高中2 光电效应第二课时教案设计
展开课题
光电效应(第二课时)
单元
4
学科
物理
年级
高二
学习
目标
物理观念:知道什么是光电效应理论。
科学思维:通过计算推导出光电效应理论。
科学探究: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。
科学态度与责任: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。
重点
光电效应理论的理解和应用
难点
光电效应理论的理解和应用
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
①光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压UC应与光的强弱有关。
②不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可获得足够能量从而逸出表面,不应存在截止频率。
③如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量,这个时间远远大于10 -9 S。
以上三个结论都与实验结果相矛盾的,所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。
那么以上实验结论应该如何解释?
回顾上节课所学习的光电效应规律。
和上节课留下的问题衔接。并引出新的内容。
讲授新课
一、爱因斯坦的光量子假设
爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发,他提出:
1.光子:
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。
2.爱因斯坦的光电效应方程
一个电子吸收一个光子的能量hν后,一部分能量用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek,即:
或
——光电子最大初动能
W0 ——金属的逸出功
3.光子说对光电效应的解释
①爱因斯坦方程表明,光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系,与光强无关。只有当hν>W0时,才有光电子逸出, 就是光电效应的截止频率。
②电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时发生的。
③光强较大时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子多,因而饱和电流大。
思考与讨论:爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能E与入射光的频率v的关系。但是,很难直接测量光电子的动能,容易测量的是截止电压U。那么,怎样得到截止电压U。与光的频率v和逸出功W0的关系呢?
利用光电子的初动能E = eUC。和爱因斯坦光电效应方程Ek= hv- W0,可以消去E,从而得到Uc与v、W0 的关系,即
对于确定的金属,其逸出功W0是确定的,电子电荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc 与光的频率v之间是线性关系,Uc-v图像是一条斜率为h/e的直线
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。
二、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
1918 ~ 1922年,美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与人射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应( Cmptn's effect )。
按照经典物理学的理论,人射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动,振动着的带电微粒进而再次产生电磁波,并向四周辐射,这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率,也就是人射X射线的频率。相应地,X射线的波长也不会在散射中发生变化。
因此,康普顿效应无法用经典物理学解释。
康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。他的基本思想是:光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量p与光的波长h和普朗克常量h有关。
三、光的波粒二象性
众所周知,在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动说被普遍接受,人们不再认为光是由粒子组成的。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明,光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。
动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的。
也就是说,光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。当然,此时人们对光的粒子性的认识,是以最新的实验和量子理论为基础的,已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同,其深度远远超出后者。人们意识到,光既具有波动性,又具有粒子性。换句话说,光具有波粒二象性( wave-particle dualism)。
从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说,到麦克斯韦的光的电磁理论,再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学,人类对光的认识构成了一部科学史诗。
课堂练习1、康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量。如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰后光子( )
A.可能沿1方向,且波长变短
B.可能沿2方向,且波长变短
C.可能沿1方向,且波长变长
D.可能沿3方向,且波长变长
解析:因光子与电子碰撞过程动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,可见碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分动量转移给电子,光子的动量减小,由 知,波长变长,故C项正确。
答案:C
明确光子的概念,并知道其能量的大小。
分析光电子的能量和逸出功之间的关系,总结出光电效应方程。
理解光子说对光电效应现象的解释。
小组讨论遏止电压与光子频率、逸出功之间的关系。
了解科学探索发展的过程。
了解经典物理学的局限性。
推导光子动量的表达式。
理解光的粒子性和波动性分别表现在哪些方面。
完成课堂练习。
结合能量守恒定律分析光电效应方程,培养学生应用能量守恒定律解决问题的科学思维方式。
以小组讨论的形式,总结得到遏止电压和频率、逸出功的关系。提高学生交流合作的能力。
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。
了解经典物理学的局限性,体会科学发展的艰辛。
让学生从粒子性和波动性理解光的波粒二象性。
拓展提高
1、(多选)下列对光子的认识,正确的是( )
A.光子说中的光子就是牛顿在微粒说中所说的微粒
B.光子说中的光子就是光电效应的光电子
C.在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子
D.光子的能量跟光的频率成正比
解析:根据光子说,在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力等束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确。由E=hν知,光子能量E与其频率ν成正比,故D选项正确。
答案:CD
2、(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应,以下说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光子具有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
解析:康普顿效应说明光具有粒子性,B项错误,A、C项正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D项错误。
答案:AC
3、(多选)如图所示的装置用来研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,改变滑动变阻器触头c的位置,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,则( )
A.光电管阴极的逸出功为1.8 eV
B.开关S断开后,没有电流流过电流表G
C.改用光子能量为1.5 eV的光照射,电流表G也有电流,但电流较小
D.光电子的最大初动能为0.7 eV
解析:该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,则知光电子的最大初动能为0.7 eV,根据光电效应方程Ek=hν-W0得,逸出功W0=1.8 eV,故A、D正确;当开关S断开后,用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,有光电子逸出,则有电流流过电流表,故B错误;改用光子能量为1.5 eV的光照射,由于光子的能量小于逸出功,所以不能发生光电效应,无光电流,故C错误。
答案:AD
完成拓展提高。
通过习题练习,总结本节知识,巩固知识掌握程度。
课堂小结
一、爱因斯坦的光量子假设
二、康普顿效应和光子的动量
三、光的波粒二象性
总结本节课知识。
课堂小结,帮助学生总计知识,形成知识框架。
板书
一、爱因斯坦的光量子假设
二、康普顿效应和光子的动量
三、光的波粒二象性
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