172科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性學(xué)案

第十七章 波粒二象性第二節(jié)科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（一） 知識與技能通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。（二） 過程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)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(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅?！局攸c(diǎn)、難點(diǎn)】重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律難點(diǎn)：愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義【問題導(dǎo)學(xué)】一、引入新課光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步說明光還是橫波。19世紀(jì)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(dāng)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)象一一光電效應(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(rèn)識得到了發(fā)展。本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)這方面知識。二、進(jìn)行新課（一）、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律閱讀教材30—32頁，回答下列問題觀察演示實(shí)驗(yàn):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(yàn)電器相連），驗(yàn)電器的指針張角會變大。實(shí)驗(yàn)說明：表明鋅板在射線照射下失去電子而帶—電。 的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子。光電子在電場作用下形成光電流。光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）存在飽和電流在課本31頁圖17.2-2的實(shí)驗(yàn)中，保持光照的條件不變，在初始電流較小的情況下，隨著所加電壓的增大，光電，但是存在一個 ，即：光電流達(dá)到此值以后，即使增加電壓，光電流也不再增加。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子。（2） 存在遏止電壓在上圖的實(shí)驗(yàn)中，即使電壓為0，光電流也不為，只有將所加電壓反向的時候（在光電管間形成使電子減速的電場），光電流才可能為。使光電流減小到0的反向電壓稱為，用符號 示。遏止電壓的存在表明：，初速度的上限應(yīng)該滿足關(guān)系：。實(shí)驗(yàn)表明：對于一定顏色（頻率）的光，遏止電壓都是，與光照強(qiáng)度，這表明：光電子的能量只與入射光的有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)度。（3） 存在截止頻率實(shí)驗(yàn)還表明，當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值vc時，即使不施加反向電壓也沒有光電流，這表明已經(jīng)沒有了，這個頻率稱為，也就是說當(dāng)：入射光的頻率小于時，將不發(fā)生光電效應(yīng)。（4）光電效應(yīng)具有瞬時性當(dāng)入射光頻率超過截止頻率vc時，無論入射光怎樣微弱，幾乎在照到金屬時產(chǎn)生光電流，這個時間不超過 s。（二）光電效應(yīng)解釋中的疑難閱讀教材32頁，查閱相關(guān)資料回答下列問題逸出功:。不同的金屬逸出功—同。光的電磁理論只能部分地解釋光電效應(yīng)。（1）、光的能量與頻率有關(guān)，而不像波動理論中應(yīng)由振幅決定。按照經(jīng)典電磁理論，金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)應(yīng)取決于光的強(qiáng)度，與光的頻率無關(guān)，任何金屬都不應(yīng)存在極限頻率，而實(shí)驗(yàn)事實(shí)卻恰恰相反。（2）、光電效應(yīng)產(chǎn)生的時間極短，電子吸收光的能量是瞬間完成的，而不像波動理論所預(yù)計(jì)的那樣可能逐漸積累。如果光的強(qiáng)度很微弱，則在光開始照射到光電子的發(fā)射之間有一個可測的滯后時間，在這段時間內(nèi)電子應(yīng)當(dāng)從光束中不斷吸收能量，一直到所積累的能夠足夠使它逸出金屬表面為止。這顯然與光電效應(yīng)的瞬間性規(guī)律存在著嚴(yán)重的矛盾。既然光電效應(yīng)與傳統(tǒng)的波動理論存在著如此巨大的矛盾，因此，這種理論不適用于微觀粒子的運(yùn)動。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)。（三）、愛因斯坦的光量子假設(shè)閱讀教材32—35頁，回答下列問題（1） 光子光可看成是由光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運(yùn)動。光子能量：光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的組成的。頻率為V的光的能量子為，這些能量子稱為。（h為普朗克常量）光強(qiáng)（光的能流密度），光越強(qiáng)，光子越 。電磁波在輻射、傳播和吸收過程中，能量是量子化的，光子是電磁波的存在形式，是物質(zhì)。（2） 愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(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，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮?。由能量守恒可得出：hvc=，或Ek=。（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(qiáng)大，光子數(shù)，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(dāng)初動能為零時，可得極限頻率：vc=愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動理論。【知識拓展】1、光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證：美國物理學(xué)家密立根，花了十年時間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)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。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(shí)驗(yàn)規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)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(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)證明光具有性。2、光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用（1） 光控繼電器可以用于自動控制，自動計(jì)數(shù)、自動報(bào)警、自動跟蹤等。（2） 光電倍增管可對微弱光線進(jìn)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。【檢測】對于任何一種金屬，必須滿足下列哪種條件，才能發(fā)生光電效應(yīng)（ ）A-入射光的強(qiáng)度大于某一極限強(qiáng)度 B-入射光的波長大于某一極限波長（1入射光照射時間大于某一極限時間 。.入射光的頻率大于某一極限頻率當(dāng)用綠光照射光電