河北省邢台市育才中学人教版高中物理选修3-5学案：17.2 光的粒子性 (1)

课时17.2光的粒子性1.知道光电效应,通过实验了解光电效应实验规律。

2.了解爱因斯坦光子说,并能够用它来解释光电效应现象。

3.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义,并能利用它解决一些简单问题。

4.了解康普顿效应,了解光子的动量。

重点难点:爱因斯坦光电效应方程以及意义。

教学建议:本节知识是本章的重点内容,它由光电效应的实验规律、光电效应经典解释中的疑难、光电效应方程、康普顿效应和光子的动量五部分组成,内容多、难度大。

教学中建议首先要努力创造条件做好光电效应实验,引导学生探究并得出光电效应实验规律;其次引导学生讨论探究,用经典的电磁理论解释光电效应的规律,让学生领悟出“光的电磁理论只能部分地解释光电效应”;接着再介绍爱因斯坦借鉴普朗克的量子化理论提出了“光子说”,成功地解释光电效应,领会科学家的智慧;最后通过对康普顿效应的介绍再次证明光的粒子性。

导入新课:光的干涉、衍射现象说明光是电磁波,光的偏振现象还进一步说明光是横波。

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。

本节课我们就来学习这方面知识。

1.光电效应在光(包括不可见光)的照射下物体发射出①电子的现象叫作光电效应,发射出来的②电子叫作光电子。

2.光电效应的实验规律(1)存在饱和电流:在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个③饱和值。

若光的颜色不变,入射光越强,饱和电流④越大,饱和电流与光强成正比。

即入射光越强,单位时间内发射的光电子数⑤越多。

(2)存在遏止电压和截止频率(或极限频率)遏止电压:使光电流减小到零的反向电压U c。

遏止电压的存在意味着光电子具有一定的⑥初速度,即1m e v c2=eU c。

2截止频率:当入射光的频率减小到某一数值νc时,不加反向电压也没有光电流,这表明已经没有光电子了,νc称为截止频率。

第1、2节能量量子化__光的粒子性1．能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。

黑体辐射电磁波的强度只与黑体的温度有关。

2．能量子：不可再分的最小能量值ε，ε＝hν。

3．照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象，叫光电效应。

爱因斯坦光电效应方程：E k＝hν－W0。

4．光电效应现象和康普顿效应均说明了光具有粒子性。

一、黑体与黑体辐射1．热辐射我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关。

2．黑体指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。

3．一般材料物体的辐射规律辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。

4．黑体辐射的实验规律图17-1-1黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，如图17-1-1所示。

(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加；(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

二、能量子1．定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

2．能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。

h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。

3．能量的量子化：在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。

三、光电效应的实验规律1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。

2．光电子：光电效应中发射出来的电子。

3．光电效应的实验规律：(1)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。

这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。

第十七章波粒二象性新课标要求1．内容标准（1）了解微观世界中的量子现象。

比较宏观物体和微观粒子的能量变特点。

体会量子论的建立深了人们对于物质世界的认识。

（2）通过实验了解光电效应。

知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。

（3）了解康普顿效应。

（4）根据实验说明光的波粒二象性。

知道光是一种概率波。

（5）知道实物粒子具有波动性。

知道电子云。

初步了解不确定性关系。

（6）通过典型事例了解人类直接经验的局限性。

体会人类对世界的探究是不断深入的。

例 1 通过电子衍射实验，初步了解微观粒子的波粒二象性，体会人类对于物质世界认识的不断深入。

2．活动建议阅读有关微观世界的普读物，写出读书体会。

新课程习17．2 的转折：光的粒子性★新课标要求（一）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（二）过程与方法经历探究过程，认识探究的意义，尝试应用探究的方法研究物问题，验证物规律。

（三）情感、态度与价值观领略自然界的奇妙与和谐，发展对的好奇心与求知欲，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。

★教重点光电效应的实验规律★教难点爱因斯坦光电效应方程以及意义★教方法教师启发、引导，生讨论、交流。

★教用具：投影片，多媒体辅助教设备★课时安排2 课时★教过程（一）引入新课提问：回顾前面的习，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。

）生回顾、思考，并回答。

教师倾听、点评。

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．光电效应教师：实验演示。

（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。

光的粒子性一、教学目标1、知识与技能（1）光电效应现象具有哪些规律．（2）人们研究光电效应现象的目的性．（3）爱因斯坦的光子说对光电效应现象的解释．2、过程与方法(1)观察用紫外线灯照射锌板的实验，分析现象产生的原因．(2)观察光电效应演示仪的实验过程，掌握分析现象所得到的结论．3、态度、情感、价值观结合物理学发展史使学生了解到科学理论的建立过程，渗透科学研究方法的教育．二、教学重点与难点分析：（1）光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点(2)发生光电效应时光电流的强度为什么跟光电子的最大初动能无关，只与入射光的强度成正比．三、教学过程：1、什么是光电效应现象？什么是光电子？什么是光电流？在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应现象。

