1、 2 2 光的粒子性（光的粒子性（1 1）1.知道光电效应现象和光电子的概念。知道光电效应现象和光电子的概念。2.了解光电效应产生的条件。了解光电效应产生的条件。3.了解爱因斯坦的光子说。了解爱因斯坦的光子说。4.了解饱和电流、遏止电压和截止频率，理解光电效应的规律了解饱和电流、遏止电压和截止频率，理解光电效应的规律5.理解爱因斯坦光电效应方程，会用光电效应方程解决简单问题。理解爱因斯坦光电效应方程，会用光电效应方程解决简单问题。学 习 目 标 首先通过物理学史，引入新课内容光的粒子性。通过光电效应实首先通过物理学史，引入新课内容光的粒子性。通过光电效应实验，得出光电效应的概念，接着通过视频，
2、观察光电效应实验的规律，和验，得出光电效应的概念，接着通过视频，观察光电效应实验的规律，和学生共同总结出光电效应实验的三条规律。又通过学生共同总结出光电效应实验的三条规律。又通过“无法用经典的波动理无法用经典的波动理论来解释光电效应论来解释光电效应”，提出三个结论都与实验结果相矛盾的问题，引出爱，提出三个结论都与实验结果相矛盾的问题，引出爱因斯坦的光电效应方程。最后通过光电效应理论的验证的介绍，验证了爱因斯坦的光电效应方程。最后通过光电效应理论的验证的介绍，验证了爱因斯坦的光电效应方程理论的正确性，并且补充了光电效应在近代技术中因斯坦的光电效应方程理论的正确性，并且补充了光电效应在近代技术中的
3、应用。的应用。在光电效应的实验中，利用视频演示了锌板在紫外光和白炽灯照射下在光电效应的实验中，利用视频演示了锌板在紫外光和白炽灯照射下发生的现象，使学生产生了浓厚的学习兴趣。并通过展示原理图，让学生发生的现象，使学生产生了浓厚的学习兴趣。并通过展示原理图，让学生了解光电效应实验的原理和规律。在介绍爱因斯坦的光电效应方程理论的了解光电效应实验的原理和规律。在介绍爱因斯坦的光电效应方程理论的时候，可以结合学生以往对功能关系的学习，进而得出矛盾的观点，引出时候，可以结合学生以往对功能关系的学习，进而得出矛盾的观点，引出光电效应理论的验证，并通过光控继电器和光电倍增管的例子，说明光电光电效应理论的验证
4、，并通过光控继电器和光电倍增管的例子，说明光电效应在近代技术中的应用，使学生能结合生活生产活动，联系物理的理论效应在近代技术中的应用，使学生能结合生活生产活动，联系物理的理论学习。学习。设 计 思 路托马斯托马斯杨杨 光的干涉光的干涉菲涅尔菲涅尔 光的衍射光的衍射马吕斯马吕斯 光的偏振光的偏振19世纪初期，光的波动说占主导地位 19 世纪世纪 60 年代和年代和 80 年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质，光的波动理论似乎已经完美了。验上确认了光的电磁波本质，光的波动理论似乎已经完美了。不断发现和认识新现象，进而理解事物的本性，这是一
5、切科学不断发现和认识新现象，进而理解事物的本性，这是一切科学发展的必由之路。人类对光的认识也是如此。重新提出发展的必由之路。人类对光的认识也是如此。重新提出“光的粒子光的粒子性性”，恰恰展示了曲折的认识过程。科学在这里又一次转折，恰恰展示了曲折的认识过程。科学在这里又一次转折新 课 导 入 把一块锌板连接在验电器上，并使锌版带负电，验电器把一块锌板连接在验电器上，并使锌版带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。验电器指针的张角先变小后变大，表明锌版在紫外线灯照射下失去电子而带正电。新 课 讲 授定义：定义：照射到金属
6、表面的光，能使金属中的电子逸出照射到金属表面的光，能使金属中的电子逸出的现象，称为光电效应。的现象，称为光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。1887 1887年，赫兹在研究电年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接磁波的实验中偶然发现，接收电路的间隙如果受到光照收电路的间隙如果受到光照就更容易产生电火花。这就就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应。是最早发现的光电效应。后来经过汤姆逊等多名后来经过汤姆逊等多名科学家的实验研究，证实了科学家的实验研究，证实了这个现象，即照射到金属表这个现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子面的光，能使
7、金属中的电子从表面逸出，这个现象就叫从表面逸出，这个现象就叫光电效应光电效应。科 学 视 野科 学 视 野 光照不变，增大光照不变，增大 UAK，电流，电流表表G 中电流达到某一值后不再增中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。大，即达到饱和值。因为在光照条件一定时，因为在光照条件一定时，K 发射的光电子数目一定。电压增发射的光电子数目一定。电压增加到一定值时，所有光电子都被加到一定值时，所有光电子都被阳极阳极A吸收。吸收。实验表明：入射光越强，饱入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。光电子数越多。A AK K阳极阳极阴极阴极V VG光电子所受电
8、场力方向与光电子速度光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子做减速运动。若方向相反，光电子做减速运动。若当所加电压当所加电压U=0 时，电流时，电流I 0，因为，因为电子有初速度，会飞到阳极电子有初速度，会飞到阳极A。在两。在两极间加上反向电压，如图所示。极间加上反向电压，如图所示。则则 I=0，式中，式中 为为遏止电压遏止电压2.存在遏止电压和截止频率遏止电压：使光电流减小到零的反向电压EEUFKA2ecc12meU 速率最大的是速率最大的是 最大初动能最大初动能实验表明：改变时，改变时，最大初动能最大初动能2ecc12meU 截止频率 实验结果：即使入射光的强实验结果：即使入射光的
9、强度非常微弱，度非常微弱，电流表，电流表指针也几乎是随着入射光照射就指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。立即偏转。更精确的研究推知，光电子更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过发射所经过的时间不超过109 s 即即光电效应几乎是瞬时发生的。光电效应几乎是瞬时发生的。光电效应在极短的时间内完成！3.具有瞬时性勒纳德等人通过实验得出以下结论1.对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应；光电效应；4.入射
10、光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过过 109 s。3.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；率增大而增大；2.当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大；小结小结逸出功逸出功 W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的种金属的逸出功逸出功。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。实验表明：对于一定颜色实验表明：对于一定
