光的波動性和粒子性

光的波動性和粒子性教學(xué)目標(biāo)1．讓學(xué)生了解電磁波譜和光譜的種類及其應(yīng)用．2．讓學(xué)生知道光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件和規(guī)律；了解電子說：滲透辯證唯物主義的觀點和方法．教學(xué)重點、難點分析對光電效應(yīng)四條基本規(guī)律的理解及對光電效應(yīng)現(xiàn)象的解釋．教學(xué)過程設(shè)計教師活動前面我們已經(jīng)復(fù)習(xí)了光的干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象．光可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象說明了什么呢？學(xué)生活動說明光具有波動性．我們在學(xué)習(xí)機械波時，知道機械波也能發(fā)生干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象．結(jié)合上述兩種情況我們能得出什么樣的結(jié)論呢？干涉現(xiàn)象和衍射現(xiàn)象是波特有的現(xiàn)象．如果我們使用某種方法使電子也能產(chǎn)生衍射圖樣，那么我們對電子的行為如何認(rèn)識呢？電子一定具有波動性．很好！請同學(xué)們看一看閱讀教材．既然光是一種波，那么光波是屬于機械波還是屬于電磁波？還是獨立于機械波、電磁波的另一種波？你們要是科學(xué)家對這個問題如何分析？光肯定不是機械波，因為機械波的產(chǎn)生不但要有波源而且還需要介質(zhì)，光可以在真空中傳播不需要介質(zhì)，因此光不是機械波，所以光不是電磁波，就是一種另外形式的波．現(xiàn)在人們對光波是怎樣認(rèn)識的呢？光是一種電磁波．這個觀點是誰提出來的？麥克斯韋．由誰用實驗證實的？赫茲．我們知道，電磁波是一個大的家庭，它都有哪些成員呢？無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線、γ射線．這些成員合起來就構(gòu)成了電磁波譜．投影（電磁波譜如圖4-4-1．）我們這個世界五彩繽紛，都是由于有可見光，但是，可見光在電磁波譜中只是一個很窄的波段．我們觀察電磁波譜，能得到什么結(jié)論？由左至右，頻率越來越大，波長越來越短．在電磁波譜中，各種電磁波的性質(zhì)不同，因而它們就具有不同的用途，在前面的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了關(guān)于無線電波、微波的有關(guān)知識．下面我們從紅外線開始復(fù)習(xí)．紅外線的主要特點是什么？紅外線主要特點是熱效應(yīng)，一切物體都在不停地輻射紅外線，并且不同的物體輻射紅外線的波長和強度不同．紅外線的主要用途是什么？（1）利用紅外線的熱效應(yīng)對物體進(jìn)行烘干．什么是吸收光譜？吸收光譜是一束具有連續(xù)波長的光通過物質(zhì)時，某些波長的光被吸收后產(chǎn)生的光譜．這種光譜是以連續(xù)光譜為背景，其中有暗線、暗帶或暗區(qū)．不同物質(zhì)產(chǎn)生的吸收光譜不同．吸收光譜中的暗線是否可以叫做特征譜線？可以．兩條明線和兩條暗線相對應(yīng)．教師展示掛圖，讓學(xué)生觀察鈉的發(fā)射光譜和吸收光譜．教師展示鈉的吸收光譜和太陽光譜．教師說明：太陽光譜是太陽內(nèi)部發(fā)出的強光經(jīng)過溫度比較低的太陽大氣層時產(chǎn)生的吸收光譜．太陽大氣層中有鈉嗎？有．教師布置讓學(xué)生將這部分書認(rèn)真閱讀．前面我們復(fù)習(xí)了光的電磁說，它很好地解釋了光的干涉、衍射現(xiàn)象，但是，光的電磁說并不能成功地說明光的所有現(xiàn)象．例如光電效應(yīng)現(xiàn)象．實驗裝置（圖4-4-2）敘述實驗現(xiàn)象：用弧光燈照射鋅板，驗電器就張開一個角度，說明鋅板帶了電，進(jìn)一步檢查知道鋅板帶的是正電．這說明在弧光燈的照射下，鋅板中有一部分電子從表面飛了出去，鋅板缺少了電子，于是帶正電．這種在光的照射下從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，發(fā)出來的電子叫做光電子．光電效應(yīng)現(xiàn)象的四點結(jié)論是什么？（1）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，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；低于這個頻率的光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)．（2）光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大．（3）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10-9S．