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1、新课标人教版课件系列高中物理选修选修3-53-517.2科学的转折：光的粒子性教学目标教学目标 知识与技能：知识与技能：v1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，了解光子的动量过程与方法：过程与方法：v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。3、情感态度与价值观：、情感态度与价值观：v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。v【重点难点重点难点】v1、重点：、重点：光电效应的实验规律v2、难点：、难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义问题
2、问题1：回顾前面的学习，总结回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展人类对光的本性的认识的发展过程？过程？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。一、光电效应现象一、光电效应现象表明锌板在射线照射下失去电子而带正电用用弧光灯照射擦得很亮的锌板，弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与注意用导线与不带电的验电器相连），不带电的验电器相连），使验电使验电 器张角增大到约器张角增大到约为为 30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，
3、则验电器的指针张角会变大。板，则验电器的指针张角会变大。表明锌板在射线照射下失去电子而带正电表明锌板在射线照射下失去电子而带正电一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律1.1.什么是光电效应什么是光电效应 当光线照射在金属表面时，金属中当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为有电子逸出的现象，称为光电效应光电效应。逸出的电子称为逸出的电子称为光电子光电子。一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电子定向移动形成的电流叫光电子定向移动形成的电流叫光电流光电流 一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律2.2.光电效应实验光电效应实验规律规律（1）存在饱和电流）存在饱
4、和电流光照不变，增大光照不变，增大UAK，G表中电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到达到某一值后不再增大，即达到饱和值。饱和值。因为光照条件一定时，因为光照条件一定时，K发射的发射的电子数目一定。电子数目一定。实验表明：实验表明：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。光电子数越多。阳极阳极阴极阴极：使光电流减小到零的反向电压：使光电流减小到零的反向电压+ + + + + + + + + + + + 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一一v加反向电压，如右图所示：加反向电压，如右图所示：光电子所受电场力方向与光电
5、子光电子所受电场力方向与光电子速度方向相反，光电子作减速运速度方向相反，光电子作减速运动。若动。若最大的初动能最大的初动能U=0时，时，I0， 因为电子有初速度因为电子有初速度则则I=0，式中，式中UC为为遏止电压遏止电压一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律(2)存在存在遏止电压和截止频遏止电压和截止频率率a.存在存在遏止电压遏止电压UC CEEUFKAIIsUaOU黄光（黄光（ 强）强）黄光（黄光（ 弱）弱）光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线遏遏止止电电压压饱饱和和电电流流一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律兰光兰光Ub(2)存在存在遏止电压和截止频遏止电压和截止频
6、率率阳极阳极阴极阴极实验表明实验表明:对于一定对于一定对于一定对于一定颜色颜色颜色颜色( (频频频频率率率率) )的光的光的光的光, , 无论光的强弱如何无论光的强弱如何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遏止电压是一样的遏止电压是一样的. . 光的频光的频光的频光的频率率率率 改变是，改变是，遏止电压也会遏止电压也会遏止电压也会遏止电压也会改变。改变。改变。改变。一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律(2)存在存在遏止电压和截止频遏止电压和截止频率率a.存在存在遏止电压遏止电压UC C光电子的光电子的最大初动能最大初动能只与只与入射入射光的频率光的频
7、率有关，与入射光的强有关，与入射光的强弱无关。弱无关。阳极阳极阴极阴极经研究后发现：经研究后发现：一一. .光电效应的实验规律光电效应的实验规律b.存在存在截止频率截止频率 c对于每种金属，对于每种金属，都相应确定的截都相应确定的截止频率止频率 c 。 当入射光频率当入射光频率 c 时，电子时，电子才能逸出金属才能逸出金属表面；表面；当入射光频率当入射光频率当入射光频率当入射光频率 W W0 0 0 0时，才有光电子逸出，时，才有光电子逸出， 就是光电效应的截止频率。就是光电效应的截止频率。电子一次性吸收光子的全部能量，不需要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
8、瞬时发积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。生的。光强较大时，包含的光子数较多，照射金光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。属时产生的光电子多，因而饱和电流大。三三. .爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电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效应的实验规律, ,荣获荣获19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并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未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背
9、了光的波动理论。动理论。4.4.光电效应理论的验证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“光电效光电效应应”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 的的值与理论值完全一致，又一次证明了值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子光量子”理论理论的正确。的正确。三三. .爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦的光量子假设爱因斯坦由于爱因斯坦由于对对光电效光电效应应的理论解释和对的理论解释和对理论理论物理学物理学的贡献的贡献获得获得1921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根由于密立根由于研究基本电荷和研究基本电荷和
