选修3-5第十七章 第二节 光的粒子性

一、教学目标

（一）知识与技能

1．通过实验了解光电效应的实验规律。

2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。

（二）过程与方法

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。

（三）情感、态度与价值观

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。

二、教学重点难点

重点 ：光电效应的实验规律

难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义

三、教学过程

（一）导入新课

【教师讲解】光究竟是什么？让我们再次回顾历史上对光的本性之争。最初，牛顿认为光是一种微粒，惠更斯认为是一种波，二者都各自能解释一些现象，由于牛顿在学术界的地位，而波动说又缺少有力的实验事实，人们倾向于光是一种粒子的看法。直到发现了光的干涉、衍射这一波特有的现象之后，人们才开始从波的角度研究光。麦克斯韦提出光是一种电磁波，并建立了完善的电磁场理论，光的波动理论似乎很完美了。

既然如此，为什么本节又要谈论“光的粒子性”呢？让我们先做一个实验。

实验演示：（参见教材图17.2-1）教师介绍实验器材，并说明由于实验室没有锌板，用光电管代替，然后演示，引导学生观察电流表的指针偏转情况。

（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。

启发猜想：为什么用紫外线照射锌板会引发验电器的指针偏转？

（学生会提出多种猜想）

引导分析：锌板本身是电中性的，现在它带了正电，说明在紫外线的照射下锌板中的自由电子跑了。

【教师提问】为什么在紫外线的照射下锌板中的自由电子会跑出来呢？

引导分析：让学生结合以前的知识回想电子在核外运动的运动情况；光波是一种电磁波，它要形成电场，电子处在电场中要受到电场力的作用。

启发猜想：改用其他的光（比如红光）来照射会不会照射出电子？或用其他的材料做实验会不会照射出电子？

学生根据已有的知识，猜想一定会发生与刚才相同的现象，然而这是做实验却没有电子跑出来。激起学生的认知冲突，学生急于想弄懂：为什么用紫光能照射出电子而用红光就不能照射出电子呢？

（二）新课教学

1、光电效应的实验规律

【教师讲解】我们刚才做的实验是科学史上一个非常重要的实验，这个实验的焦点在于“为什么用红光照射锌板打不出电子”，科学家将实验装置进行了改进，得到了很多出人意料的规律，下面我们一起来学习：

（板书）光电效应的实验规律

让学生阅读总结：光电效应现象（板书） 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。

引导学生分析实验装置（教科书图17.2-2），介绍实验原理。

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。

【教师提问】为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？

分析解答：光束照在阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验“可见性”）。

【教师提问】保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析会怎样变化？

引导分析：学生根据电场力知识会得到电流会得到增大的结论。有的学生会分析出电流会增大到一个极限值。

（看完后做演示实验）

教师解答：同学们的分析会与实验结果一致吗？我们一起来阅读教科书的实验结果

引导看书：存在饱和电流。

（板书）存在饱和电流：对于一定颜色（频率）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

【教师讲解】当所加电压为0时，电流并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极，阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，这时电流才可能为0，使光电流为0的反向电压成为遏止电压。

（板书）遏止电压及其公式

根据动能定理，有

【教师提问】对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？

引导分析：学生按照经典理论解释一定会有光电流，因为入射光越强，电子吸收到的能力就越多，电子跑出来的动能也越大，刚才的这个电压就不能遏止住了，减弱光的强度，遏止电压肯定会减小。

【教师解释】同学们分析的很好，但科学家经过实验研究发现，此时无论是入射光的强度增大到多大，都没有光电流产生。而且实验发现只要是同一频率的光都有相同的遏止电压，与光的强度无关。如果改变光的频率，遏止电压也会随之改变。

（板书）光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。

引导看书：截至频率

（板书）截至频率：当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属截至频率不同。

【演示实验】用不同的滤光片，观察现象

实验结果是射出的光电子的能量与入射光的强度无关，只与频率有关。刚才的分析认为，有光电流是因为光的能量在电子身上叠加，进一步说明入射光的能量并没有在电子身上叠加，引发学生的认知冲突。

引导猜测：电子是怎样吸收入射光的能量的呢？

当年爱因斯坦等大量科学家也在做这样类似的猜测。

【教师提问】如果入射光的频率超过截至频率，做两次实验，第一次用很弱的光照射，第二次用很强的光照射，请问那一次光电子从锌板跑出来的时间长些？

引导分析：学生会根据积累效应分析；如果入射光很弱，光子积累到跑出来的能量需要更多时间。

但实验的结果又是怎样的呢？

演示实验

（板书）光电效应具有瞬时性：发生观点效应几乎不需要反应时间。

2．光电效应解释中的疑难

引导看书：光电效应解释中的疑难

（板书）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。

【教师总结】同学们根据自己已有的知识对光电效应可能发生的现象进行了猜测和分析，我们发现我们的推测与实验大相径庭，是我们学的知识错了还是面对新的实验事实应该建立新的理论呢？我们来看科学家是怎样面对的？

3．爱因斯坦的光电效应方程

引导学生看书：爱因斯坦的光电效应方程

【教师讲解】爱因斯坦一辈子很少做实验，他是一个伟大的物理学家，但他非常尊重实验事实，当理论与实验事实相矛盾时他倾向实验，为了解释光电效应实验规律，他接受并发展可普朗克都惶惑的能量子观点，提出光子说提出光子说，从而成功地解释了光电效应规律。

（板书）光子：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的， 频率为ν的光子能量为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子叫做光子。

（板书）爱因斯坦光电效应方程：

（其中Ek为电子从金属表面逸出的最大初动能，hν为一个光子的能量，W0为逸出功，与频率的关系是）

（1）内容：

光不仅在发射和吸收时以能量为hν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ν 的光是由大量能量为 E =hν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：

W0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。

（3）爱因斯坦对光电效应的解释：

①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。

②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。

③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

④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：

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。

四、板书设计

§17.2 光的粒子性

一、光电效应的实验规律

1、光电效应现象：

2、存在饱和电流：

入射光越强，单位时间内发射的光子数越多。

3、遏止电压及其公式：

4、光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关

5、截至频率：当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属截至频率不同。

6、光电效应具有瞬时性：发生光电效应几乎不需要反应时间。小于10-9S

二、光电效应解释中的疑难

逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。

三、爱因斯坦的光量子假设

1、光子：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的， 频率为ν的光子能量为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子叫做光子。

2、爱因斯坦光电效应方程：

（其中Ek为电子从金属表面逸出的最大初动能，hν为一个光子的能量，w0为逸出功，与频率的关系是）