4.2光电效应(第2课时） 教案-2021-2022学年高中物理人教版（2019）选择性必修3

4.2光电效应(第2课时）

〖教材分析〗

本节由光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性三部分组成，其中光电效应方程是本节重点内容，它进一步揭开了光的粒子特性。光的波粒二象性教材中先通过科学们对光的本性的历史过程简单回顾，引入二象性的理论。本节教材是对学生进行类比思想方法以及物理兴趣培养的好题材。

〖教学目标与核心素养〗

物理观念∶形成光量子初步的物理观念，通过学习康普顿效应解释一些天空为什么是蓝的现象，能应用光的波粒二象性解决一些实际问题。

科学思维∶运用光量子假说成功解释光电效应和康普顿效应，形成光具有能量和动量的思维观念。

科学探究：通过光量子假说分析光电效应的实验规律和康普顿效应。

科学态度与责任∶通过物理学史的学习，使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，培养学生类比思想，以及严谨的科学思维。

〖教学重难点〗

教学重点：光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。

教学难点：光电效应方程和光的波粒二象性。

〖教学准备〗

多媒体课件等。

〖教学过程〗

一、新课引入

复习回顾光电效应的实验规律。

存在截止频率，与频率有关；存在饱和电流，与光强有关；存在遏止电压，与频率有关；光电效应的瞬时性。

光电效应中，光照射的瞬间就发出了光电子，而它的最大时动能以及光电效应的产生条件都跟频率有关。这和波动理论格格不入，那到底应该如何解释他们。这引发了物理学家们的认真思考。

二、新课教学

（三）爱因斯坦的光电效应理论

1.光量子理论

能量量子化认为：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。

借用这一观点，爱因斯坦提出光量子化模型。

光量子认为：光不但在发射和吸收的时候，能量是一份一

份的，而且光本身就是由一份一份的能量子组成的。

光子的能量：E = hν

也就是说光其实是由光子组成的，这些光子沿光的传播方向，以光速c 运动。

2.光电效应方程

按照爱因斯坦的理论，当光子照到金属上时，金属中

的电子吸收一个光子获得的能量是hv ，在这些能量中，一

部分大小为W 0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸

出后电子的初动能。即

E k =hv-W 0 式子中为光电子的最大动能2c e k v m 2

1E

，W 0是金属的逸出功 。称为爱因斯坦光电效应方程。

通过这个方程爱因斯坦完美的解释了光电效应实验的规律。

3.爱因斯坦对光电效应实验规律的解释

①截止频率的解释 通常所说的光强是指光的总能量，对于同一频率的光，单个光子的能量相同，因此光强大就说明光子的数量多。电子要想从金属那逃出来，就需要克服金属的引力做功。这类功当中最小的叫做逸出功用w 0表示，当电子被光照射时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv 的能量。

如果吸收的能量大于逸出功hv>W 0，就会产生光电效

应。

如果频率不够，即使增加光强，或者增加照射时间，

也只是增加了光子的数量，并不能提高单个光子的能量，

所以仍然不能产生光电效应。这就解释了截止频率现象。

当hv =w 0时，h W v 0c =,此时的频率就是极限频率。把它绘制成图像就是这样的。

②遏止电压的解释 E k =hv-W 0

2c e k v m 21E = c 2c e eU v m 2

1= 通过这三个方程，光电子的最大初动能E K 与入射光的频率v 有关，而与光的强弱无关。这就解释了遏止电压和光强无关。

③瞬时性的解释

这是由于电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。 ④饱和电流的解释

对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。

理论是完美的，实践才是检验真理的标准。

思考与讨论

爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能 E k 与入射光的频率v 的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 U c 。

那么，怎样得到截止电压U c 与光的频率v 和逸出功W 0的关系呢?

4.密立根验证光电效应方程

E k =hv-W 0

2c e k v m 2

1E = c 2c e eU v m 2

1= 综合这三个式子就可以得到U c 和频率v 的关系：

e

W v e h U 0C -= 这样一来斜率就是e h k =，而纵轴的截距就是e

W 0-。至于根横轴的截距，它

是逸出光电子的最大初动能为零的入射光频率，刚好

能发生光电效应，这就是这种金属的极限频率。如图

密立根他通过测量金属的遏止电压U c 和入射光

的极限频率v ，计算出布朗克常量h ，并与普朗克通

过黑体辐射得出的h 相比较。通过两种方法得出的普

朗克常量h 基本上是一致的，误差不超过0.5%。这为爱因斯坦光电效应方程提供了直接证据，又一次证明了光量子理论的正确。

（四）康普顿效应和光子的动量

1.康普顿效应

1918～1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X 射线的散射时，发现在散射的X 射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。

2.经典理论的解释康普顿效应

按照经典电磁理论：振动频率=入射光频率=散射光频率。

所以散射出来的射线不应该有波长大于λ0的成分，因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。

3. 光子模型解释康普顿效应

康普顿用光子的模型成功地解释了这种效应。

他的基本思想是∶光子不仅具有能量，而且具有动量，光

子的动量p 与光的波长λ和普朗克常量h 有关。这三个量之间

的关系式为： λh p =

波长变长的解释

按照这个理论，光子与电子相互作用，使得电子动量增加。根据动量守恒，