4.2光電效應第二課時教學設計

課題光電效應（第二課時）單元4學科物理年級高二

物理觀念：知道什么是光電效應理論。

科學思維：通過計算推導出光電效應理論。

學習科學探究：經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物

目標理問題，驗證物理規律。

科學態度與責任：領略自然界的奇妙與和諧，發展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然

界的奧秘，能體驗探索自然規律的艱辛與喜悅。

重點光電效應理論的理解和應用

難點光電效應理論的理解和應用

教學過程

教學環節教師活動學生活動設計意圖

導入新課①光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏

止電壓UC應與光的強弱有關。回顧上節

②不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都課所學習的光和上節課留

可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻電效應規律。下的問題銜接。

率。并引出新的內

③如果光很弱，按經典電磁理論估算，電子需容。

幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需

的能量，這個時間遠遠大于10-9S。

以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無

法用經典的波動理論來解釋光電效應。

那么以上實驗結論應該如何解釋？

講授新課一、愛因斯坦的光量子假設

愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發，明確光子

他提出：的概念，并知

1.光子：道其能量的大

光本身就是由一個個不可分割的能量子組成小。

的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后

來被稱為光子。

Eh

2.愛因斯坦的光電效應方程

一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分結合能量守

能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸分析光電恒定律分析光電

出后電子的初動能Ek，即：子的能量和逸效應方程，培養

出功之間的關學生應用能量守

hEkW0或EkhW0

系，總結出光恒定律解決問題

電效應方程。的科學思維方

式。

12

Ekmevc

2——光電子最大初動能

W0——金屬的逸出功

3.光子說對光電效應的解釋

①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與

理解光子

入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只有當h

說對光電效應

W0

c現象的解釋。

ν>W0時，才有光電子逸出，h

就是光電效應的截止頻率。

②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積

累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發生的。

③光強較大時，包含的光子數較多，照射金屬

時產生的光電子多，因而飽和電流大。

思考與討論：愛因斯坦光電效應方程給出了光

小組討論

電子的最大初動能E與入射光的頻率v的關系。但

遏止電壓與光以小組討論

是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是截

子頻率、逸出的形式，總結得

止電壓U。那么，怎樣得到截止電壓U。與光的頻

功之間的關到遏止電壓和頻

率v和逸出功W0的關系呢?

系。率、逸出功的關

利用光電子的初動能E=eUC。和愛因斯坦光

系。提高學生交

電效應方程Ek=hv-W0,可以消去E,從而得到Uc與

v、W0的關系，即流合作的能力。

hW

Uv0

Cee

對于確定的金屬，其逸出功W0是確定的，電

子電荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止

電壓Uc與光的頻率v之間是線性關系，Uc-v圖像

領略自然界

是一條斜率為h/e的直線

的奇妙與和諧，

愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當

了解科學發展對科學的好

時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了

探索發展的過奇心與求知欲，

光的波動理論。

程。樂于探究自然界

4.光電效應理論的驗證

的奧秘，能體驗

美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光

探索自然規律的

電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方

艱辛與喜悅。

程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光

量子”理論的正確。

由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了

光電效應的實驗規律,榮獲1921年諾貝爾物理學

獎。

二、康普頓效應和光子的動量

1.光的散射

光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳播方

向發生改變,這種現象叫做光的散射.