10、光电效应光电效应，特别是通过著名，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最的油滴实验，证明电荷有最小单位。小单位。获得获得19231923年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖。思考与讨论思考与讨论课本P36放大器放大器控制机构控制机构 可以用于自动控制，可以用于自动控制，可以用于自动控制，可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动计数、自动报警、自动计数、自动报警、自动计数、自动报警、自动跟踪等。自动跟踪等。自动跟踪等。自动跟踪等。四四. .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1.1.1.1.光控继电器光控继电器光控继电器光控继电器可对微弱光线进行放可对微弱光线进行放可对微弱光线进行
11、放可对微弱光线进行放大，可使光电流放大大，可使光电流放大大，可使光电流放大大，可使光电流放大10105 510108 8 倍，灵敏度倍，灵敏度倍，灵敏度倍，灵敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、军事等方面科研、军事等方面科研、军事等方面科研、军事等方面。2.2.2.2.光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管应 用v光电管光电源电流计IAK 康普顿效应康普顿效应第第2课时课时17.1科学的转折：科学的转折：光的粒子性光的粒子性1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方因而传播方向发生改变向发生改
12、变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实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长的改变量与散射角有关，而与入射线波长有关，而与入射线波长 和和散射物质都无关散射物质都无关。一一. .康普顿效应康普顿效应3.3.康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(
13、散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 一一. .康普顿效应康普顿效应康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波，种波长的电磁波， 散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的！不会改变的！一一. .康普顿效应康普顿效应康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： a.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。 b.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。 散射中出现散射中出现 0 的现象，的现象，称为称为康普顿散射。康普顿散射。
14、波长的偏移为波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. . 0 一一. .康普顿效应康普顿效应称为电子的称为电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时，康康普普顿顿效效应应才才显显著著，因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿顿散散射射，用用可可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关， c = 0.0
15、241=2.41 10-3nm（实验值）实验值）一一. .康普顿效应康普顿效应1.1.经典电磁理论在解释康普顿效应时经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难遇到的困难二二. .康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率其频率等于入射光频率等于入射光频率，所以它所发射的，所以它所发射的散射光频散射光频率率应等于应等于入射光频率入射光频率。无法解释波长改变和散射角关系。无法解释波长改变和散射角关系。2.2.光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的
16、解释二二. .康普顿效应解释中的疑难康普顿效应解释中的疑难 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，传给电子，散射光子散射光子的能量减少，于是的能量减少，于是散射光散射光的的波长大于波长大于入射光入射光的波长。的波长。 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将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，质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。不变，波长不变。 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，因为碰撞中交
17、换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。所以波长改变和散射角有关。1.1.有力地支持了爱因斯坦有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； 2.2.首次在实验上证实了首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设；的假设；3.3.证实了证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和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。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混进来了某种荧光辐射”；在计算
18、中起先只；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。考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。三三. .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家192719251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，4.吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应
19、的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作各种波长的散射光强度，作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训三三. .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义四四. .光子的动量光子的动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的光的粒子性光的粒子性一、光电效应的基本规律一、光电效应的基本规律小结小结1.光电效应现象光电效
20、应现象2.光电效应实验规律光电效应实验规律 对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的对于任何一种金属，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，低频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低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；于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应；于这个频率就不能发生光电效应； 当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，
