光的粒子性

1、 172 光的粒子性【三維目標(biāo)】（一）知識(shí)與技能1通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量（二）過程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。【教學(xué)重點(diǎn)】光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律【教學(xué)難點(diǎn)】愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義【教學(xué)過程】第一課時(shí) 光電效應(yīng)（一）引入新課提問：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程？（多媒體投影，見課件。）教師講述:光的干涉、

2、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步說明光還是橫波。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當(dāng)人們以為光的波動(dòng)理論似乎非常完美的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說無法解釋的新現(xiàn)象光電效應(yīng)現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究，使得人們對(duì)光的又一本質(zhì)性認(rèn)識(shí)得到了發(fā)展。（二）進(jìn)行新課1光電效應(yīng)教師：實(shí)驗(yàn)演示。（課件輔助講述）用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。學(xué)生：認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)。教師提問：上述實(shí)驗(yàn)說明了什么？學(xué)生：表明鋅板在射線照射下失去電子

3、而帶正電。概念：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)如圖所示，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。概念：遏止電壓將換向開關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Uc 時(shí)，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。根據(jù)動(dòng)能定理，有（2）光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律 光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。 截止頻率c -極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率&

4、gt;c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率 <c時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。 光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電子逸出所需時(shí)間<10-9s。3光電效應(yīng)解釋中的疑難經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)典理論認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低

5、于極限頻率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。4愛因斯坦的光量子假設(shè)（1）內(nèi)容光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，頻率為 的光是由大量能量為 E =h的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。（2）愛因斯坦光電效應(yīng)方程在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：W0為電子逸出金屬表面所需做的功

6、，稱為逸出功Wk為光電子的最大初動(dòng)能。（3）愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極限頻率：愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。5光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。展示演示文稿資料：愛因斯坦和密立根由于愛

7、因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。點(diǎn)評(píng)：應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實(shí)感，增強(qiáng)了說服力，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探索精神。例題 （教材34頁）學(xué)生通過運(yùn)算得出相應(yīng)的正確結(jié)果。點(diǎn)評(píng)：理論聯(lián)系實(shí)際，適量的練習(xí)題可以進(jìn)一步鞏固和掌握所學(xué)理論知識(shí)。第二課時(shí) 康普頓效應(yīng)（一）引入新課教師引導(dǎo)學(xué)生分析教材P35“思考與討論”，引出光的散射，通過對(duì)散射現(xiàn)象的進(jìn)一步研究，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象康普頓效應(yīng)?！?/p>

8、學(xué)生活動(dòng)】指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材35頁內(nèi)容，教師講述。（二）進(jìn)行新課1. 康普頓效應(yīng)（1）光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。（2）康普頓效應(yīng)1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無關(guān)。（3）康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：按經(jīng)典電磁理論：如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！散射中出現(xiàn)的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 除原波長(zhǎng)外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 新波長(zhǎng)隨散射角的增大而增大

9、。（4）經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。無法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。（5）光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。（6）康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義有力地支持了愛因斯坦

10、“光量子”假設(shè)； 首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)；證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。展示演示文稿資料：康普頓康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。展示演示文稿資料：吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年，吳有訓(xùn)參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.19251926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(=5.62nm) 為入射線，以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，在同一散射角( )測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。點(diǎn)評(píng)：應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實(shí)感，增強(qiáng)了說服力，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探索精神。（7）光子的能量和動(dòng)量說明：動(dòng)量能量是描述光的粒子性的，頻率和波長(zhǎng)則是用來描述光的波動(dòng)性的，可見，光具有波粒二象性。2.光子的動(dòng)量教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推導(dǎo)：（三）