高中物理 第5章 波与粒子 5.1 光电效应 5.2 康普顿效应教案 鲁科版选修

1、第1节光电效应第2节康普顿效应课标要求知识与技能1.了解光电效应及其实验规律2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义3.了解光电管的应用4.了解康普顿效应及其意义过程与方法1.了解物理真知形成的历史过程2.了解物理学研究的基础是实验事实以及实验对于物理研究的重要性3.知道某一物质在不同环境下所表现的不同规律特性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.课标解读1知道什么是光电效应，通过实验了解光电效应现象，知道光电效应的瞬时性和极限频率的概念及其与电磁理论的矛盾2理解爱因斯坦的光子说及光电方程，并用来解释光电效应现象3

2、了解康普顿效应的实验现象，了解光子理论对康普顿效应的解释4认识光的波粒二象性，了解玻恩的概率波对光的波粒二象性的解释，了解光在哪些情况下会表现出粒子性或波动性5了解人类探索光本质所经历的漫长而曲折的历程，认识科学的探索，是一个不断深入的、永无止境的过程教学地位本节教学应注意讲授和讨论相结合，宜从经典物理的局限性开始，引出普朗克量子假说，为后面学习爱因斯坦光子理论做好铺垫，使得教学有清晰的思路和逻辑脉络做好演示实验是教好光电效应的前提，为改善实验的演示效果，也可以先使验电器带上负电，使指针张开某一角度，光照锌板后，指针张角变小对光电效应实验结果进行理论解释是教学的难点，教学时可鼓励学生各抒己见，

3、在争论中引出矛盾，促进学生积极思考与发现通过对康普顿效应的解释进一步认识光的波粒二象性，进而认识光的本质，教学中可适当介绍有关人类对光本质的认识过程，使学生体会到科学探索的道路是曲折的、永无止境的，让学生了解光在什么情况下表现出什么不同的特性，可以举例子加以说明或让学生自己尝试解释一些实例，增进学生对光的波粒二象性和光是一种概率波的理解.新课导入建议问题导入用弧光灯照射连在验电器上的锌板，验电器的金属箔会张开一个角度你想知道上述现象的原因吗？图教511教学流程设计课标解读重点难点1.知道什么是光电效应及其实验现象2.理解光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验现象3.知道什么是

4、康普顿效应及X射线实验原理4.理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波.1.光电效应的基本规律、光子说的基本思想(重点)2.光的波粒二象性及光电效应实验(重点)3.对光电效应的理解(难点)4.光是一种概率波的建立过程(难点)光电效应1.基本知识(1)光电效应现象：在物理学中，在光的照射下电子从物体表面逸出的现象(2)光电效应的实验规律发生的条件：每一种金属对应一种光的最小频率，又称极限频率只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生光电效应当光的频率小于这个最小频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多发生

5、光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在109_s内发生光电效应(3)光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的光子组成的，每一个光子的能量为h.光在发射和吸收时能量是一份一份的(4)光电效应方程表达式：hWmv2.物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是h，这些能量一部分用于从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后的最大初动能(5)光电效应的应用光电开关光电成像光电池2思考判断(1)光电效应实验中光照时间越长光电流越大()(2)光电效应实验中入射光足够强就可以有光电流()(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关()3探究交流你对光电

6、效应中的“光”是怎样认识的？【提示】这里的光，可以是可见光，也可以是紫外线、X光等.康普顿效应及光的波粒二象性1.基本知识(1)康普顿效应X射线在石墨上散射时，发现部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关这种现象称为康普顿效应(2)康普顿的理论当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律又遵守动量守恒定律，在碰撞中光子将能量h的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长(3)康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面(4)光电效应与康普顿效应当波长较短的X射线或射线入射时，产生康普顿效应；当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生光电效应(

7、5)光的波粒二象性光的本性：光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性光是一种电磁波当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，粒子性明显2思考判断(1)康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量()(2)康普顿效应进一步说明光具有粒子性()(3)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性()3探究交流太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中，尽管太阳光线耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？【提示】地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空的真空环境下，光不再散射

