4.2光電效應(yīng)(第2課時(shí)） 教案

1、4.2光電效應(yīng)(第2課時(shí)）教材分析本節(jié)由光電效應(yīng)方程、康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性三部分組成，其中光電效應(yīng)方程是本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容，它進(jìn)一步揭開(kāi)了光的粒子特性。光的波粒二象性教材中先通過(guò)科學(xué)們對(duì)光的本性的歷史過(guò)程簡(jiǎn)單回顧，引入二象性的理論。本節(jié)教材是對(duì)學(xué)生進(jìn)行類比思想方法以及物理興趣培養(yǎng)的好題材。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)物理觀念形成光量子初步的物理觀念，通過(guò)學(xué)習(xí)康普頓效應(yīng)解釋一些天空為什么是藍(lán)的現(xiàn)象，能應(yīng)用光的波粒二象性解決一些實(shí)際問(wèn)題?？茖W(xué)思維運(yùn)用光量子假說(shuō)成功解釋光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，形成光具有能量和動(dòng)量的思維觀念。科學(xué)探究：通過(guò)光量子假說(shuō)分析光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和康普頓效應(yīng)。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)物理學(xué)史的

2、學(xué)習(xí)，使學(xué)生能從科學(xué)家的工作中感悟科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生類比思想，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：光電效應(yīng)方程、康普頓效應(yīng)和光的波粒二象性。教學(xué)難點(diǎn)：光電效應(yīng)方程和光的波粒二象性。教學(xué)準(zhǔn)備多媒體課件等。教學(xué)過(guò)程一、新課引入復(fù)習(xí)回顧光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。存在截止頻率，與頻率有關(guān)；存在飽和電流，與光強(qiáng)有關(guān)；存在遏止電壓，與頻率有關(guān)；光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。光電效應(yīng)中，光照射的瞬間就發(fā)出了光電子，而它的最大時(shí)動(dòng)能以及光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件都跟頻率有關(guān)。這和波動(dòng)理論格格不入，那到底應(yīng)該如何解釋他們。這引發(fā)了物理學(xué)家們的認(rèn)真思考。二、新課教學(xué)（三）愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論1.光量子理論能量量子化認(rèn)為：電磁波的輻射

3、和吸收是不連續(xù)的，一份兒一份兒的，每一份叫做一個(gè)能量子。借用這一觀點(diǎn)，愛(ài)因斯坦提出光量子化模型。光量子認(rèn)為：光不但在發(fā)射和吸收的時(shí)候，能量是一份一份的，而且光本身就是由一份一份的能量子組成的。光子的能量：E = h也就是說(shuō)光其實(shí)是由光子組成的，這些光子沿光的傳播方向，以光速c運(yùn)動(dòng)。2.光電效應(yīng)方程按照愛(ài)因斯坦的理論，當(dāng)光子照到金屬上時(shí)，金屬中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hv，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來(lái)脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動(dòng)能。即Ek=hv-W0式子中為光電子的最大動(dòng)能，W0是金屬的逸出功 。稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。通過(guò)這個(gè)方程愛(ài)因斯坦完美的解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

4、的規(guī)律。3.愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋截止頻率的解釋通常所說(shuō)的光強(qiáng)是指光的總能量，對(duì)于同一頻率的光，單個(gè)光子的能量相同，因此光強(qiáng)大就說(shuō)明光子的數(shù)量多。電子要想從金屬那逃出來(lái)，就需要克服金屬的引力做功。這類功當(dāng)中最小的叫做逸出功用w0表示，當(dāng)電子被光照射時(shí)，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，也就是hv的能量。如果吸收的能量大于逸出功hv>W0，就會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。如果頻率不夠，即使增加光強(qiáng)，或者增加照射時(shí)間，也只是增加了光子的數(shù)量，并不能提高單個(gè)光子的能量，所以仍然不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。這就解釋了截止頻率現(xiàn)象。當(dāng)hv=w0時(shí)，,此時(shí)的頻率就是極限頻率。把它繪制成圖像就是這樣的。遏止電壓的解釋

