高二物理光的粒子性

愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)和康普頓效應(yīng)第2課時(shí)17.1科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能：1．通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2．知道愛(ài)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(dòng)量過(guò)程與方法：經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)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(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)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)】1、重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、難點(diǎn)：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義1.什么是光電效應(yīng)

當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，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。知識(shí)回顧：一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電子定向移動(dòng)形成的電流叫光電流一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）存在飽和電流光照不變，增大UAK，G表中電流達(dá)到某一值后不再增大，即達(dá)到飽和值。因?yàn)楣庹諚l件一定時(shí)，K發(fā)射的電子數(shù)目一定。實(shí)驗(yàn)表明：入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。陽(yáng)極陰極：使光電流減小到零的反向電壓－++++++

一一一一一一v加反向電壓，如右圖所示：光電子所受電場(chǎng)力方向與光電子速度方向相反，光電子作減速運(yùn)動(dòng)。若最大的初動(dòng)能U=0時(shí)，I≠0，因?yàn)殡娮佑谐跛俣葎tI=0，式中UC為遏止電壓一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(2)存在遏止電壓和截止頻率a.存在遏止電壓UCEEUFKA經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)：一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律b.存在截止頻率c對(duì)于每種金屬，都相應(yīng)確定的截止頻率c。

當(dāng)入射光頻率

>c

時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率

<c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。(2)存在遏止電壓和截止頻率陽(yáng)極陰極實(shí)驗(yàn)結(jié)果：即使入射光的強(qiáng)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(guò)的時(shí)間不超過(guò)10－9秒（這個(gè)現(xiàn)象一般稱作“光電子的瞬時(shí)發(fā)射”）。光電效應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)完成一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(3)具有瞬時(shí)性陽(yáng)極陰極勒納德等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9秒.

一.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來(lái)被稱為光子。愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)愛(ài)因斯坦從普朗克的能量子說(shuō)中得到了啟發(fā)，他提出：三.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)2.愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程1.光子：或——光電子最大初動(dòng)能

——金屬的逸出功

W0一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量hν后，一部分能量用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek，即：三.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)3.光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋①愛(ài)因斯坦方程表明，光電子的初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。只有當(dāng)hν>W0時(shí)，才有光電子逸出，就是光電效應(yīng)的截止頻率。②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。③光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大。三.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)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(jiǎng)。

愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證

美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)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。三.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)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(jiǎng)。思考與討論？課本P33放大器控制機(jī)構(gòu)

可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。四.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對(duì)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。2.光電倍增管應(yīng)用光電管光電源電流計(jì)IAK1.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(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)

和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。五.康普頓效應(yīng)3.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體

光闌X射線管探測(cè)器X射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)五.康普頓效應(yīng)康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X射線的散射

按經(jīng)典電磁理論：

如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！五.康普頓效應(yīng)練習(xí)課本例題P36分析由上面討論結(jié)果可得：

對(duì)于一定金屬，逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。所以遏止電壓UC與光的頻率ν之間是線性關(guān)系即：Uc—ν圖象是一條斜率為的直線練習(xí)課本例題P36分析由上面討論結(jié)果可得：遏止電壓Uc與光電子的最大初動(dòng)能Ek有關(guān)Ek越大，Uc越高；Uc為零，Ek為零，即沒(méi)有光電子所以與遏止電壓Uc=0對(duì)應(yīng)的頻率應(yīng)該是截止頻率νc由以上分析可知：根據(jù)數(shù)據(jù)作Uc—ν圖象即可求得遏止電壓Uc=0對(duì)應(yīng)的頻率就是截止頻率νcUc—ν圖象是一條斜率為的直線2.如圖17.2-1所示，用導(dǎo)線將驗(yàn)電器與潔凈鋅板連接，觸摸鋅板使驗(yàn)電器指示歸零，用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，接著用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒接觸鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針張角減小，此現(xiàn)象說(shuō)明鋅板帶_____電（選填“正”或“負(fù)”）;若改用紅外線重復(fù)以上實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針根本不會(huì)偏轉(zhuǎn),說(shuō)明金屬鋅的極限頻率_________紅外線的頻率（選填“大于”或“小于”）。正大于1.經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，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。②無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角關(guān)系。2.光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋二.康普頓效應(yīng)解釋中的疑難①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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。

②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)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(zhǎng)不變。

③因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。1.有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子”假設(shè)；2.首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)；3.證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家19271925—1926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，4.吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。在同一散射角()測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977）吳有訓(xùn)三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義四.光子的動(dòng)量動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的光的粒子性一、光電效應(yīng)的基本規(guī)律小結(jié)1.光電效應(yīng)現(xiàn)象2.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律①對(duì)于任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率就不能發(fā)生光電效應(yīng)；②當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比；③光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大；④入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過(guò)10-9秒.

（3）光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋（2）愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程三、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程（1）光子：二、光電效應(yīng)解釋中的疑難1.在演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，原來(lái)不帶電的一塊鋅板與靈敏驗(yàn)電器相連，用弧光燈照射鋅板時(shí)，驗(yàn)電器的指針就張開(kāi)一個(gè)角度，如圖所示，這時(shí)()A.鋅板帶正電，指針帶負(fù)電B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負(fù)電，指針帶正電D.鋅板帶負(fù)電，指針帶負(fù)電B練習(xí)2.一束黃光照射某金屬表面時(shí)，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(zhǎng)光照時(shí)間B.增大光束的強(qiáng)度C.換用紅光照射D.換用紫光照射D練習(xí)3.關(guān)于光子說(shuō)的基本內(nèi)容有以下幾點(diǎn)，不正確的是()A.在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子B.光是具有質(zhì)量、能量和體積的物質(zhì)微粒子C.光子的能量跟它的頻率成正比D.光子客觀并不存在，而是人為假設(shè)的練習(xí)B4.關(guān)于光電效應(yīng)下述說(shuō)法中正確的是()A.光電子的最大初動(dòng)能隨著入射光的強(qiáng)度增大而增大B.只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，就一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)C.在光電效應(yīng)中，飽和光電流的大小與入射光的頻率無(wú)關(guān)D.任何一種金屬都有一個(gè)極限頻率，低于這個(gè)頻率的光不能發(fā)生光電效應(yīng)練習(xí)D練習(xí)1、在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，哪種顏色光的光子能量最大？想想看，這種光是否一定最亮？為什么？在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，紫光的光子能量最大，因?yàn)槠漕l率最高。紫光不是最亮的。一為光強(qiáng)，因?yàn)楣獾牧?/p>