光的粒子性
教案
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17.2 科学的转折:光的粒子性
三维教学目标
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
教学过程:
第一节 科学的转折:光的粒子性
(一)引入新课
回顾前面的学习,
总结
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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
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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。
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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: 12mv,eUecc(2)光电效应实验规律 2
? 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。
? 截止频率ν----极限频率,对于每种金属材料,都相应的有一确c
定的截止频率ν,当入射光频率ν>ν时,电子才能逸出金属表面;当c c
入射光频率ν <ν时,无论光强多大也无电子逸出金属表面。 c-9 ? 光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间<10s。
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。
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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:
h,,E,Wk0
W为电子逸出金属表面所需做的功,称为逸出功。W为光电子的最大0k
初动能。
(3)爱因斯坦对光电效应的解释
?光强大,光子数多,释放的光电子也多,所以光电流也大。
?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。
?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
W0,, ?从光电效应方程中,当初动能为零时,可得极限频率: ch
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。
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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。
7、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:
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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~散射中出现的现象,称为康普顿散射。 ,,,0
康普顿散射曲线的特点:
,? 除原波长外出现了移向长波方向的新的散射波长 ,0
? 新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为 ,,,,,,,0
,有关,而与散射物质种类及入射的X射线的波长的偏移只与散射角
-3,,波长无关,= 0.0241Å=2.41×10nm(实,,,,,,,,(1,cos,) 0c0c
,,验值)称为电子的Compton波长只有当入射波长与可比拟时,康普0c
顿效应才显著,因此要用X射线才能观察到康普顿散射,用可见光观察不到康普顿散射。
(4)经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
?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
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受迫振动,其频率等于入射光频率,所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。
?无法解释波长改变和散射角的关系。
(5)光子理论对康普顿效应的解释
?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。
?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。
?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。
(6)康普顿散射实验的意义
?有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设;
?首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设;?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。 (7)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
2E,h,?E,mc
用来描述波的
h,m?,2c
,,hhh?P,mc,,c,,2cc,
展示演示文稿资料:康普顿
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。展示演示文稿资料:吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年,吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作.
1925—1926年,吴有训用银的X射线(=5.62nm) 为入射线,以15,0
种轻重不同的元素为散射物质,在同一散射角( )测量各种波长,,120:
的散射光强度,作了大量X射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。
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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。
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