17.2 光的粒子性：光电效应

【教学目标】

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。

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，问题设计的研究，学生讨论、交流

【教学用具】

多媒体课件、研究光电效应实验电路。

【教学过程】

（一）引入新课

提问1：回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识是怎样的一个发展过程？

学生回顾，思考并回答。

教师倾听、点评并总结，多媒体投影。

光到底是什么？这个问题早就引起了人们的注意，到17世纪时，科学家已经形成了两大对立学说。一种是光的微粒说，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播，牛顿支持微粒说。另一种是惠更斯首先提出的光的波动说，认为光是在空间传播的某种波。由于波动说没有数学基础使得当时微粒说占上风。然后从19世纪初开始，托马斯·杨、菲涅耳、马吕斯等分别观察到了光的干涉、衍射和偏振现象，这等于对微粒说宣判了死刑。19世纪60年代和80年代，麦克斯韦和赫兹先后从理论上和实验上确认了光的电磁波本质，光的波动理论似乎已经完美了。

然后在1887年赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应，发现用波动说无法解释此现象。20世纪初爱因斯坦提出了光子说，并提出了光既是波，也是粒子，具有波粒二象性。并因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

（二）进行新课

1、光电效应-现象

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，再用与丝绸摩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锌板带电，指针张角变大，说明锌板带正电。即锌板在射线照射下失去电子而带正电。

1、光电效应-定义

概念：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从金属表面逸出，这个现象称为光电效应，这种逸出的电子称为光电子。

1、光电效应-实验过程及现象

如图所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在收到光照时能够发射光电子。

电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。

我们可以调整K与A之间的电压大小，甚至可以将电源的正负极进行对调。

教师：做实验。实验步骤为：

①       断开开关，无光照，电流表和电压表指针不偏转

②       闭合开关，无光照，电压表有示数，电流表无示数

③       断开开关，有光照，电压表无示数，电流表有示数

④       闭合开关，有光照，电压表有示数，电流表有示数

⑤       增大电压，电压表示数增大，电流表示数增大，但当电压表示数增大到一定值时，电流表示数不再增加。

⑥       反接电源电压，闭合开关，电压增大，电流表示数逐渐减小为零。

⑦       断开开关，分别用红光和绿光去照射，红光电流表无示数，绿光电流表有示数。

学生：观察实验现象，并做好记录。

1、光电效应-实验规律一

教师提问：发现有光照时，为什么电流表有示数？

学生回答：说明阴极K在光照条件下，能够发射光电子，在电路中形成光电流，电流表就有示数了。

教师提问：为什么两极之间加如图所示电压，电流表示数增加？

学生回答：加如图所示电压，两极之间形成加速电场，能使更多的电子被阳极A吸收，电流增大。

教师提问：为什么电流增大到一定值之后，电压即使再增大，电流也不会增大？

学生回答：说明在一定光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，再增加电压，电流不会增大。

教师总结：实验表明，阴极K在光照条件下会发射光电子，并在电场作用下会形成光电流，存在饱和电流，进一步的实验表明，当入射光的强度越强时，饱和电流增加，说明单位时间内发射的光电子数越多。

1、光电效应-实验规律二

教师：我们将电源反接后，电场反向，光电子离开阴极后受到的电场力方向与运动方向相反，运动受到阻碍。但是为什么，电流表仍然有示数？

学生：说明电子离开阴极时有初动能，在阻力作用下仍旧可以运动到阳极形成光电流。而随着电场增大，电子正好不能达到阳极A，不能形成光电流。

教师：此时的电压值，我们就称为遏止电压。

如图为光电效应的伏安特性曲线，横坐标的截距Uc就为遏止电压。

教师：遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，如图，当最大初速度为vc时，在方向电场作用下，电子减速，正好不能到达A极，由动能定理可得，遏止电压和最大初动能应满足

进一步的实验表明，对于一定颜色的光，即一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。那么光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。

教师：我们即使不加反向电压，分别用红光和绿光去照射阴极K，发现红光没有形成光电流，这就是说，当入射光的频率减小到某一数值时，没有光电子发射，称为截止频率或极限频率，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。不同的金属的极限频率也不同。

1、光电效应-实验规律三

从实验过程中，我们发现，电流是瞬间产生的，即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转的，产生电流的时间不超过10^-9s，也就是说光电效应是在极短的时间内完成的。

2、经典理论解释光电效应的疑难

按照经典的光的电磁理论，我们应该从中得到一些其他结论：

①       入射光越强，光波的振幅越大，作用在金属中电子的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大，所以遏止电压应该还与光的强弱有关。

②       那么不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够的能量逸出表明，就不应该存在截止频率

③       如果光比较弱，按照电磁理论估算，电子吸收能量需要时间，时间远大于发生光电效应的时间。

以上从经典电磁理论得到的结论与实验结论严重不符，无法解释光电效应。

三、爱因斯坦的光量子假设

教师：爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发：他提出光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。也就是说，频率为v的光是由大量能量为E=hv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。

按照爱因斯坦的理论，在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，一部分消耗在使得电子脱离金属所做功的最小值，即逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek，由能量守恒可以得到：

hv=Ek+W0

Wo为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功，不同金属的逸出功是不同的。Ek为光电子的最大初动能。

上式即为爱因斯坦光电效应方程。

3、光子说对光电效应的解释

这个方程使得光电效应中理论与实验的矛盾迎刃而解。

①       爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才有光电子逸出，vc=W0/h就是光电效应的截止频率。

②       电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。

③       光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。

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。

4.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。

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。

第二篇：高二物理选修3-5：§17-2 光的粒子性