《2光的粒子性》教学设计(安徽省县级优课)-物理教案

一光电效应光子一．教学要求：l．理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾．

2．知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾．

3．理解光子说及其对光电效应的解释．

4．理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题．二、重点、难点分析1．光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点．2．难点是(1)对光的强度的理解，(2)发生光电效应时光电流的强度为什么跟光电子的最大初动能无关，只与入射光的强度成正比．

三、教具:锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪．四、教学过程

(一)引入光的波动理论学说能解释光的干涉衍射等，虽说取得了很大的成功，但并未达到十分完美的程度，光的有些现象波动说就遇到了很大的困难，如光电效应，今天我们就研究光电效应现象。(二)教学过程1．光电效应演示：将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面，用紫外线灯照射锌板．提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化？这一现象说明了什么问题？现象：验电器指针张开一个角度。结论：锌板带了电。用带正电的玻璃棒靠近验电器，张角变大，说明锌板带了正电。上述现象说明了什么？光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．（1）光电效应：在光照射下物体发射电子的现象，叫光电效应。（照射光可以是可见光，也可以是不可见光）．（2）光电子：发射出的电子叫光电子．2．光电效应的规律．改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应．这说明光电效应的发生是一定有条件的，是存在着一定规律，那么有什么规律呢？介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图1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．观察现象一：在没有光照射K时，电压表有示数，电流表没有示数，说明什么？AK之间有电场存在，没有光电子逸出，说明没有光照就不会发生光电效应．问题：要发生光电效应，是不是用任何频率的光线照射都行？是不是光的强度足够大就行弱光线不行？是不是只要有足够大的电压就行？观察现象二：保持AK间电压一定，灯泡亮度一定，在窗口C前依次放上红色、橙色、绿色滤光片，观察到红光照射金属板K时没有光电流，橙光和绿光照射时有光电流．用红光照射时增加入射光的亮度和增加电压都不发生光电效应．结论一：入射光线的频率大于等于该金属的极限频率υ0才能产生光电效应．观察现象三：（1）逐渐减小KA间的正向电压，直到电压为零时，电流表仍有示数，说明光电流依然存在．为什么KA间没有电场，仍然有光电流？——KA间没有电场仍有光电流说明光线照射金属板逸出的光电子具有一定的动能，一部分光电子可以到达极板A形成光电流．（2）如果在KA间加一反向电压，则光电流变小，增大反向电压，可使光电流刚好为零．在KA间加反向电压，光电子在电场中受力方向如何？电场力对光电子做正功还是负功？光电子克服电场力做功和它的动能变化关系如何呢？金属中的电子吸收光的能量获得动能，以一定的初动能飞出，不同的电子从金属中飞出时获得初动能不同，即存在最大初动能，因此随着反向电压增加，光电子需克服电场力做功越多，飞到A极的光电子就越少，当反向电压增加到某一值时，再无光电子飞到A极。说明此时有：eU=mvm2/2——最大初动能（3）此时若入射光的频率不变，增加入射光的强度，光电流仍为零，说明最大初动能与入射光的强度无关；若入射光的强度不变，增加入射光的频率，光电流立即不为零。——说明最大初动能增加。结论二：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率增大而增大．观察现象四：给光电管电极KA间加正向电场，以高于极限频率的光入射，保持电压不变，增加入射光的强度，发现光电流的强度增大．问题：入射光的强度大是什么意思？为什么它们之间有这样的关系？归纳：入射光频率不变时光的强度大是指每秒钟入射的光子数目较多，因此入射光的强度大，每秒钟飞向极板A的光电子数就多，到达极板A的电子电量总和也就多，所以光电流就越大．结论三：当入射光的频率大于极限频率时，保持频率不变，则光电流的强度与入射光的强度成正比．学生中可能存在的疑问：光电流的强度应该与入射光的频率有关．频率高，光电子的最大初动能大，光电子运动得快，光电流大．解释：如果入射光频率较高但强度不大，则说明每秒钟入射的光子数少．尽管每个光电子初动能较大，但每秒钟到达极板A的光电子电量总和不大，因而也就不能形成较强的光电流．结论四：根据前面的实验还可以发现，光线照射金属表面，光电子发射几乎是瞬时的．3．经典波动理论的困难经典波动理论无法解释上述结论的1、2、4，这说明经典理论的局限性，那么我们如何解释光电效应呢？4．光子说（1）普朗克量子论：（1990年德国物理学家普朗克在研究电磁辐射时发现）电子辐射的能量是不连续的，是一份一份的进行，每一份的能量是hv，其中v是辐射频率，h是普朗克恒量。h=6.63×10-34焦耳.秒（2）爱因斯坦的光子说：光的能量是不连续的，是一份一份的进行，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即E=hv每个光子的能量只决定于光的频率，如蓝光的频率比红光的频率高，蓝光光子的能量比红光光子的能量大。同频率的光，光的强弱决定于单位时间射到单位面积的光子数。（3）光子说解释光电效应：存在极限频率的原因：光子照到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子吸收，电子吸收光子后，能量增加，如果能量足够大，电子就能克服金属内正电荷对它的引力，离开金属表面，逃逸出来，成为光电子。不同金属内正电荷对电子的束缚程度不同，因此电子逃逸出来所做的功也不一样。如果光子的能量E小于使电子逃逸出来所需做的最小功W，那么无论光多么强，照射时间多么长，也就是说这种能量比较小的光子无论数目多么多，也不能使电子从金属中逃逸出来。光电效应瞬时性的原因：金属中的电子对光子的吸收是十分迅速的。5．爱因斯坦光电效应方程：不同金属内正电荷对电子的束缚程度不同，因此电子逃逸出来所做的功也不一样，我们把电子从金属表面逃逸出来至少要做的功叫逸出功。由能量守恒有：mvm2/2=hυ-Wmvm2/2为光电子最大初动能，hυ为入射光子能量，W为金属逸出功。对一定金属W一定，υ越大，mvm2/2越大若hυ0=Wυ0就是极限频率，υ0=W/h

