3　粒子的波動性

1、,第十七章：波粒二象性,第2節(jié)：光的粒子性,1. 通過實驗了解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。 2. 知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。 3. 了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動量。,首先提出光是什么，讓學生進行發(fā)散討論，引入新課內(nèi)容光的粒子性。通過光電效應(yīng)實驗，得出光電效應(yīng)的概念，接著通過視頻，觀察光電效應(yīng)實驗的規(guī)律，和學生共同總結(jié)出光電效應(yīng)實驗的三條規(guī)律。又通過“無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)”，提出三個結(jié)論都與實驗結(jié)果相矛盾的問題，引出愛因斯坦的光電效應(yīng)方程。最后通過光電效應(yīng)理論的驗證的介紹，驗證了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程理論的正確性，并且補充了光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用。 在光電效應(yīng)的實驗中，利用視頻

2、演示了鋅板在紫外光和白熾燈照射下發(fā)生的現(xiàn)象，使學生產(chǎn)生了濃厚的學習興趣。并通過展示原理圖，讓學生了解光電效應(yīng)實驗的原理和規(guī)律。在介紹愛因斯坦的光電效應(yīng)方程理論的時候，可以結(jié)合學生以往對功能關(guān)系的學習，進而得出矛盾的觀點，引出光電效應(yīng)理論的驗證，并通過光控繼電器和光電倍增管的例子，說明光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用，使學生能結(jié)合生活生產(chǎn)活動，聯(lián)系物理的理論學習。,太陽能是比較環(huán)保又很經(jīng)濟的能源，利用太陽能電板可以將太陽光轉(zhuǎn)化成電能儲存起來，充當電源。那么光是什么呢，那么本節(jié)課我們就一起來學習。,把一塊鋅板連接在驗電器上，用紫外線照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。,光電效應(yīng),使驗電器張角增大到約為 30

3、度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。,表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電!,定義：當光線照射在金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。,逸出的電子稱為光電子。 光電子定向移動形成的電流叫光電流。,一、光電效應(yīng)現(xiàn)象,1887年，赫茲在研究電磁波的實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，接 收電路的間隙如果受到光照就更容易產(chǎn)生電火花。這就 是最早的光電效應(yīng)。 后來經(jīng)過湯姆遜等多名科學家的實驗研究，證實了 這個現(xiàn)象，即照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子 從表面逸出，這個現(xiàn)象就叫光電效應(yīng)。,光電效應(yīng)規(guī)律,二、光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,1. 存在飽和電流,光照不變，增大 UAK，G 表中

4、電流達到某一值后不再增大，即達到飽和值。,因為光照條件一定時，K 發(fā)射的電子數(shù)目一定。,實驗表明：入射光越強，飽和電流越大，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。,v,加反向電壓，如圖所示：,光電子所受電場力方向與光電子速度方向相反，光電子做減速運動。若,U = 0 時，I 0，因為電子有初速度。,則 I = 0，式中 Uc 為遏止電壓。,2. 存在遏止電壓和截止頻率,遏止電壓 Uc ：使光電流減小到零的反向電壓,U,K,A,速率最大的是 vc,最大初動能,光電效應(yīng)伏安特性曲線,實驗表明：對于一定顏色(頻率)的光, 無論光的強弱如何，遏止電壓是一樣的。光的頻率 改變時，遏止電壓也會改變。,光電子的最大

5、初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強弱無關(guān)。,截止頻率：對于每種金屬，都有相應(yīng)確定的截止頻率 c 。,當入射光頻率 c 時，電子才能逸出金屬表面；,當入射光頻率 c 時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。,實驗結(jié)果：即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的極限頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉(zhuǎn)。,更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經(jīng)過的時間不超過109 秒 ( 這個現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”)。,光電效應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成！,3. 具有瞬時性,勒納德等人通過實驗得出以下結(jié)論,1. 對于任何一種金屬，都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率，才能發(fā)生光

6、電效應(yīng)，低于這個頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；,4. 入射光照到金屬上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不超過 109 秒。,3. 光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；,2. 當入射光的頻率大于極限頻率時，入射光越強，飽和電流越大；,逸出功 W0 ：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。,光越強，逸出的電子數(shù)越多，光電流也就越大。,三、光電效應(yīng)解釋中的疑難,1. 光越強，光電子的初動能應(yīng)該越大，所以遏止電壓 Uc 應(yīng)與光的強弱有關(guān)。,實驗表明：對于一定顏色(頻率)的光, 無論光的強弱如何，遏止電壓是一樣的。,按照光的電磁理論，可以得到以下結(jié)論：,以上

7、三個結(jié)論都與實驗結(jié)果相矛盾的，所以無法用經(jīng)典的波動理論來解釋光電效應(yīng)。,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(yīng)存在截止頻率。,3. 如果光很弱，按經(jīng)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10-9 s。,1. 內(nèi)容：光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為 h 的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為 的光是由大量能量為 = h 的光子組成的粒子流組成的，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。,在光電效應(yīng)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?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?E

8、k 。由能量守恒可得出：,2. 愛因斯坦光電效應(yīng)方程,四、愛因斯坦的光量子假設(shè),W0 為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 為光電子的最大初動能。,3. 光子說對光電效應(yīng)的解釋,(2) 電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。,(3) 光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。,(1) 愛因斯坦方程表明，光電子的初動能 Ek 與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強無關(guān)。只有當 h W0 時，才有光電子逸出，vc= W0 /h 就是光電效應(yīng)的截止頻率 。,4. 光電效應(yīng)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(yīng)

9、”實驗，結(jié)果在 1915 年證實了愛因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。,愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學的貢獻獲得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(yīng)，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,。,可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。,五、光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,1. 光控繼電器,可對微弱光線進行放大，可使光電流放大 105 108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。,2. 光電倍增管,1. 光電效應(yīng)現(xiàn)象,2. 光電效應(yīng)實驗規(guī)律,4. 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程,3. 光電效應(yīng)解釋中的疑難,5. 光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用,B,2. 一束黃光照射某金屬表面時，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則 下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是( ) A. 延長光照時間 B. 增大光束的強度 C. 換用紅光照射 D. 換用紫光照射,D,3. 根據(jù)圖所示研究光電效應(yīng)的電路，利用能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的兩種（或多種）已知頻率的光來進行實驗，怎樣測出普朗克常量？根據(jù)實驗現(xiàn)象說明實驗步驟和應(yīng)該測量的物理量，寫出根據(jù)本實驗計算普朗克常量的關(guān)系式。,解