8、，只向前传播光电效应现象及其理解【问题导思】1光子和光电子是一回事吗？2只要光照足够强就能有光电子逸出吗？3光电效应现象中能量守恒吗？1光电效应中的三组概念的对比概念内容联系光子与光电子光子是一份一份的能量h，不带电；光电子就是从金属中打出的电子光子入射是因，打出电子是果光电子的动能与光电子的最大初动能光电子的动能是指光电子离开金属时的动能，光电子的最大初动能是指在光电效应中从金属表面直接向外飞出的电子所具有的动能EkEkm光子的能量与入射光的强度光子的能量Eh；入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量E总NhN单位时间照在单位面积上的光子数2.对光电效应方程hWmv2的理解(

9、1)公式中的mv2是光电子的最大初动能，对某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0mv2范围内的任何数值(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程能量为Eh的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能如果克服吸引力做功最少为W，则电子离开金属表面时动能最大为mv2，根据能量守恒定律可知：hWmv2.(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件 若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即EkhW0，亦即hW，c，而c恰好是金属的极限频率(4)Ekmv曲线如图511所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率的变化曲线这里，横轴上

10、的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量图511(2013福州一中检测)入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么()A从光照射金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B逸出的光电子的最大初动能将减小C单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D有可能不发生光电效应【解析】根据光电效应的实验规律知，从光照射金属表面到光电子发射的时间间隔极短，这与光的强度无关，故A错误；实验规律还指出，逸出光电子的最大初动能与入射光频率有关，光电流与入射光强度成正比，由此可知，B、D错误，C正确【答案】C1极限频率为0的光射照金属对应逸出电子的最大

11、初动能为零，逸出功Wh0.2逸出功的大小由金属本身决定，与其他因素无关3光电效应的实质是光现象转化为电现象1用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射频率变化的Ek图象，已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ek坐标系中，如图所示中用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的是()【解析】依据光电效应方程EkhW可知，Ek图线的斜率代表普朗克常量h，因此钨和锌的Ek图线应该平行图线的横截距代表极限频率0，而0，因此钨的0小些综上所述，A图正确【答案】A对康普顿效应的理解【问题导思】1X射线照在石墨上会有

12、什么现象？2光子和电子碰撞后，波长会改变吗？3经典理论能解释康普顿现象吗？1实验现象X射线管发出波长为0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关2康普顿效应与经典物理理论的矛盾按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系3光子说对康普顿效应的解释假定X射线光子与电子发生弹性碰撞(1)光子和电

13、子相碰撞时，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)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞，则当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，如图512给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰撞过程中动量_(选填“守恒”或“不守恒”)，能量_(选填“守恒”或“不守恒”)，碰后光子可能沿_(选

14、填“1”、“2”或“3”)方向运动，并且波长_(选填“不变”、“变小”或“变长”) 碰前碰后图512【审题指导】(1)看成弹性碰撞把握动量、能量守恒(2)利用光的频率与波长的关系c/计算【解析】光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致，由矢量合成知识可知碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由Eh知，频率变小，再根据c知，波长变长【答案】守恒守恒1变长2科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子假设光子与电子碰撞前的波长为，碰撞后的波长为，

15、则碰撞过程中()A能量守恒，动量守恒，且B能量不守恒，动量不守恒，且C能量守恒，动量守恒，且D能量守恒，动量守恒，且【解析】能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律光子与电子碰撞前光子的能量Ehh，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量Ehh，由EE，可知，选项C正确【答案】C对光的波粒二象性的理解【问题导思】1爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“粒子”一样吗？2哪些实验能说明光具有波动性？3哪些实验能证明光具有粒子性？1光的粒子性的含义粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概

16、念的粒子，但也具有动量和能量(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著2光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性(概率)大小可用波动规律描述(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著3光的波粒二象性(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为(2013西安一中检测)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是()A光的频率越高，衍射现象越容易看到B光的频率越高，粒子性越显著C大量光子产生的效果往往显示波动性D光的波粒二象性否定了光的电磁说【审题指导】(1)波粒二象性是对光本质的描述(2)频率高低影响光的粒子性和波动性的表现(3)大量光子波动性显著，少量光子粒子性显著【解析】光具有波粒二