若hυ0＜W不能产生光电效应。例1．见书p45例2．在演示光电效应的实验中，把某种金属板连在验电器上．第一次，用弧光灯直接照射金属板，验电器的指针张开一个角度．第二次，在弧光灯和金属板之间，插入一块普通的玻璃板，再用弧光灯照射，验电器指针不张开．由此可以判定，使金属板产生光电效应的是弧光中的[]A．可见光成分．B．紫外光成分．C．红外光成分．D．无线电波成分．分析用弧光灯直接照射金属板，金属板逸出光电子后带正电，使验电器的指针张开．插入普通玻璃板后，因为玻璃板能吸收紫外线，而可见光依然能通过玻璃板照到金属板上，验电器指针不张开，所以，可以判定，使金属板产生光电效应的是弧光中的紫外线成分．答：B．例3：已知一光电管阴极的极限频率为ν0．现将频率ν大于ν0的光照射在阴极上，如图所示．则[]A．照射在阴极上的光的强度愈大，单位时间内产生的光电子数目也愈多．B．加在AK间的正向电压愈大，通过光电管的光电流饱和值也愈大．C．为了阻止光电子到达A，必须在AK间加一足够高的反向电压．D．阴极材料的逸出功等于hν0．分析已知阴极的极限频率为ν0，由逸出功的定义得阴极材料的逸出功W=hν0，与入射光的频率及是否光照无关，D正确．当入射光频率ν＞ν0时，阴极能发射光电子．入射光强度愈大，表示每秒内到达光阴极每单位面积上的入射光子数愈多．根据光电效应中光电子与入射光子的对应关系，阴极表面单位时间内产生的光电子数也愈多，A正确．在一定光强度的入射光照射下，如果每秒从阴极发射的光电子已全部被阳极板吸去，这时通过光电管的电流达到饱和值．显然，即使再增大正向电压，电流值也不会再增大了．B错．(这时只有再增加入射光强，光电流才会增大)，在阳极A与阴极K之间加上足够高的反向电压，可使电子具有的初动能不足以克服电场力做功到达阳极，无法产生光电效应．C正确．答A、C、D．例4．小灯泡的发光功率P=1W，所发出光的平均波长λ=6×10-7m．设灯光向四周的辐射是均匀的，则在离小灯R=10km处，在垂直于光线的1cm2的面积上1s内接收到的光子数