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高三物理

高三物理教案:光电效应

来源:学大教育题库资源网 日期:2013年03月22

    1、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

    2、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。

    3、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

    教学方法:教师启发、引导,学生讨论、交流。

    教学用具:投影片,多媒体辅助教学设备

    (一)引入新课

    回顾前面的学习,总结人类对光的本性的认识的发展过程?

    (多媒体投影,见课件。)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)进行新课

    1、光电效应

    实验演示1:(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?(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,光电子克服电场力作功,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:

    (2)光电效应实验规律

    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νc ----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νc ,当入射光频率ν>νc 时,电子才能逸出金属表面;当入射光频率ν <νc时,无论光强多大也无电子逸出金属表面。

    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

    经典理论无法解释光电效应的实验结果。

    经典理论认为,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。

    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:

    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。

    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、展示演示文稿资料:爱因斯坦和密立根

    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。

    点评:应用物理学家的历史资料,不仅有真实感,增强了说服力,同时也能对学生进行发放教育,有利于培养学生的科学态度和科学精神,激发学生的探索精神。

    光电效应在近代技术中的应用

    (1)光控继电器

    可以用于自动控制,自动计数、自动报警、自动跟踪等。

    (2)光电倍增管

    可对微弱光线进行放大,可使光电流放大105~108倍,灵敏度高,用在工程、天文、科研、军事等方面。

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