2019-2020年高中物理 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3-5.doc

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2019-2020年高中物理 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3-5 ●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．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，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5－1－1 ●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 ①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． ②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． ③发生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10－9_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hν.光在发射和吸收时能量是一份一份的． (4)光电效应方程 ①表达式：hν＝W＋mv2. ②物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，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 ①光电开关． ②光电成像． ③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hν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γ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． (5)光的波粒二象性 ①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． ②光是一种电磁波． ③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，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hν，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 Ek≤Ekm 光子的能量与入射光的强度 光子的能量E＝hν；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＝Nhν N—单位时间照在单位面积上的光子数 2.对光电效应方程hν＝W＋mv2的理解 (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0～mv2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E＝hν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： hν＝W＋mv2. (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Ek＝hν－W＞0，亦即hν＞W，ν＞＝νc，而νc＝恰好是金属的极限频率． (4)Ekm－v曲线．如图5－1－1所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量． 图5－1－1 　(xx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】　C 1．极限频率为ν0的光射照金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W＝hν0. 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ν变化的Ek—ν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－ν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Ek＝hν－W可知，Ek－ν图线的斜率代表普朗克常量h，因此钨和锌的Ek－ν图线应该平行．图线的横截距代表极限频率ν0，而ν0＝，因此钨的ν0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】　 1．X射线照在石墨上会有什么现象？ 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λ0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5－1－2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5－1－2 【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ν＝c/λ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E＝hν知，频率变小，再根据c＝λν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λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中(　　) A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′ D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′ 【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E＝hν＝h，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E′＝hν′＝h，由E＞E′，可知λ＜λ′，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． 　(xx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】　光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误．光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B对、A错误．大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C对． 【答案】　BC 1．光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证． 2．波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低波长长的光，波动性显著． 3．对光的认识，下列说法正确的是(　　) A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下，光的粒子性表现明显 【解析】　本题考查光的波粒二象性．光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确． 【答案】　ABD 综合解题方略——光电效应规律的应用 　　 　 图5－1－3 (xx福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖，某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图5－1－3所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是________．(填选项前的字母) A．逸出功与ν有关 B．Ekm与入射光强度成正比 C．当ν<ν0时，会逸出光电子 D．图中直线的斜率与普朗克常量有关 【规范解答】　每种金属的逸出功是由自身因素决定，A错误；由光电效应方程知Ekm＝hν－W0，Ekm与ν有关，而与光强无关；当ν<ν0时金属不可能发生光电效应；图中直线与h有关，由此知B、C错误，D正确． 【答案】　D 在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图像结合起来，经分析、推导得出图像的斜率及在图像横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力. 【备课资源】(教师用书独具) X射线的发现 1895年11月8日晚，伦琴陷入了深深的沉思．他以前做过一次放电实验，为了确保实验的精确性，他事先用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实，并且用一个没有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出．可是现在，他却惊奇地发现，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕(这个屏幕用于另外一个实验)发出了光．而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色——这说明它们已经曝光了！ 这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了伦琴的注意，使他产生了浓厚的兴趣．他想：底片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子．不过目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射线”． 于是，伦琴开始了对这种神秘的X射线的研究． 他先把一个涂有磷光物质的屏幕放在放电管附近，结果发现屏幕马上发出了亮光．接着，他尝试着拿一些平时不透光的较轻物质——比如书本、橡皮板和木板——放到放电管和屏幕之间去挡那束看不见的神秘射线，可是谁也不能把它挡住，在屏幕上几乎看不到任何阴影，它甚至能够轻而易举地穿透15毫米厚的铝板！直到他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上才出现了金属板的阴影——看来这种射线还是没有能力穿透太厚的物质．实验还发现，只有铅板和铂板才能使屏不发光，当阴极管被接通时，放在旁边的照相底片也将被感光，即使用厚厚的黑纸将底片包起来也无济于事． 接下来更为神奇的现象发生了，一天晚上，伦琴很晚也没回家，他的妻子来实验室看他，于是他的妻子便成了在那不明辐射作用下在照相底片上留下痕迹的第一人．当时伦琴要求他的妻子用手捂住照相底片．当显影后，夫妻俩在底片上看见了手指骨头和结婚戒指的影象. 1896年1月5日，在柏林物理学会会议上展出了很多X射线的照片，同一天，维也纳《新闻报》也报道了发现X射线的消息．这一伟大的发现立即引起人们的极大关注，并很快传遍全世界．在几个月的时间里，数百名科学家为此进行调查研究，一年之中就有上千篇关于X射线的论文问世． 伦琴虽然发现了X射线，但当时的人们——包括他本人在内，都不知道这种射线究竟是什么东西．直到20世纪初，人们才知道X射线实质上是一种比光波波长更短的电磁波，它不仅在医学中用途广泛，成为人类战胜许多疾病的有力武器，而且还为今后物理学的重大变革提供了重要的证据．正因为这些原因，在1901年诺贝尔奖的颁奖仪式上，伦琴成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人，人们为了纪念伦琴，将X(未知数)射线命名为伦琴射线. 1．(xx海口检测)在演示光电效应实验中，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，验电器的指针张开一个角度，如图5－1－4所示，这时(　　) 图5－1－4 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 【解析】　弧光灯发出的紫外线照射锌板，发生光电效应，有电子从锌板飞出，锌板由于失去电子而带正电；验电器与锌板相连接，指针带正电．故B项正确． 【答案】　B 2．关于光的本性，下列说法中正确的是(　　) A．光子说并没有否定光的电磁说 B．光电效应现象反映了光的粒子性 C．光的波粒二象性是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的 D．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性 【解析】　光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律．光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的． 【答案】　AB 3．频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为hν/c，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的运动方向，这种现象称为光的散射．散射后的光子(　　) A．改变原来的运动方向，但频率保持不变 B．光子将从电子处获得能量，因而频率将增大 C．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上，但方向相反 D．由于电子受到碰撞时会吸收光子的一部分能量，散射后的光子频率低于入射光的频率 【解析】　电子能量增加，光子能量减少，而光速不变，由E＝hν知，光子频率减小，A、B均错误，D正确．光子散射后运动方向不一定与电子运动方向共线，C错误． 【答案】　D 4．(xx海南高考)产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能Ek，下列说法正确的是________． A．对于同种金属，Ek与照射光的强度无关 B．对于同种金属，Ek与照射光的波长成反比 C．对于同种金属，Ek与照射光的时间成正比 D．对于同种金属，Ek与照射光的频率成线性关系 E．对于不同种金属，若照射光频率不变，Ek与金属的逸出功成线性关系 【解析】　Ek＝hν－W＝h－W，同种金属最大初动能逸出功相同，最大初动能与照射光强度无关，与照射光的波长有关但不是反比例函数关系，最大初动能与入射光的频率成线性关系，不同种金属，保持入射光频率不变，最大初动能Ek与逸出功成线性关系． 【答案】　ADE