发射出的电子叫做光电子。

由于光电子而导致的回路电流叫光电流。

例1、在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连.用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图5-1所示.这时( )A.锌板带正电，指针带负电B.锌板带正电，指针带正电C.锌板带负电，指针带正电D.锌板带负电，指针带负电例2、光电效应实验的装置如图5-4所示，则下列说法中正确的是()A.用紫外光照射锌板，验电器指针会发生偏转B.用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C.锌板带的是负电荷D.使验电器指针发生偏转的是正电荷例3、在图5-6所示的光电管的实验中，发现用一定频率的A 单色照射光电管时，电流表指针会发生偏转，而用另一频率的B 单色光照射时不发生光电效应，那么( )A.A 光的频率大于B 光的频率B.B 光的频率大于A 光的频率C.用A 光照射光电管时流过电流表G 的电流方向是a 流向bD.用A 光照射光电管时流过电流表G 的电流方向是b 流向a2、光电效应有那些规律？实验研究：向学生介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图所示．S 为抽成真空的光电管，C 是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K 上，金属板A 和K 组成一对电极与外部电路相连接．光源为白炽灯，在光源和石英窗口C 之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节．观察现象一：在没有光照射K 时，电压表有示数，电流表没有示数，说明什么？观察现象二：保持AK 间电压一定，灯泡亮度一定，在窗口 C 前依次放上红色、橙色、绿色滤光片，观察到红光照射金属板K 时没有光电流，橙光和绿光照射时有光电流．用红光照射时改变入射光的亮度和改变电场电压都不发生光电效应．观察现象三：逐渐减小KA 间的正向电压，直到电压为零时，电流表仍有示数，说明光电流依然存在．如果在KA 间加一反向电压，则光电流变小，增大反向电压，使光电流刚好为零．实验结论：（1）金属表面被光照射可在10-9s 的时间内打出光电子，即光电效应几乎是瞬间发生的。

17.2光的粒子性【重点难点】1光电效应的实验规律2 爱因斯坦光电效应方程以及意义【读书指导】根据读书指导，课前自主完成一、光电效应的实验规律实验演示：（参见教材图17.2-1）介绍实验器材，并引导学生观察实验现象。

问题1（A类）你发现了什么现象？这个现象说明了什么？问题2（B类）这是一种什么现象呢？如何描述？问题3（A类）光电效应还会有哪些现象呢？引导学生分析实验装置（教科书图17.2-2）问题4（B类）按图17.2-2连接的电路，AK两端的电压成为正向电压，起到什么作用的呢？（提示：试用带电粒子在电场中的运动知识解释）不加正向电压电路中有电流吗？问题5（B类）保持光照条件不变，调节滑动变阻器逐渐加大两极之间的电压，大家分析电流会怎样变化？（观察演示实验）问题6（B类）若当A接负极，K接正极时, 保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压大家分析电流会怎样变化？（提示：利用类比的思想即和问题4方法，进行分析）问题7（B类）加遏止电压，光电流为0，那么不加是否也可以为0呢？（观察演示实验）问题8（C类）按照经典理论解释加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？问题9（C类）按经典的电磁理论，请你猜想，如果入射光的频率超过截至频率，第一次用很弱的光照射，第二次用很强的光照射，请问那一次光电子从锌板跑出来的时间长些？但实验的结果又是怎样的呢？二．光电效应解释中的疑难问题10（B类）同学们根据自己已有的知识对光电效应可能发生的现象进行了猜测和分析，我们发现我们的推测与实验大相径庭，是我们学的知识错了还是面对新的实验事实应该建立新的理论呢？而根据你学过的知识和观点，哪些观点对你解释实验现象能有所启示？三．爱因斯坦的光电效应方程问题11（B类）你能否尝试用爱因斯坦的理论解释光电效应现象？【典型例题】：【例1】对于任何一种金属，必须满足下列哪种条件，才能发生光电效应 ( ) A．入射光的强度大于某一极限强度B．入射光的波长大于某一极限波长C．入射光照射时间大于某一极限时间D．入射光的频率大于某一极限频率【例2】利用光子说对光电效应的解释，下列说法正确的是( )A．金属表面的一个电子只能吸收一个光子B．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子C．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出D．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累了能量后，总能逸出成为光电子【例3】．现有a、b、c三束单色光，其频率关系为va<vb<vc c，用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应。

