光电效应

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

(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c 时，电子才能逸出金属表面;当入射光频率c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h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 的光是由大量能量为 E =h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。

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。