．內容
光不僅在發射和吸收時以能量為hν的微粒形式出現，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為ν的光是由大量能量為E=hν的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運動。
2．愛因斯坦光電效應方程
在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變為光電子逸出后的動能Ek。由能量守恒可得出：hν=Ek+W0。
W0為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功。Wk為光電子的最大初動能。
3．愛因斯坦對光電效應的解釋
①光強大，光子數多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。
②電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。
③從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系。
④從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極限頻率：νc=W0/h。
愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。
4．光電效應理論的驗證
美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程， 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。
由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規律，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。
密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。
（一）康普頓效應和光子的動量
康普頓效應和光子的動量
1918-1922年，美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了有與入射波長λ0相同的成分外，還有大于λ0的成分。這個現象稱為康普頓效應。
中國留學生吳有訓通過實驗，測試了多種物質對X射線的散射，證實了康普頓效應的普遍性。
經典電磁理論：散射光的波長應與入射光的波長相同，與實驗事實相矛盾。
光子模型觀點：光子不僅具有能量，而且具有動量。光子動量。
X射線的光子與晶體中的電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，因而光子動量減小。p減小意味著λ變大，因而有些光子散射后波長變大了。
（一）光的波粒二象性
光的波粒二象性
愛因斯坦的光電效應理論和康普頓效應理論表明，光在某些方面確實會表現得像是由一些粒子（即一個個有確定能量和動量的“光子”）組成的。也就是說，光電效應和康普頓效應重新揭示了光的粒子性。當然，此時人們對光的粒子性的認識，是以最新的實驗和量子理論為基礎的，已經和牛頓時代的光的粒子說根本不同。人們意識到，光既具有波動性，又具有粒子性。換句話說，光具有波粒二象性。
【板書】
（一）板書
一、愛因斯坦的光量子假設
二、康普頓效應和光子的動量
三、光的波粒二象性
【課后反思】
（一）課后反思
學生可能會認為光量子只不過是能量子觀點的簡單移用，所以在學習光電效應方程中要把光量子假說和普朗克的能量子假說對比。密立根驗證光電效應方程的正確性主要是通過測點普朗克常量來進行的，不過它的測量方法是非常不錯的，學生比較容易忽略這一點。教學時要注意分析。因為沒有學過光的干涉和衍射，以及一些波的知識，還有動量的知識，所以學習康普頓效應和光的波粒二象性時會有一些難度。

展開更多......

收起↑