2光的粒子性★新课标要求（一）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（二）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。

（三）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★课时安排2 课时★教学过程（一）引入新课提问：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。

）学生回顾、思考，并回答。

教师倾听、点评。

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．光电效应教师：实验演示。

（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。

学生：认真观察实验。

教师提问：上述实验说明了什么？学生：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。

2 光的粒子性（一）三维教学目标知识与技能（1）了解光电效应现象（2）通过实验了解光电效应的实验规律。

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。

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：光电效应的实验规律教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。

教学过程：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？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。

进行新课一、光电效应的实验规律1.光电效应概念：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。

（2）光电效应实验规律①存在着电流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存在着和遏止电压，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。

U c 称遏止电压。

根据动能定理，有：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效应具有光电效应是瞬时的。

从光开始照射到光电子逸出所需时间<10-9s 。

第十七章波粒二象性〔情景切入〕1990年，德国物理学家普朗克提出了一个大胆的假设：粒子的能量只能是某一最小能量值的整数倍。

这一假说不仅解决了热辐射问题，同时也改变了人们对微观世界的认识。

光在爱因斯坦的眼里成了“粒子”，电子、质子等在德布罗意看来具有了波动性……光到底是什么？实物粒子真的具有波动性吗？让我们一起进入这种神奇的微观世界，去揭开微观世界的奥秘吧。

〔知识导航〕本章内容涉及微观世界中的量子化现象。

首先从黑体和黑体辐射出发，提出了能量的量子化观点，进而通过实验研究光电效应现象，用爱因斯坦的光子说对光电效应的实验规律做出合理解释，明确了光具有波粒二象性，进而将波粒二象性推广到运动的实物粒子，提出了德布罗意波的概念，经分析和研究得出光波和德布罗意波都是概率波以及不确定性关系的结论。

本章内容可分为三个单元：(第一～二节)主要介绍了能量量子化和光的粒子性；第二单元(第三节)介绍了粒子的波动性；第三单元(第四～五节)介绍了概率波和不确定性关系。

本章的重点是：普朗克的能量量子化假设、光电效应、光电效应方程、德布罗意波。

本章的难点是：光电效应的实验规律和波粒二象性。

〔学法指导〕1．重视本章实验的理解。

本章知识理论性很强，涉及的新概念较多，也比较抽象，但它们作为物理量都有其实验事实基础，所以在学习时要结合实验来理解它们，就不会觉得那么抽象。

2．注意体会人类认识微观粒子本性的历史进程。

人类认识微观粒子本性的进程是波浪形的，在曲折中前进，旧的理论总是被新发现、新的实验事实否定，为解释新实验事实又提出新的理论。

光电效应和康普顿效应证明了光是一种粒子，但光的干涉和衍射又证明了光是一种波，因此光是一种波——电磁波，同时光也是一种粒子——光子。

也就是说光具有波粒二象性。

光在空间各点出现的概率是受波动规律支配的，因此光是一种概率波。

3．学习本章知识会用到以前学过的知识，如光的干涉、衍射，弹性碰撞、动量定理和动能定理等，因此可以有针对性地复习过去的这些知识，对顺利学习本章内容会有帮助。

第十七章 波粒二象性17.2光的粒子性【教学目标】1．理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾。

2．知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾。

3．理解光子说及其对光电效应的解释。

4．理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题。

重点： 光电效应的规律难点：理解光子说及其对光电效应的解释。

【自主预习】1.照射到金属表面的光，能使金属中的________从表面逸出。

这个现象称为光电效应。

2．光电效应的规律(1)存在着________电流实验表明：入射光越强，饱和电流越大。

这表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数____ ____。

(2)存在着遏止________和截止________实验表明：光电子的能量只与入射光的________有关；入射光的频率低于截止频率时______ _ _发生光电效应。

(3)光电效应具有________说明：①光电效应的实质：光现象 电现象。

②定义中的光包括不可见光和可见光。

③使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线3．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的________，叫做这种金属的逸出功，用________表示，不同金属的逸出功________同。

4．光子说：电磁辐射的本身就是________，光不仅在发射和吸收能量是________，而且光本身就是一个个________的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为________，h 为普朗克常量。

这些能量子后来称为________。

5．爱因斯坦光电效应方程：________，式中E k 为光电子的________，E k ＝________。

6．美国物理学家康普顿在研究________的散射时，发现在散射的X 射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长________λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。

7．光子除了能量之外还具有动量，光子的动量p ＝________。

8.爱因斯坦的光电效应方程(1)光子说：光是不连续的，而是一份一份的，每一份光叫一个光子，一个光子的能量ε＝h ν，h ＝6.63×10－34 J·s，ν为光的频率。