3　粒子的波动性PPT及课堂实录内容

光的粒子性

陈集中学高二年级董成铨

重/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。

重/难点分析

重点分析：饱和光电流强度与入射光强度成正比。对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c

。

当入射光频率ν>c

时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν <c时，无论光强多大也没有电子逸出金属表面。光电效应是瞬时的，从光开始照射到光电子逸出所需时间109s。

难点分析：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：为光电子的hEkW0，W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。Ek

最大初动能。

突破策略

1．光电效应

教师：实验演示。（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。

上述实验说明了什么？

学生：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

（1）光电效应实验

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。

概念：遏止电压

将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。

当

K、A 间加反向电压，光电子克服电场力做功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。

Uc称遏止电压。根据动能定理，有mevc2eUc

（2）光电效应实验规律

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①

光电流与光强的关系

饱和光电流强度与入射光强度成正比。

②

截止频率c----极限频率

对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c

。

当入射光频率ν>c

时，电子才能逸出金属表面；

当入射光频率ν <c时，无论光强多大也没有电子逸出金属表面。

③

光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间109s。

3．光电效应解释中的疑难

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。

4．爱因斯坦的光量子假设

（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：hEkW0，W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。Ek

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：c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。

5．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年证实了爱因斯坦光电效应方程，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。

6．康普顿效应

（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。

（3）康普顿散射的实验装置与规律：

按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！

散射中出现0的现象，称为康普顿散射。

（4）光子理论对康普顿效应的解释

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。

（5）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。

（6）光子的能量和动量

说明：动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用来描述波的。

Emc2

Eh

mh

2chhhc

c2cPmc例1.下列利用光子说对光电效应的解释正确的是(

)

A.金属表面的一个电子只能吸收一个光子

B.电子吸收光子后一定能从金属表面逸出,成为光电子

C.金属表面的一个电子吸收若干个光子,积累了足够的能量才能从金属表面逸出

D.无论光子能量大小如何,电子吸收光子并积累能量后,总能逸出成为光电子

解析:根据光子说,金属中的一个电子一次只能吸收一个光子,只有所吸收的光子频率大于金属的截止频率,电子才能逃离金属表面,成为光电子,且光子的吸收是瞬时的,不需时间的积累,故只有选项A正确。

例2. 如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图象,直线与横轴的交点坐标(4.27,0),与纵轴交点坐标(0,0.5)。由图可知(

)

A.该金属的截止频率为4.271014 Hz

B.该金属的截止频率为5.51014 Hz

C.该图线的斜率表示普朗克常量

D.该金属的逸出功为0.5 eV

解析:图线在横轴上的截距为截止频率,选项A正确,选项B错误;由光电效应方程EkhW0,可知图线的斜率为普朗克常量,选项C正确;金属的逸出功为W0h01.77 eV,选项D错误。

突破反思

本节课教师启发、引导，学生讨论、交流。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。在学习中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。