11、颜色(频率频率)的光的光,无论光的强弱如何，无论光的强弱如何，遏止电压是一样的。遏止电压是一样的。1.光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压 应应与光的强弱有关。与光的强弱有关。以上三个结论都与实验结果相矛盾，所以无法用经典的波动理论来解释光电效应。2.不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能不管光的频率如何，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。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
12、面所需的能量，这个时间远远大分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于于10-9 s。1.光子说：光不仅在发射和吸收时以能量为光不仅在发射和吸收时以能量为 h 的微粒形式的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为频率为 的的光是由大量光是由大量能量为能量为 =h 的的光子组成的粒子流光子组成的粒子流组成的，组成的，这些光子沿光的传播方向以光速这些光子沿光的传播方向以光速 c 运动。运动。在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分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消耗在电子逸出功 W0，另一
13、部分变为光电子逸出后的动能，另一部分变为光电子逸出后的动能 Ek。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：2.爱因斯坦光电效应方程k0hvEW W0 为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功；为光电子的最大初动能为光电子的最大初动能 2ke12Em 3.光子说对光电效应的解释(2)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时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。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
14、电流大。电子多，因而饱和电流大。(1)爱因斯坦的光电效应方程表明，光电子的初动能爱因斯坦的光电效应方程表明，光电子的初动能 Ek 与与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当 h W0 时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出，vc=W0/h 就是光电效应的截止频率就是光电效应的截止频率。光电效应显示了光的粒子性4.光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电光电效应效应”实验，结果在实验，结果在 1915 年证实了爱因斯坦方程，年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了的值与理论
15、值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理理论的正确性。论的正确性。科 学 视 野科 学 视 野放大器放大器控制机构控制机构1.光控继电器 可对微弱光线进行放大，可对微弱光线进行放大，可使光电流放大可使光电流放大 105 108 倍，倍，灵敏度高，用在工程、天文、灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。科研、军事等方面。2.光电倍增管K1K2K3K4K5KA1.光电效应现象光电效应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律4.爱因斯坦的光电效应方程爱因斯坦的光电效应方程3.光电效应解释中的疑难光电效应解释中的疑难5.光电效应在近代技术中的应用光电效应在近代技术中的应用课 堂 总 结1.在演示
16、光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏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，验电器的指针就张开一验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时个角度，如图所示，这时()A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B课 堂 测 试A+A+2.一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则一束黄光照射某金属表面时，不能产生光电效应，则下列措施中可能使该金属产生光电效应的是下列
17、措施中可能使该金属产生光电效应的是()A.延长光照时间延长光照时间 B.增大光束的强度增大光束的强度 C.换用红光照射换用红光照射 D.换用紫光照射换用紫光照射D3.根据图所示研究光电效应的根据图所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。量的关系式。解：当入射光频率分别为解：当入射光频率分别为 1、
18、2 时，测出遏止电压时，测出遏止电压 U1、U2，由爱因斯坦光电效应方程可得由爱因斯坦光电效应方程可得联立上两式，解得联立上两式，解得其中其中 e 为电子的电量，测出为电子的电量，测出 U1与与 U2就可测出普朗克常量就可测出普朗克常量101hWeU 202hWeU 1212UUhe 实验步骤：实验步骤：(1)将图电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最将图电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为左边，用频率为 1 的光照射，此时电流表中有电流的光照射，此时电流表中有电流;将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时观察电流表，当将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数U1。(2)用频率为用频率为 2的光照射，重复的光照射，重复(1)的操作，记下伏特表的示的操作，记下伏特表的示数数U2。(4)多次测量取平均值。多次测量取平均值。(3)应用应用 计算计算 h。1212UUhe
