教科版高中物理选修(3-5)第2节《光电效应与光的量子性》学案

1、最新教科版高中物理选修（3-5 ）第 2 节光电效应与光的量子性学案课前自主学习：一、光电效应、光的波动说的困难1定义：光照射在金属表面上时, 金属中的电子因吸收光的能量而逸出金属表面的现象2光电效应的特征(1) 任何金属均存在截止频率 ( 极限频率 ), 只有 _截止频率 , 才能引起光电效应(2) 发生光电效应时 , 光电流的大小由 _决定 ,_ 越大 , 光电流越大(3) 光电子的最大初动能与入射光的频率成_关系(4) 光电效应具有瞬时性 , 发生时间不超过 10 9 s.3光的波动说无法解释光电效应现象二、光量子概念的提出、光电效应方程1光子说：爱因斯坦提出 , 在空间传播的光不是连续

2、的 , 而是一份一份的 , 每一份叫做一个光量子 , 简称 _2光子的能量 h , 其中 指光的 _光电效应显示了光的_3光电效应方程：_4光的量子说能很好地解释光电效应现象教学目标1通过对实验现象的观察, 认识光电效应现象, 知道光电效应的实验规律。2通过自主学习、讨论交流, 理解爱因斯坦光电效应方程以及意义。3通过对比分析知道光子的概念和能量、动量4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。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设计思想：教学方法教师启发、引导, 学生讨论、交流。教学资源：投影片 , 多媒体辅助教学设

3、备教学设计：课本中先介绍光电效应现象, 再学习光子说, 最后用光子说解释光电效应现象产生的原因。本节内容说明光具有粒子性, 从而引出量子论的基本知识。光电效应有如下特点：光电效应在极短的时间内完成；入射光的频率大于金属的极限频率才会发生光电效应现象；在已经发生光电效应的条件下, 逸出的光电子的数量跟入射光的强度成正比；在已经发生光电效应的条件下, 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大。对于光电效应现象先要求学生记住光电效应的实验现象, 然后运用光子说去解释它, 这样可以加深学生的理解。学生应该会根据逸出功求发生光电效应的极限频率, 可以运用爱因斯坦光电效应方程进行简单计算。1 / 9引入

4、新课问题 1：人类对光的本性的认识的发展经历了哪些主要过程？（多媒体投影, 见课件。）学生阅读教材、思考, 并回答。小结：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。新课教学学习活动一认识光电效应实验演示（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）, 使验电器张角增大到约为30 度

5、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。学生：认真观察实验。问题：上述实验说明了什么？学生：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。学习活动二：光电效应的实验规律光电 效应实验（有 条件可以 做 , 没有 条件可以用多 媒体播放）：如图所示 , 光线经石英窗照在阴极上, 便有电子逸出-光电子。光电子在电场作用下形成光电流。问题 1：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

6、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1 me vc2eU c22 / 9问题 2：光电效应实验规律是什么？ 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。 截止频率 c -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 c 。当入射光频率 c 时 , 电子才能逸出金属表面；当入射光频率 c 时 , 无论光强多大也无电子逸出金属表面。 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10-9 s。学习活动三光电效应解释中的疑难问题：光电效应现象与经典理论之间产生了什么矛盾？学生阅读教材：小结：经典理论无法解释光电效应的

7、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

8、出了光量子假设。学习活动四：爱因斯坦的光量子假设问题 1：爱因斯坦的光量子说内容是什么？（ 1）内容光不仅在发射和吸收时以能量为h 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 的光是由大量能量为E =h 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：hEkW0W0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。问题 2：爱因斯坦的光子说是如何光电效应进行解释？3 / 9光强大 , 光子

9、数多 , 释放的光电子也多, 所以光电流也大。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。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从光电效应方程中, 当初动能为零时 , 可得极限频率：cW0h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。例 1锌的逸出功为 5.35 10 -19J, 用下列频率的光照射锌板时, 能使锌版发生光电效应的是（）A5.8 10 14Hz 的绿光B5.0 10 14Hz 的黄光C7.5 10 14Hz 的紫光D9.2 10 14Hz 的紫外线例 2使金属钠产生光电效应的光的最大波长是

10、0.5 m,求：（1）金属钠的逸出功；（2）现用频率在 3.9 10 14Hz 到 7.5 10 14Hz 范围内的光照射钠, 能产生光电效应的频率范围是多少？问题 3：那些理论或实验对光电效应理论进行了验证？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。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 1

