2022-2023年度 名師 《光的粒子性》教案

1、PAGE 2/9第十七章 波粒二象性新課標要求1內(nèi)容標準 （1）了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。體會量子論的建立深化了人們對于物質(zhì)世界的認識。 （2）通過實驗了解光電效應(yīng)。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)。 （4）根據(jù)實驗說明光的波粒二象性。知道光是一種概率波。 （5）知道實物粒子具有波動性。知道電子云。初步了解不確定性關(guān)系。 （6）通過典型事例了解人類直接經(jīng)驗的局限性。體會人類對世界的探究是不斷深入的。 例1 通過電子衍射實驗，初步了解微觀粒子的波粒二象性，體會人類對于物質(zhì)世界認識的不斷深入。2活動建議 閱讀有關(guān)微觀世界的科普讀物，寫

2、出讀書體會。新課程學習172 光的粒子性新課標要求（一）知識與技能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（二）過程與方法經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應(yīng)用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。（三）情感、態(tài)度與價值觀領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)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(guī)律的艱辛與喜悅。教學重點光電效應(yīng)的實驗規(guī)律教學難點愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義教學方法PAGE 9/9教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學生討論、交流。教學用具：投影片，多媒體輔助教學設(shè)備課時安排2 課時教學過程（一）引入新課提問：

3、回顧前面的學習，總結(jié)人類對光的本性的認識的發(fā)展過程？（多媒體投影，見課件。）學生回顧、思考，并回答。教師傾聽、點評。光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進一步說明光還是橫波。19世紀60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候，又發(fā)現(xiàn)了用波動說無法解釋的新現(xiàn)象光電效應(yīng)現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究，使得人們對光的又一本質(zhì)性認識得到了發(fā)展。（二）進行新課1光電效應(yīng)教師：實驗演示。（課件輔助講述）用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻

4、璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。學生：認真觀察實驗。教師提問：上述實驗說明了什么？學生：表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。概念：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應(yīng)的實驗規(guī)律（1）光電效應(yīng)實驗如圖所示，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出光電子。光電子在電場作用下形成光電流。概念：遏止電壓將換向開關(guān)反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。當 K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值 Uc 時，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。根據(jù)動能定理，有（2）光電效應(yīng)實驗規(guī)律 光電流與光強的關(guān)系

5、飽和光電流強度與入射光強度成正比。 截止頻率c 極限頻率對于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率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。 光電效應(yīng)是瞬時的。從光開始照射到光電子逸出所需時間10-9s。3光電效應(yīng)解釋中的疑難經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實驗結(jié)果。經(jīng)典理論認為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。光電效應(yīng)實驗表明：飽和電流不僅與光強

6、有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。光電效應(yīng)具有瞬時性。而經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。4愛因斯坦的光量子假設(shè)（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 E =h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(yīng)方程在光電效應(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

7、功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?Ek 。由能量守恒可得出：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(yīng)的解釋：光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。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。 從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關(guān)系從光電效應(yīng)方程中，當初動能為零時，可得極限頻率：愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，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。5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)”實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，h

8、 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。展示演示文稿資料：愛因斯坦和密立根由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)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(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。點評：應(yīng)用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神，激發(fā)學生的探索精神。例題 （教材36頁）學生通過運算得出相應(yīng)的正確結(jié)果。點評：理論聯(lián)系實際，適量的練習題可以進一步鞏固和掌握所學理論知識。6光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用（1）光控繼電器可以用

9、于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。（2）光電倍增管可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。7康普頓效應(yīng)（1）光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。（2）康普頓效應(yīng)1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關(guān)。（3）康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：按經(jīng)典電磁理論：如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的！散射中出現(xiàn)的現(xiàn)象，稱為康普頓散射?？?/p>

10、普頓散射曲線的特點： 除原波長外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長 新波長隨散射角的增大而增大。波長的偏移為波長的偏移只與散射角有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長無關(guān)， = 0.0241=2.4110-3nm（實驗值）稱為電子的Compton波長只有當入射波長與可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。（4）經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時遇到的困難根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。（5）光子理論對康普頓效應(yīng)的解

11、釋若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。（6）康普頓散射實驗的意義有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)； 首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設(shè)；證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。展示演示文稿資料：康普頓康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了

12、某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎。展示演示文稿資料：吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻1923年，吳有訓(xùn)參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.19251926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(=5.62nm) 為入射線，以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，在同一散射角( )測量各種波長的散射光強度，作了大量X射線散射實驗。對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻。點評：應(yīng)用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神，激發(fā)學生的探索精神。（7）光子的能量和動量說明：動量能量是描述粒子的，頻率和波長則是用來描述波的（三）課堂小結(jié)教師活動：讓學生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學到黑板上總結(jié)，其他同學在筆記本上總結(jié)，然后請同學評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。學生活動：認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己