5、Ek=hv-W0 通過(guò)這三個(gè)方程，光電子的最大初動(dòng)能EK與入射光的頻率v有關(guān)，而與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。這就解釋了遏止電壓和光強(qiáng)無(wú)關(guān)。瞬時(shí)性的解釋這是由于電子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要時(shí)間的積累。 飽和電流的解釋 對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大。理論是完美的，實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)。思考與討論愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程給出了光電子的最大初動(dòng)能 Ek 與入射光的頻率v的關(guān)系。但是，很難直接測(cè)量光電子的動(dòng)能，容易測(cè)量的是截止電壓 Uc。那么，怎樣得到截止電壓Uc與光的頻率v和逸出功W0的關(guān)系呢?4.密立根驗(yàn)證光電效應(yīng)

6、方程Ek=hv-W0 綜合這三個(gè)式子就可以得到Uc和頻率v的關(guān)系：這樣一來(lái)斜率就是，而縱軸的截距就是。至于根橫軸的截距，它是逸出光電子的最大初動(dòng)能為零的入射光頻率，剛好能發(fā)生光電效應(yīng)，這就是這種金屬的極限頻率。如圖密立根他通過(guò)測(cè)量金屬的遏止電壓Uc和入射光的極限頻率v，計(jì)算出布朗克常量h，并與普朗克通過(guò)黑體輻射得出的h相比較。通過(guò)兩種方法得出的普朗克常量h基本上是一致的，誤差不超過(guò)0.5%。這為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程提供了直接證據(jù)，又一次證明了光量子理論的正確。（四）康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量1.康普頓效應(yīng) 19181922年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了

7、與入射波長(zhǎng)0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。2.經(jīng)典理論的解釋康普頓效應(yīng)按照經(jīng)典電磁理論：振動(dòng)頻率=入射光頻率=散射光頻率。所以散射出來(lái)的射線不應(yīng)該有波長(zhǎng)大于0的成分，因此，康普頓效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典物理學(xué)解釋。3. 光子模型解釋康普頓效應(yīng)康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應(yīng)。他的基本思想是光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)和普朗克常量h有關(guān)。這三個(gè)量之間的關(guān)系式為：波長(zhǎng)變長(zhǎng)的解釋按照這個(gè)理論，光子與電子相互作用，使得電子動(dòng)量增加。根據(jù)動(dòng)量守恒，光子的動(dòng)量就要減少，而這個(gè)動(dòng)量可以用來(lái)計(jì)算。動(dòng)量減少就意味著波長(zhǎng)變長(zhǎng)，這就是反射光波長(zhǎng)變長(zhǎng)的原因。這時(shí)光量

8、子理論完美解釋了康普頓效應(yīng)，康普頓散射證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的，他有力的支持了愛(ài)因斯坦光量子假設(shè)。（五）光的波粒二象性思考：光究竟是就是粒子，還是波？粒子：V、m、q，運(yùn)動(dòng)符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律波：在空間是迷散開(kāi)了，它的特征是頻率和波長(zhǎng)。在經(jīng)典物理學(xué)中，粒子和波是相互排斥的。物質(zhì)要么是粒子，要么是波。疑惑：光究竟是哪一種?。繉?shí)驗(yàn)現(xiàn)象1：光的干涉、衍射表明光是一種波。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象2；光電效應(yīng)和康普散射，表明光是一種粒子。也就是說(shuō)光同時(shí)具有波和粒子的特性。即光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。光傳播的過(guò)程中，主要表現(xiàn)為波動(dòng)性；而關(guān)于物體相互作用的時(shí)候，更

9、多的表現(xiàn)出粒子性。此外波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光波動(dòng)性更強(qiáng)，而波長(zhǎng)較短的光粒子性更強(qiáng)。你可以這樣理解波長(zhǎng)短就是頻率v比較大，因此光子的能量hv就比較大，所以粒子性就比較強(qiáng)。課堂練習(xí)例1：利用光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋，下列說(shuō)法正確的是( )A. 金屬表面的一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子B. 電子吸收光子后一定能從金屬表面逸出，成為光電子C. 金屬表面的一個(gè)電子吸收若干個(gè)光子，積累了足夠的能量才能從金屬表面逸出D. 無(wú)論光子能量大小如何，電子吸收光子并積累了能量后，總能逸出成為光電子解析：根據(jù)光子說(shuō)，金屬中的一個(gè)電子一次只能吸收一個(gè)光子，若所吸收的光子頻率大于金屬的截止頻率，電子才能逃離金屬表面，成為光電子，且光子的吸

