光电效应【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。3．了解康普顿效应，了解光子的动量。4．了解光既具有波动性，又具有粒子性。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。【教学重点】光电效应的实验规律。【教学难点】爱因斯坦光电效应方程以及意义。【教学过程】一、复习提问、新课导入回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程。光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象——光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。二、新课教学（一）光电效应的实验规律1．光电效应实验演示1：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。上述实验说明了什么？（表明锌板在射线照射下失去电子而带正电。）概念：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。2．光电效应的实验规律以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应。向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律。有什么规律呢？让我们进一步研究。向学生介绍光电效应演示仪。在黑板上画一示意图，如图所示。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。实验演示2：光电效应的规律观察现象一：存在截止频率当入射光频率减小到某一数值νc时，A、K极板间不加反向电压，电流也为0。νc称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。观察现象二：存在饱和电流光照不变，增大UAK，G表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。出示图象理解：频率不变，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
观察现象三：存在截止电压如果施加反向电压，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，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。12mevc2=eUc，可以理解为：光电子克服电场力做功，到达A极板时速度刚好为零。同一种金属，截止电压只与光的频率有关。光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的强弱无关。观察现象四：光电效应具有瞬时性即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10-9秒（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。对以上现象进行总结：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；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；3．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大；4．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10-9秒。（二）光电效应经典解释中的疑难逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。一切都表明：无法用经典的波动理论来解释光电效应。为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。
（三）爱因斯坦的光电效应理论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：hν=Ek+W0。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：νc=W0/h。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律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。（四）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1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。这种波长改变的散射称为康普顿效应。
经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。3．康普顿效应的光量子理论解释（1）若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。（2）若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。4．康普顿散射实验的意义（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。（2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。（五）光的波粒二象性我们知道光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射、偏振现象。而今天我们学习了光在与物质发生作用时表现出粒子性，如光电效应，康普顿效应。说明光具有波动性，又有粒子性，即波粒二象性。关于光的本性问题，我们不应该在微粒说和波动说之间进行取舍，而应该把它们看作是光的本性的两种不同侧面的描述。【练习巩固】1．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个角度，如图所示，这时（）A．锌板带正电，指针带负电B．锌板带正电，指针带正电
C．锌板带负电，指针带正电D．锌板带负电，指针带负电答案：B2．一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（）A．延长光照时间B．增大光束的强度C．换用红光照射D．换用紫光照射答案：D3．关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是（）A．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子B．光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C．光子的能量跟它的频率成正比D．光子客观并不存在，而是人为假设的答案：B4．能引起人的视觉感应的最小能量为10-18J，已知可见光的平均波长约为0.6μm，则进入人眼的光子数至少为________个，恰能引起人眼的感觉。答案：35．关于光电效应下述说法中正确的是（）A．光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大B．只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，就一定能产生光电效应C．在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关D．任何一种金属都有一个极限频率，低于这个频率的光不能发生光电效应答案：D