21、光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；入射光的强度成正比；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着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；入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光的频率增大而增大；入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，入射光照
22、到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过一般不超过一般不超过一般不超过1010-9-9秒秒秒秒. . （3 3）光子说对光电效应的解释）光子说对光电效应的解释（2）爱因斯坦的光电效应方程）爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程三、爱因斯坦的光电效应方程（1 1）光子：）光子：二、光电效应解释中的疑难二、光电效应解释中的疑难1.1.在演示光电效应的实验中，原来不带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光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，一个角度，如图所示，这时这时(
23、 )( )A.A.锌板带正电，指针带负电锌板带正电，指针带负电B.B.锌板带正电，指针带正电锌板带正电，指针带正电C.C.锌板带负电，指针带正电锌板带负电，指针带正电D.D.锌板带负电，指针带负电锌板带负电，指针带负电B练习练习2.2.一束黄光照射某金属表面时，不能产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属产生光电效应的是( )( )A.A.延长光照时间延长光照时间B.B.增大光束的强度增大光束的强度C.C.换用红光照射换用红光照射D.D.换用紫光照射换用紫光照射D练习练习3.3.关于光子说的基本内容有以下几点，不
24、正确的关于光子说的基本内容有以下几点，不正确的是是( )( )A.A.在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子每一份叫一个光子B.B.光是具有质量、能量和体积的物质微粒子光是具有质量、能量和体积的物质微粒子C.C.光子的能量跟它的频率成正比光子的能量跟它的频率成正比D.D.光子客观并不存在，而是人为假设的光子客观并不存在，而是人为假设的练习练习B4. 4. 能引起人的视觉感应的最小能量为能引起人的视觉感应的最小能量为1010-18-18J J，已知可见光的平均波长约为已知可见光的平均波长约为0.60.6 m m，则进入人则进入人眼的光
25、子数至少为眼的光子数至少为 个，恰能引起人眼的感个，恰能引起人眼的感觉觉. .练习练习35.5.关于光电效应下述说法中正确的是关于光电效应下述说法中正确的是( )( )A.A.光电子的最大初动能随着入射光的强度增大光电子的最大初动能随着入射光的强度增大而增大而增大B.B.只要入射光的强度足够强，照射时间足够长，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就一定能产生光电效应C.C.在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光在光电效应中，饱和光电流的大小与入射光的频率无关的频率无关D.D.任何一种金属都有一个极限频率，低于这个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
26、效应频率的光不能发生光电效应练习练习D练习练习课本课本P391、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想、在可见光范围内，哪种颜色光的光子能量最大？想想看，这种光是否一定最亮？为什么？想看，这种光是否一定最亮？为什么？在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其在可见光范围内，紫光的光子能量最大，因为其频率最高。频率最高。紫光不是最亮的。紫光不是最亮的。一为光强，一为光强，因为光的亮度由两个因素决定，因为光的亮度由两个因素决定，二为人眼的视觉灵敏度。二为人眼的视觉灵敏度。在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位在光强相同的前提下，由于人眼对可见光中心部位的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光
27、应最亮。的黄绿色光感觉最灵敏，因此黄绿色光应最亮。练习练习课本课本P392、在光电效应实验中、在光电效应实验中 （1）如果入射光强度增加，将产生什么结果？）如果入射光强度增加，将产生什么结果？（2）如果入射光频率增加，将产生什么结果？）如果入射光频率增加，将产生什么结果？（1）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，）当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；发射的光电子数增多； 当入射光频率低于当入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。电子发射出来。 （2）入射光的频率增加，发射的光电子最大初）入射光的频率增加
28、，发射的光电子最大初动能增加。动能增加。练习练习课本例题课本例题P36分析由上面讨论结果可得： 对于一定金属，逸出功对于一定金属，逸出功W0是确定的，电子电荷是确定的，电子电荷e和普朗克常量和普朗克常量h都是常量。都是常量。所以遏止电压UC与光的频率之间是线性关系即：Uc图象是一条斜率为 的直线练习练习课本例题P36分析由上面讨论结果可得：遏止电压遏止电压Uc与光电子与光电子的最大初动能的最大初动能Ek有关有关Ek越大，越大， Uc越高；越高；Uc为零，为零，Ek为零，即没有光电子为零，即没有光电子所以与遏止电压所以与遏止电压U Uc c=0=0对应的频率应该是截止频率对应的频率应该是截止频率
29、c c由以上分析可知：由以上分析可知：根据数据作根据数据作Uc图象即可求得图象即可求得遏止电压遏止电压U Uc c=0=0对应的频率就是截止频率对应的频率就是截止频率c cU Uc c图象是一条斜率为图象是一条斜率为 的直线的直线练习练习课本课本P395 5、根据图、根据图17.2-217.2-2所示研究光电效应的电路，利用能够所示研究光电效应的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行产生光电效应的两种（或多种）已知频率的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗步骤和应
30、该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式。克常量的关系式。GVAKR单色光单色光分析：阳极与电源负极相接分析：阳极与电源负极相接 阴极与电源正极相接阴极与电源正极相接测出两种不同频率测出两种不同频率1、2光的遏止电压光的遏止电压U1、U2代入公式：代入公式： 当入射光频率分别为当入射光频率分别为1、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就可测出普朗克就可测出普朗克常量常量实验步骤：实验步骤：（1 1）将图）将图17.2-217.2-
31、2电路图电源正负对调，滑动变阻器电路图电源正负对调，滑动变阻器滑动触头滑至最左边，用频率为滑动触头滑至最左边，用频率为1 1 的光照射，此时的光照射，此时电流表中有电流。电流表中有电流。将滑动变阻器滑动触头缓慢右滑，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。同时观察电流表，当电流表示数为零时，停止滑动。记下伏特表的示数记下伏特表的示数U U1 1。（2 2）用频率为）用频率为2 2的光照射，重复（的光照射，重复（1 1）的操作，记）的操作，记下伏特表的示数下伏特表的示数U U2 2。 （3 3）应用）应用 计算计算h h。（4 4）多次测量取平均值。）多次测量取平均值。颜色颜色波长波长/nm/nm频率频率 /1014HZ遏制电遏制电压压U/V最大动能最大动能EKm/eV绿绿兰兰紫紫（光强）（光强）紫紫（光弱）（光弱）