10、收是瞬時(shí)的，不需要積累能量的時(shí)間，故選項(xiàng)A正確。例2：下列有關(guān)光的波粒二象性的說(shuō)法正確的是（ ）A. 有的光是波，有的光是粒子B. 光子與電子是同樣的一種粒子C. 光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其波動(dòng)性越顯著；波長(zhǎng)越短.其粒子性越顯著D. 大量光子的行為往往顯示出粒子性解析一切光都具有波粒二象性，有些行為（如干涉、衍射）表現(xiàn)出波動(dòng)性，有些行為（如光電效應(yīng)）表現(xiàn)出粒子性，所以不能說(shuō)有的光是波，有的光是粒子。雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒(méi)有靜止質(zhì)量。電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場(chǎng)形式存在的物質(zhì)，所以不能說(shuō)光子與電子是同樣一種粒子。光的波粒二

11、象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性。光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射性越好，即波動(dòng)性越顯著，光的波長(zhǎng)越短，其光子能量越大，個(gè)別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng)，所以其粒子性就很顯著。故選項(xiàng) C正確。選C。例3：對(duì)于光的行為，下列說(shuō)法正確的是（ ）A. 個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性B. 光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C. 光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí)，就不具有粒子性了，光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動(dòng)性了 D. 光的波粒二象性應(yīng)理解為，在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯，在另外某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯解析：個(gè)別光子的

12、行為表現(xiàn)為粒子性。大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性。選項(xiàng)A正確；光與物質(zhì)作用，表現(xiàn)為粒子性，光的傳福表現(xiàn)出波動(dòng)性。光的波動(dòng)性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因?yàn)椴▌?dòng)性表現(xiàn)為粒子的分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性，因?yàn)榇罅抗庾拥男袨槔铿F(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律。選項(xiàng)BD正確。例4：能夠證明光具有波粒二象性的現(xiàn)象是（ ） A. 光的反射和小孔成像現(xiàn)象 B. 光的衍射和光的色散 C. 光的折射和透鏡成像D. 光的干涉、光的衍射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)解析：選D。例5：關(guān)于光的本性，下列說(shuō)法正確的是（ ）A. 關(guān)于光的本性，牛頓提出微粒說(shuō)，惠更斯提出波動(dòng)說(shuō)，愛(ài)因斯坦提出光子說(shuō)，它們都說(shuō)明了光的本性B. 光具有波粒二象性

13、是指既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C. 光的干涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性D. 光的波粒二象性是將牛頓的波動(dòng)說(shuō)和惠更斯的粒子說(shuō)真正有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)的解析：光具有波粒二象性，這是現(xiàn)代物理學(xué)關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)，先的波粒二象性不同于牛頓提出的微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō)。是愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)和麥克斯韋的電磁說(shuō)的統(tǒng)一。光的不涉、衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性。光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性。故逸項(xiàng)ABD借誤，C正確。例6：鋁的逸出功是4.2eV，現(xiàn)在將波長(zhǎng)200nm的光照射鋁的表面。(1)求光電子的最大初動(dòng)能。(2)求遏止電壓。(3)求鋁的截止頻率。解析：（1）由愛(ài)因斯坦

14、光電效應(yīng)方程Ek=hv-W0可得 （2）由eUc=EK得遏止電壓。（3） 由W0=hv0得截止頻率。板書(shū)設(shè)計(jì)4.2光電效應(yīng)(第2課時(shí)）3、 愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論1.光量子理論：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割能量子組成的。每一份稱為光量子。光子的能量：E = h2.光電效應(yīng)方程：EK=hv-w0光電子最大初動(dòng)能 W0金屬的逸出功 3.愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋4.密立根驗(yàn)證光電效應(yīng)方程：四、康普頓效應(yīng)和光子動(dòng)量1.康普頓效應(yīng)：在散射的X射線中，除了與人射波長(zhǎng)0相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于0的成分。2.光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)和普朗克常量h有關(guān)：五、光的波粒二象性1.光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。2.傳播的過(guò)程中，表現(xiàn)出波動(dòng)性；物體相互作用時(shí)