高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应教案设计

光电效应

【教学目标】

一、知识与技能

1．通过实验了解光电效应的实验规律。

2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。

3．了解康普顿效应，了解光子的动量。

4．了解光既具有波动性，又具有粒子性。

二、过程与方法

经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。

三、情感、态度与价值观

领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【教学重点】

光电效应的实验规律。

【教学难点】

爱因斯坦光电效应方程以及意义。

【教学过程】

一、复习提问、新课导入

回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程。

光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。

二、新课教学

（一）光电效应的实验规律

1．光电效应

实验演示1：用弧光灯照射擦得很亮的锌板，（注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。上述实验说明了什么？（表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。）

概念：在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。

2．光电效应的实验规律

以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应。向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律。有什么规律呢？让我们进一步研究。

向学生介绍光电效应演示仪。在黑板上画一示意图，如图所示。S为抽成真空的光电管，C是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K上，金属板A和K组成一对电极与外部电路相连接。光源为白炽灯，在光源和石英窗口C之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节。

实验演示2：光电效应的规律

观察现象一：存在截止频率

当入射光频率减小到某一数值c时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。

c称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。

实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。

观察现象二：存在饱和电流

光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。

出示图象

理解：

频率不变，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。

观察现象三：存在截止电压

如果施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。

，可以理解为：光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。

同一种金属，截止电压只与光的频率有关。

光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的强弱无关。

观察现象四：光电效应具有瞬时性

即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。

更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10-9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。

对以上现象进行总结：

1．对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；

2．当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；

3．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；

4．入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒。

（二）光电效应经典解释中的疑难

逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。

按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。

光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。

光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。

一切都表明：无法用经典的波动理论来解释光电效应。

为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。

（三）爱因斯坦的光电效应理论

1．内容

光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν的光是由大量能量为E=hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。

2．爱因斯坦光电效应方程

在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：hν=Ek+W0。

W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。Wk为光电子的最大初动能。

3．爱因斯坦对光电效应的解释

①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。

②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。

③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系。

④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：νc=W0/h。

爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。

4．光电效应理论的验证

美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，ℎ的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。

由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。

密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。

（四）康普顿效应和光子的动量

1．光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

2．康普顿效应

1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。

经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。

3．康普顿效应的光量子理论解释

（1）若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。

（2）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。

（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。

4．康普顿散射实验的意义

（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。

（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。

（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。

康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。

（五）光的波粒二象性

我们知道光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。

而今天我们学习了光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。

说明光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。

【练习巩固】

1．在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时（   ）

A．锌板带正电，指针带负电

B．锌板带正电，指针带正电

C．锌板带负电，指针带正电

D．锌板带负电，指针带负电

答案：B

2．一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是（    ）

A．延长光照时间

B．增大光束的强度

C．换用红光照射

D．换用紫光照射

答案：D

3．关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是（    ）

A．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子

B．光是具有质量、能量和体积的物质微粒子

C．光子的能量跟它的频率成正比

D．光子客观并不存在，而是人为假设的

答案：B

4．能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6μm，则进入人眼的光子数至少为________个，恰能引起人眼的感觉。

答案：3

5．关于光电效应下述说法中正确的是（    ）

A．光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大

B．只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应

C．在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关

D．任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应

答案：D