第十七章 波粒二象性
第2节 光的粒子性
学习目标：
1、通过实验了解光电效应的实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法 2、通过探究知道爱因斯坦光电效应方程及物理意义，体会面对科学疑难时的创新精
神
预习案
一、知识准备
1、 电场力做功具有怎样的特点？ 2、 光的波动理论中如何定义光的强度？
3、 光的频率与颜色具有怎样的对应关系？普朗克的能量量子化理论说明了什么？ 二、预习引导
1．请简要说明光电效应现象
2．谈谈你对光电效应三条实验规律中一些概念的理解：“饱和电流”、“遏止电压“、”截止频率”、“瞬时性”
3．如何理解金属的“逸出功”，光电效应的实验规律中哪些是光的波动理论无法解释的
4、根据爱因斯坦的光子论和光电效应方程你能尝试解释光电效应的实验规律吗
探究案
一、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。本节课我们就来学习这方面知识。
二、质疑探究
探究点一：光电效应的实验规律
视频演示实验1：用弧光灯照射擦得很亮的锌板，观察验电器指针张角的变化。
问：通过演示实验呈现的现象说明了什么结论
总结1：光电效应： 光电子： 光电流：
问1：改用白炽灯光照射，不能产生这一现象，说明使锌板产生光电效应的条件由什么决定？
问2：（演示）改变光照强度，光电效应现象发生的时间将如何变化？
结论2：实验规律1、光电效应条件 2、光电效应发生时间
问3：结合研究光电效应的电路图，试分析电路中的光电流是如何形成的？若不加电压,电流表中有电流通过吗？
问4：加电压的作用是什么？在光照条件不变（光的频率和强度）的情况下，光电流随电压如何变化？视频演示实验2：光电流的产生及其特征
结论3（实验规律3）：在光照条件不变的情况下，光电流存在饱和值说单位时间内发射的光电子数一定，根据实验结论分析单位时间内发射的光电子数由什么决定？
问5：如果把电源的正负极调换（加反向电压），光电流随反向电压如何变化？
视频演示实验3：
问6：光电流随反向电压的变化关系，通过实验得出U-I图像，图像包含了哪些信息？根据演示实验，结合光电流随电压的变化关系图，总结遏止电压及其决定因素
将电源正负极调换，光电流并不立即消失，这说明逸出的光电子具有一定的初动能，依据遏止电压的特征，说明光电子的初动能具有最大值，试分析光电子最大初动能与遏止电压的关系。那么，决定光电子最大初动能的因素是什么？
结论4：实验规律4、遏止电压及其对应关系：电子的最大初动能及其决定因素
规律总结：1、 2、 3、 4、
针对练习1、若用绿光照射某种金属板不能发生光电效应，则下列哪一种方法可能使该金属发生光电效应（ ）
A. 增大入射光的强度: B. 增加光的照射时间 C. 改用黄光照射 D. 改用紫光照射
2、如右图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是( )
A．入射光太弱 B．入射光波长太长 C．光照时间短 D. 电源正负极接反
归纳总结光电效应实验的四条规律
探究点二：利用经典波动理论解释光电效应实验规律遇到的疑难
经典波动理论的问题情景：一种单色光，光照强度为E（单位时间到达单位面积的光的能量）照射到某金属表面，已知该金属原子最大面积为S，试分析单个原子单位时间内能吸收的光的能量。若单个原子吸收能量为W0时，原子最外层某个电子接受全部能量而脱离原子的束缚成为光电子，这种单色光需照射多长时间才能产生光电子？
问1：根据经典波动理论，产生光电效应的条件由什么决定？
问2：根据经典波动理论，光电效应产生的时间由什么因素决定？
问3：根据经典波动理论，遏止电压应该与哪一因素有关？
归纳总结用经典波动理论解释光电效应实验规律遇到的疑难
探究点三：爱因斯坦的光量子假设及光电效应方程（历史背景及科学观）
问1：总结光子论；依据爱因斯坦的光量子理论，频率为υ的单色，光照强度为E（单位时间到达单位面积的光的能量），求单位时间到达单位面积上的光子数
问2：光子和电子的作用具有哪些特征？谈谈你对“逸出功”、光电子的“最大初动能”概念的理解。这些物理量的基本关系是什么？
总结1：光电效应方程：
总结2：如何用光量子理论及光电效应方程解释光电效应实验的四条规律？
（1）瞬时性 （2）截止频率 （3）饱和电流 （4）遏止电压
针对练习3：在光电效应实验中，某同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如下图所示．则可判断出( )
A．甲光的频率大于乙光的频率 B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
探究点四：回顾光电效应实验电路，根据遏止电压与光电子最大初动能之间的关系，如何通过实验测量普朗克常量和金属的逸出功，需要测量哪些物理量？如何处理数据得出结论？（密立根实验）
针对练习4、下表是按照密立根的方法进行试验时得到的某金属的Uc和?的几组数据。
Uc/V 0.514 5.644 0.637 5.888 0.714 6.098 0.809 6.303 0.878 6.501 ?/104Hz 根据表中数据作出Uc—?图象，结合图像求解： （1）这种金属的截止频率; （2）普朗克常量。
训练案
1、光电效应的规律中，经典波动理论不能解释的有 ( )
A.射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才能产生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大
—
C.入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过109s D.当入射光频率大于极限频率时，光电子数目与入射光强度成正比
2、单色光照射到某金属表面上发生光电效应，若光的强度减弱，而频率保持不变，那么 ( )
A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B．选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小 D．有可能不发生光电效应
3、氦氖激光器发射波长为λ的单色光，若该激光器的发光功率为P，则每秒钟发射多少个光子?
4、如图所示，阴极K用极限频率为υ0的金属铯制成的，用频率为υ的绿光照射面积为S的阴极，调整两个极板电压使光电流达到饱和，此时电流表示数为I，求光照强度E（及单位时间到达单位面积的能量）和光电子飞出阴极时的最大初动能；