11、923 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。例 1.(2011 年高考广东理综卷 ) 光电效应实验中 , 下列表述正确的是 ()A光照时间越长光电流越大B入射光足够强就可以有光电流C遏止电压与入射光的频率有关D入射光频率大于极限频率才能产生光电子解析： 在光电效应中 , 若照射光的频率小于极限频率 , 无论光照时间多长 , 光照强度多大 , 都无光电流 , 当照射光的频率大于极限频率时 , 立刻有光电子产生 , 时间间隔很小 , 故 A、 B 错误,D 正

12、确由 eU 0 Ek, Ek h W, 可知 U ( h W)/ e, 即遏止电压与入射光频率 有关【答案】CD变式训练1下列光子说解释光电效应规律的说法中, 正确的有 ()4 / 9A存在极限频率是因为各种金属都有一定的逸出功B光的频率越高, 电子得到光子的能量越大, 逸出后飞离金属的最大初动能越大C电子吸收光子的能量后动能立即增加, 成为光电子不需要时间D光的强度越大, 单位时间内入射光子数越多, 光电子数越多 , 光电流越大解析： 选 ABD.由于各种金属都有一定的逸出功, 因此光照射金属时电子不一定逸出, 所以存在极限频率 ,A 选项正确；光的频率越高, 电子得到的光子的能量越大, 克

13、服逸出功后飞离金属的最大初动能越大,B 选项正确；电子吸收光子的能量后不一定逸出, 也不一定成为光电子 ,C 选项错误；产生光电效应后 , 光的强度越大 , 产生光电效应的电子越多 , 逸出的光电子也就越多 , 光电流也就越大 ,D 选项正确例 2. 在做光电效应的实验时, 某金属被光照射发生了光电效应 , 实验测得光电子的最大初动能Ek 与入射光的频率的关系如图所示, 由实验图线可求出()A该金属的极限频率和极限波长B普朗克常量C该金属的逸出功D单位时间内逸出的光电子数【思路点拨】由题目可知光电子的最大初动能与入射光频率之间的关系图像, 解答本题可先由光电效应方程写出最大初动能与入射光频率的

14、关系式, 再明确图像的斜率、截距等的物理意义 , 进而分析判断【解答】依据光电效应方程Ekh W可知 , 当 Ek0 时 , 0, 即图像中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率图线的斜率k tan . 可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量据图像, 假设图线的延长线与 Ek 轴的交点为C, 其截距为W, 有 tan W/ 0. 而 tan h, 所以 W h 0. 即图像中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功【答案】ABC变式训练2用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应, 可得到光电子的最大初动能Ek 随入射光频率 变化的 Ek 图像已知钨的逸出功是3.28 eV, 锌的逸出功

15、是3.34 eV,若将二者的图线画在同一个坐标图中, 以实线表示钨, 虚线表示锌 , 如图所示 ,能正确反映这一过程的图像是()5 / 9解析： 选 A. 根据光电效应方程k 可知k 图像的斜率为普朗克常量h, 因此图E hWE中两线应平行 ,C 、 D 错；图线与横轴的交点表示恰能发生光电效应( 光电子动能为零 ) 时的入射光频率即极限频率由光电效应方程可知, 逸出功越大的金属对应的入射光的频率越高,所以能使金属锌发生光电效应的极限频率较高所以A 对 ,B 错问题 4：光电效应在近代技术中的应用有哪些？（ 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。（ 2）光电倍增管可

16、对微弱光线进行放大 ,58可使光电流放大10 10 倍 , 灵敏度高 , 用在工程、天文、科研、军事等方面。【针对训练】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, 验电器指针张开一个角度, 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2、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应, 则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（）A. 增大入射光的强度B. 增加光的照射时间C. 改用黄光照射D. 改用紫光照射3、某种频率的光射到金属表面上时 , 金属表面有电子逸出 , 若光

17、的频率不变而强度减弱 , 那么下述结论中正确的是A光的强度减弱到某一数值时, 就没有电子逸出B逸出的电子数一定减少C逸出的电子数有可能增加D逸出的电子数有可能不变4、下列关于光电效应的说法正确的是（）A光电子的动能随照射光频率的增大而增大6 / 9B光电子的初速度与照射光的频率成正比C光电子的最大初动能与照射光的频率成正比D光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大5、用绿光照射一光电管能产生光电效应, 欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大应（）A改用红光照射B增大绿光的强度C增大光电管上的加速电压D改用紫光照射6、波长为 0.17 m的紫外线照射至金属筒上能使其发射光电子, 光电子在磁感强

