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視頻標(biāo)簽：光的粒子性
所屬欄目：高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻
視頻課題：新人教版高中物理選修三《17.2 光的粒子性》安徽省宿城
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新人教版高中物理選修三《 17.2 光的粒子性》安徽省宿城第一中學(xué)
教學(xué)目標(biāo)
(一)知識與技能
1.通過實驗了解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。
2.知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。
(二)過程與方法
經(jīng)歷科學(xué)探究過程,認(rèn)識科學(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,驗證物理規(guī)律。
(三)情感、態(tài)度與價值觀
領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧,發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲,樂于探究自然界的奧秘,能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。
2重點難點
【教學(xué)重點】
光電效應(yīng)的實驗規(guī)律
【教學(xué)難點】
愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義
3教學(xué)過程
3.1第一學(xué)時
3.1.1教學(xué)活動
活動1【導(dǎo)入】引入新課
提問:回顧前面的學(xué)習(xí),總結(jié)人類對光的本性的認(rèn)識的發(fā)展過程?
(多媒體投影,見課件。)
學(xué)生回顧、思考,并回答(教師傾聽、點評)。
光的干涉、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)人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候,又發(fā)現(xiàn)了用波動說無法解釋的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究,使得人們對光的又一本質(zhì)性認(rèn)識得到了發(fā)展。
活動2【講授】進(jìn)行新課
(二)進(jìn)行新課
1.光電效應(yīng)
教師:實驗演示。
用弧光燈照射擦得很亮的鋅板,(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連),使驗電 器張角增大到約為 30度時,再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板,則驗電器的指針張角會變大。
學(xué)生:觀察實驗現(xiàn)象。
教師提問:上述實驗說明了什么?
學(xué)生:表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。
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)的實驗規(guī)律
(1)光電效應(yīng)實驗
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。
光電子在電場作用下形成光電流。
概念:遏止電壓
將換向開關(guān)反接,電場反向,則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。
當(dāng) K、A 間加反向電壓,光電子克服電場力作功,當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Uc 時,光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。
根據(jù)動能定理,有
(2)光電效應(yīng)實驗規(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。
② 截止頻率νc ----極限頻率
對于每種金屬材料,都相應(yīng)的有一確定的截止頻率νc 。
當(dāng)入射光頻率ν>νc 時,電子才能逸出金屬表面;
當(dāng)入射光頻率ν <νc時,無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。
③ 光電效應(yīng)是瞬時的。從光開始照射到光電子逸出所需時間<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)的實驗結(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)實驗表明: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;頻率低于極限頻率時,無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。
光電效應(yīng)具有瞬時性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上,吸收能量要時間,即需能量的積累過程。
新的問題要新的理論,新的創(chuàng)新,新的思維。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)射和吸收時以能量為hν的微粒形式出現(xiàn),而且在空間傳播時也是如此。也就是說,頻率為ν 的光是由大量能量為 E =hν的光子組成的粒子流,這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。
(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)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?Ek 。由能量守恒可得出:
W0為電子逸出金屬表面所需做的功,稱為逸出功
Wk為光電子的最大初動能。
(3)愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋:
①光強(qiáng)大一些,光子數(shù)多,釋放的光電子也多,所以光電流也大。
電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出,所以不需時間的累積。
從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關(guān)系
④從光電效應(yīng)方程中,初動能為零時,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)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn),因為它完全違背了光的波動理論。
5.光電效應(yīng)理論的驗證
美國物理學(xué)家密立根,花了十年時間做了“光電效應(yīng)”實驗,結(jié)果在1915年證實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
由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎。
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驗,證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。
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