人教版高中物理选择性必修三 第4章第2节光电效应教学设计第二课时

1、4.2光电效应第二课时教学设计课题 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。不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量

2、从而逸出表面，不应存在截止频率。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，频率为的光的能量子为h。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h后，一部分能量用来克服金属的逸出功

3、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hW0时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。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。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

4、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

5、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0相同的成分外，还有波长大于0的成分，这个现象称为康普顿效应( Comptons 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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=h知,光子能量E与其频率成正比,故D选项正确。答案：CD2、(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0相同的成分外,还有波长大于0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

11、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：AC3、(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 eVB.开关S断开后,没有电流流过电流表GC.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=h-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