（4）當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度與入射光的強度成正比．光的電磁說不能解釋前三條實驗結(jié)論．第一：按照光的電磁說，光是電磁波，是變化的電場與變化的磁場的傳播．入射光照射到金屬上時，金屬中的自由電子受變化電場的驅(qū)動力作用而做受迫振動，增大入射光的強度，光波的振幅增大，當(dāng)電子做受迫振動的振幅足夠大時，總可掙脫金屬束縛而逸出，成為光電子，不應(yīng)存在極限頻率．第二：按照光的電磁說，光的強度應(yīng)由光波的振幅決定，因此光電子的最大初動能應(yīng)與入射光的強度有關(guān)．第三：按照光的電磁說，光電子的產(chǎn)生需要較長的時間而不是瞬間．光電磁說與光電效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生了尖銳的矛盾．是誰最終成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象？愛因斯坦．愛因斯坦是怎樣解釋的？愛因斯坦在普朗克關(guān)于電磁波的發(fā)射和吸收是不連續(xù)的而是一份一份地進(jìn)行的學(xué)說啟發(fā)下提出了光子說．光子說認(rèn)為：在空間傳播的光也是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量跟它的頻率成正比，即E=hv，h是普朗克常數(shù)．光子的能量只與光的頻率有關(guān)，金屬中的電子吸收的光子的頻率越大，電子獲得的能量也就越多，當(dāng)能量足以使電子擺脫金屬束縛時就能從金屬表面逸出，成為光電子．因而存在一個能使電子獲得足夠能量的頻率，即極限頻率．上述解釋同樣能解釋光電效應(yīng)第二條結(jié)論．電子吸收了光子后，動能立刻就增加了，不需要能量的積累過程，因此光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的．解釋得很好，至于第四條結(jié)論怎樣解釋請同學(xué)們課后思考，可閱讀教材．我們在復(fù)習(xí)電磁波譜時知道，光的頻率越大，其對物體的穿透本領(lǐng)就越強，這是為什么？按照愛因斯坦的光子說，光的頻率越大，組成這種光的光子能量也就越大，當(dāng)然對物體的穿透本領(lǐng)也就越強了．通過上邊的復(fù)習(xí)我們知道，光既有波動性，又有粒子性，人們無法只用其中一種來說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性，請同學(xué)們閱讀光的波粒二象性一節(jié)．請同學(xué)們自己復(fù)習(xí)光電管并閱讀愛因斯坦光電效應(yīng)方程部分．同步練習(xí)一、選擇題1．紅、橙、黃、綠四種單色光子，光子能量最小的是[]A．紅光B．橙光C．黃光D．綠光2．太陽光譜中有許多暗線，它們是對應(yīng)著某些元素的特征譜線，產(chǎn)生這些暗線是由于[]A．太陽表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素B．太陽內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素C．太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素D．太陽內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素3．用綠光照射一光電管，能產(chǎn)生光電效應(yīng)，欲使光電子從陰極射出時的最大初動能增大，應(yīng)[]A．改用紅光照射B．增大綠光的強度C．增大光電管的加速電壓D．改用紫光照射4．在演示光電效應(yīng)的實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照射鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖4-4-3所示，這時[]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5．設(shè)λ1、λ2是兩種單色光1、2在真空中的波長，若λ1＞λ2，則這兩種單色光線相比[]A．單色光1的頻率較小B．玻璃對單色光1的折射率較大C．在玻璃中，單色光1的傳播速度較大D．單色光1的光子能量較大6．兩種單色光A、B分別由垂直水平方向從水面射向水底，它們經(jīng)歷的時間tA＞tB，下列判斷正確的是[]A．A色光的波長比B色光的波長大B．A色光的波長比B色光的波長小C．A色光的光子能量比B色光的光子能量大D．A色光的光子能量比B色光的光子能量小二、計算題7．一單色光照在金屬鈉的表面上時有光電子射出，當(dāng)所加反向電壓為3V時，光電流恰好為零，已知鈉的極限頻率為5000Hz，求：該單色光的頻率．8．有一功率為500W的紅外線電熱器，如果它輻射的紅外線的頻率為3.0×1014Hz，求：（1）每秒發(fā)出的