2.康普頓效應

1918~1922年，美國物理學家康普頓在研究石

墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，

除了與人射波長λ0相同的成分外，還有波長大于

λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應(Compton's

effect)。

按照經典物理學的理論，人射的電磁波引起物

質內部帶電微粒的受迫振動，振動著的帶電微粒進

而再次產生電磁波，并向四周輻射，這就是散射波。了解經典

散射的X射線頻率應該等于帶電粒子受迫振動的物理學的局限了解經典物

頻率，也就是人射X射線的頻率。相應地，X射線性。理學的局限性，

的波長也不會在散射中發生變化。體會科學發展的

因此，康普頓效應無法用經典物理學解釋。艱辛。

康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應。

他的基本思想是:光子不僅具有能量，而且具有動

量，光子的動量p與光的波長h和普朗克常量h有

關。

Emc2

推導光子

Eh動量的表達

h式。

讓學生從粒

m2

c子性和波動性理

hhh解光的波粒二象

Pmc2c

cc性。

三、光的波粒二象性

眾所周知，在麥克斯韋的電磁理論建立之后，

人們認識到光是一種電磁波,從而光的波動說被普

遍接受，人們不再認為光是由粒子組成的。而愛因

斯坦的光電效應理論和康普頓效應理論表明，光在

某些方面確實會表現得像是由一些粒子(即一個個

有確定能量和動量的“光子”)組成的。

h

P

Eh

動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來

理解光的

描述波的。

粒子性和波動

也就是說，光電效應和康普頓效應重新揭示了

性分別表現在

光的粒子性。當然，此時人們對光的粒子性的認識，

哪些方面。

是以最新的實驗和量子理論為基礎的，已經和牛頓

時代的光的粒子說根本不同，其深度遠遠超出后

者。人們意識到，光既具有波動性，又具有粒子性。

換句話說，光具有波粒二象性(wave-particle

dualism)。

從牛頓時代光的微粒說、惠更斯和托馬斯·楊

的光的波動說，到麥克斯韋的光的電磁理論，再到

愛因斯坦的光子理論乃至量子電動力學,人類對光

完成課堂

的認識構成了一部科學史詩。

練習。

課堂練習1、康普頓效應證實了光子不僅具有

能量,也有動量。如圖給出了光子與靜止電子碰撞

后,電子的運動方向,則碰后光子()

A.可能沿1方向,且波長變短

B.可能沿2方向,且波長變短

C.可能沿1方向,且波長變長

D.可能沿3方向,且波長變長

解析：因光子與電子碰撞過程動量守恒,所以碰

撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前的

方向一致,可見碰后光子的方向可能沿1方向,不可

能沿2或3方向;通過碰撞,光子將一部分動量轉移

給電子,光子的動量減小,由知,波長變長,故

C項正確。

答案：C

拓展提高1、(多選)下列對光子的認識,正確的是()

A.光子說中的光子就是牛頓在微粒說中所說

的微粒完成拓展通過習題練

B.光子說中的光子就是光電效應的光電子提高。習，總結本節知

C.在空間傳播的光是不連續的,而是一份一份識，鞏固知識掌

的,每一份叫作一個光子握程度。

D.光子的能量跟光的頻率成正比

解析：根據光子說,在空間傳播的光是不連續

的,而是一份一份的,每一份叫作一個光子。而牛頓

的“微粒說”中的微粒指宏觀世界的微小顆粒。光

電效應中,金屬內的電子吸收光子后克服原子核的

庫侖引力等束縛,逸出金屬表面,成為光電子,故A、B

選項錯誤,C選項正確。由E=hν知,光子能量E與

其頻率ν成正比,故D選項正確。

答案：CD

2、(多選)美國物理學家康普頓在研究石墨對X

射線的散射時,發現在散射的X射線中,除了與入射

波長λ0相同的成分外,還有波長大于λ0的成分,這

個現象稱為康普頓效應。關于康普頓效應,以下說法

正確的是()

A.康普頓效應說明光子具有動量

B.康普頓效應現象說明光具有波動性

C.康普頓效應現象說明光具有粒子性

D.當光子與晶體中的電子碰撞后,其能量增加

解析：康普頓效應說明光具有粒子性,B項錯

誤,A、C項正確;光子與晶體中的電子碰撞時滿足動

量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能

量轉移給電子,光子的能量會減少,D項錯誤。

答案：AC

3、(多選)如圖所示的裝置用來研究光電效應現

象,當用光子能量為2.5eV的光照射到光電管上時,

電流表G的讀數為0.2mA,改變滑動變阻器觸頭c

的位置,當電壓表的示數大于或等于0.7V時,電流

表示數為0,則()

A.光電管陰極的逸出功為1.8eV

B.開關S斷開后,沒有電流流過電流表G

C.改用光子能量為1.5eV的光照射,電流表G

也有電流,但電流較小

D.光電子的最大初動能為0.7eV

解析：該裝置所加的電壓為反向電壓,發現當電

壓表的示數大于或等于0.7V時,電流表示