1、172科学的转折光的粒子性教案新人教版选修35docx物理：17.2科学的转折：光的粒子性教案三维教学目标1、 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2、 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。3、 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方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具
2、：投影片，多媒体辅助教学设备教学过程：第一节科学的转折：光的粒子性（一） 引入新课回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？（多媒体投影，见课件。）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 现象一光电效应现象。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） 进行新课1、光电效应实验演示1：（课件辅助讲述）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
3、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（1） 光电效应实验如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出一一光电子。光电子在电场作用下 形成光电流。概念：遏止电压，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。 当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。 Uc称遏止电压。根据动能定理，有：丄叫匕2 =eu
4、（2） 光电效应实验规律21光电流与光强的关系：饱和光电流强度与入射光强度成正比。2截止频率V。极限频率，对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率V。， 当入射光频率Vv时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率VV。时，无论光强多大 也无电子逸出金属表面。3光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间102。：光电效应伏安特性曲线3、 光电效应解释中的疑难经典理论无法解释光电效应的实验结果。经典理论认为，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
5、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。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。4、 爱因斯坦的光量子假设(1)内容光不仅在发射和吸收时以能量为hv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v的光是由大量能量为E=hv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
6、。(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 分变为光电了逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出:hv = Ek+W0W。为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。呱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：匕=匹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
7、。5、 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 因斯坦光电效应方程，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。6、 展示演示文稿资料：爱因斯坦和密立根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。点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放 教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。光电效应在近代技术中的应用
8、(1)光控继电器可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。姿気机杓(2)光电倍增管可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。7、康普顿效应(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。(3)康普顿散射的实验装置与规律：按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！散
9、 射中出现的现象，称为康普顿散射。康普顿散射曲线的特点：1除原波长入外出现了移向长波方向的新的散射波长22新波长2随散射角的增大而增大。波长的偏移为A2 = 2 -20波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长；I。无关，A2 = 2-20 =2c(l-cos) = 0. 0241A=2. 41 X 10_3nm (实验值)称为电子的Compton波长只有当入射波长2与人可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能 观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。(4)经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难1根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振
10、动，其频率 等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。2无法解释波长改变和散射角的关系。(5)光子理论对康普顿效应的解释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。(6)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；证实了在微观世界的单个碰撞事件 中，动量
11、和能量守恒定律仍然是成立的。(7)光子的能量和动量说明：动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用来描述波的E = me E = hvh vm =c hv hv h：.P = mc=z-*c= = c2 c a展示演示文稿资料：康普顿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。展示演示文稿资料：吴有训对研究康普顿效应的贡 献1923年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作.19251926年，吴有训用银的X射线(2o=5. 62nm)为入射线
12、，以15种轻重不同的元 素为散射物质，在同一散射角( =120。)测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散 射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放 教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。课后练习1、 光照射到金属表面上，能使金属中的 从表面逸出，这种现象称之为 ,逸出的电子也叫 ，使电子脱离金属表面所做的功的最小值叫3、爱因斯坦认为，在光电效应中，金属中的电了吸收一个频率为v的光了获得的能量是 ,这些能量中的一部分用来克服金属的 ,剩下的表现为逸出的光电子的 ,用公式表示为 ,这就是著名
13、的爱因斯坦光电效应方程。4、 光在介质中与物质微粒相互作用，因而 发生改变，这种现象叫光的 。美国物理学家 在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X 射线中，除了与入射波长相同的成份外，还有波长 入射波长的成份，这个现象称 为康普顿效应。5、 根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程E=mc 和光子能量e =hv,每个光子的质量是D.由强度大的紫外线所照射的金属，单位时间内产生的光电了数目一定多10、 用某一频率的绿光照射某金属时恰好能产生光电效应，则改用强度相同的蓝光和紫光分别照射该金属，下列说法正确的是（ ）A.用蓝光照射时，光电子的最大初动能比用紫光照射时小B.用蓝光和紫光照射时，在相同时间
14、内逸出的电子数相同C.用蓝光照射时，在同样时间内逸出的电子数目较多D.用紫光照射时，在同样时间内逸出的电子数目较多11、 关于光电效应的说法中，正确的有（ ）A.要使光电效应发生，入射光子的能量必须大于原子的电离能B.极限频率的存在，可以表明电子对光子的吸收是一对一的C.增大入射光子的能量，光电子的最大初动能必随着增大D.电子对光子的吸收不存在能量的积累过程12、 已知艳的极限频率为4. 55X10mHz,钠的极限频率为6. 00X10%,银的极限频率为1. 15X1015Hz,钳的极限频率为1.53X1015Hz,当用波长为0. 375 u m的光照射它们时,可发生光 电效应的是（ ）A.与
15、色 B.钠 C.银 D.钳13、 某种金属的逸出功是1.25eV,为了使它发生光电效应，照射光的频率至少应为多少？ 或用可见光照射它，能否发生光电效应？14、 某金属在一束黄光照射下，刚好有电子逸出（即用频率小于黄光的光照射就没有电子逸 出）。在下述情况下，电子的最大初动能及逸出的电子数目会发生什么变化？（1）增大光强 而不改变光的频率；（2）用一束强度更大的红光代替黄光；（3）用强度相同的紫光代替黄光。1、电了，光电效应，光电了，逸出功，粒了 2,干涉，衍射，能量了，光了，光了 3h vh v ,逸出功，初动能，h v =W+Ek 4、传播方向，散射，康普顿，大于 5、 , me,ch v，粒子 6、B 7、D 8、BD 9、CD 10、AB 11、AC 12、AB 13、3X10Hz,c可以 14、（1）最大初动能不变，光电子数目增加（2）无光电子逸出（3）最大初动能增大，光电了数目不变