18、度为 B的匀强磁场中 , 做最大半径为 r 的匀速圆周运动时, 已知 r B=5.6 10- 6Tm, 光电子质量=9.1 10-31Kg, 电量e=1.6 10-19C, 求：m(1) 每个光电子的最大初动能；(2) 金属筒的逸出功参考答案： 1.B 2.D 3.B 4.D 5.D 6.(1)4.41 10-19J(2)7.3 10-19J【课后检测】1用光照射金属表面, 没有发射光电子, 这可能是 ()A入射光强度太小B照射的时间太短C光的波长太短D光的频率太低2光照射到某金属表面, 金属表面有光电子逸出, 则 ()A若入射光的频率增加, 光的强度减弱, 那么逸出电子的最大初动能可能不变B

19、若入射光的频率不变, 光的强度减弱, 那么单位时间内逸出电子数目减少C若入射光的频率不变, 光的强度减弱到不为零的某一数值时, 可能不再有电子逸出D若入射光的频率增加, 而强度不变 , 那么单位时间内逸出电子数目不变, 而光电子的最大初动能增大3用导线把验电器与锌板相连接, 当用紫外线照射锌板时, 发生的现象是（）A有电了从锌板飞出B有光子从锌板飞出C验电器内的金属箔带正电D 验电器内的金属箔带负电4某介质中光子的能量是E, 波长是 , 则此介质的折射率是（）A E/hB E/chC ch/ ED h/ E5如图所示 , 用一束光照射光电管时, 电流表 A 中有一定读数 , 下列措施中有可能使

20、电流表的示数增大的是（）A增大入射光的频率B增大入射光的强度C滑片 P 向右移动D滑片 P 向左移动6如图所示 ,a 、 b 是两束频率不同的单色光, 当它们从真空中以相同的入射角射入玻璃中, 发生了如图所示的折射, 则下面说法中正确的是（）A玻璃对光束a 的折射率大B若光从玻璃射向空气, 光束 a 的临界角比光束b 的临界角大C光束 a 中的光子的能量较小D在玻璃中光束a 的波长较长7光电管是一种把信号转换成信号的器件 , 它常用于自动化装置及、等技术装置里。8某单色光源的输出功率1W,单色光的波长为0.6 m,该光源每秒钟发射的光子数约为7 / 9个。（保留两位有效数字）9甲、乙两种单色光

21、分别垂直进入同一块玻璃砖, 已知它们在玻璃中通过的时间t甲 t乙 ,那么这两种单色光光子在玻璃中的能量E甲 、 E乙 的大小关系是,这两种单色光子在真空中能量E甲 、 E乙 的大小关系是。10钠在紫光照射下, 产生光电效应并形成光电流, 若减小紫光的强度, 则随之减小的物理量是（）A光电流强度B光电子的最大初动能C紫光光子的能量D钠的极限频率11用绿光照射一光电管的阴极时, 产生光电效应 , 欲使光子从阴极逸出时的最大初动能增大, 应采取的措施是（）A 改用红光照射B改用紫光照射C增大绿光的强度D增大加在光电管上的正向电压12某金属在一束绿光照射下, 刚好能产生光电效应, 如多用一束绿光照射,

22、 则逸出的光电子数将,逸出电子的最大初动能将；如改用一束强度相同的紫光照射, 逸出的电子的最大初动能将。13甲、乙两种单色光分别照射某金属, 用甲光照射时能产生光电效应, 用乙光照射时不能产生光电效应 , 则（）A 甲光的强度大于乙光的强度B甲光的频度大于乙光的频率C甲光的波长大于乙光的波长D甲光的照射时间大于乙光的照射时间14关于光子的能量 , 下述说法中正确的是（）A光子的能量跟它在真空中的波长成正比B光子的能量跟它在真空中的波长成反比C光子的能量跟光子的速度成正比D光子的能量跟光子的速度的平方成正比15在利用光电管做光电效应的实验中, 能否产生光电效应应由决定 , 光电流强度的最大值由决定。16如图所示 , 一静电计与锌板连接, 用一紫外线灯照射锌板 , 关灯后 , 指针保持一定