量子物理第一课《光电效应》.docx
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量子物理第一课《光电效应》
第一课时
今天我们上课的内容是第十五章《量子物理》中的《光电效应》。
在上课的课程安排上面呢,我会按照以下的顺序来展开。
首先是知识回顾,然后引入课题,课堂展开,课堂深入,以及最后的小结和拓展。
首先我们来看一下知识回顾的部分。
一、知识回顾
量子物理是现代物理学发展的前沿,也是现代物理学研究的一个主要方向。
那么从经典物理发展到量子物理,很多优秀的科学家都作出了他们著名的贡献。
接下来,我们就来了解一下几位著名的科学家所作的科学工作。
首先,第一位呢,牛顿,在这个图上呢,大家就可以看到牛顿所做的主要工作。
在这里,首先呢,他对于行星的运动进行了研究,还有呢,对于光学现象,他用三棱镜作了一个分光的实验。
在光学研究中,他认为光是具有微粒性的。
在这个苹果的图中,大家可以知道,由于苹果砸在了他的头上,他就想到了为什么行星能够在固定的轨道上绕着太阳运动,也就是万有引力定律。
通过牛顿的解释,我们了解了天体的运动。
牛顿是经典物理学中的一位著名的科学家,而量子物理学的研究则是开始于普朗克。
普朗克在研究黑体辐射的规律的时候,他指出辐射的能量不是连续不断的传递的,而是一份一份以基本能量子的整数倍的方式传递的,也就是普朗克的能量子假说。
这个假说的公式中,大家可以知道,hμ代表一个基本的能量单位,n代表的是整数倍,所以所有的能量都是某个基本能量子的整数倍。
普朗克提出的量子假说开启了量子物理研究的先河,所以他奠定了量子物理研究的里程碑。
而在量子物理研究中,另外一位著名的科学家爱因斯坦,他最著名的是相对论。
从这句古话中,大家可以知道,这是对于相对论的一个描述。
爱因斯坦的相对论提出,在飞速运动的飞船中,时间的流逝会比在地球上慢很多。
这句话的含义就表明,在“洞”中才过了一天,在地球上可能已经过了千年。
在26岁那年,爱因斯坦就提出了狭义相对论。
而在同一年中,他提出了对光电效应现象的理论解释。
接下来呢,我们就详细了解一下这个光电效应。
首先呢,大家一起来看一下这个视频资料。
这个视频中给我们举的例子是太阳能汽车。
太阳能汽车之所以能够提供这样的能源,我们可以思考一下它是通过什么样的装置来提供汽车运动的能源的。
其实它就是通过这样的太阳能电池板,太阳能电池板的利用可以提供大量的电能,让车能够运动。
从物理原理上大家再来思考一下,为什么会具有这样的一个太阳能电极板的功能。
实际上,他用到的基本的物理原理就是我们今天上课的内容,光电效应。
接下来,我们从光电效应的实验入手,来了解一下它的基本实验现象。
看一下右边这个动画,在动画中,大家可以看到,当有阳光照射到金属极板的时候,会产生电流,电流会导致指针发生偏转。
大家再来看,这是一块金属锌板,金属锌板连着一块验电器,那我们说在正常的时候这个金属都是不带电的,那么验电器的指针也就不会发生偏转。
可是现在呢,我用弧光灯照射锌板,当弧光灯产生的射线照射到锌板上的时候,同学们看这个验电器的指针发生了偏转。
并且呢,我们进一步用实验来验证的时候呢,验电器带了正电。
那么验电器带了正电意味着什么呢,就是说在金属锌板上的电子跑出去了,是不是呢,金属锌板失去了电子,我们就把这种现象呢,叫做光电效应。
什么叫光电效应呢,就是锌板在光线的照射下,由于它失去了电子带了正电,那这种现象呢,我们就叫它光电效应,那么具体的光电效应定义是什么呢,我们一起来看一下。
光照射到金属表面,使电子从金属表面逸出的现象叫做光电效应。
电子吸收光的能力才能逸出,出来的电子既不叫电子,也不叫光子,我们把从金属板中逸出的电子叫光电子。
大家注意一下,这个光电子并不是一种新的电子,只是我们为了叙述起来比较方便给它起的一个名字。
那么,在实验图中,我们来详细的说明一下实验的原理。
在这个图里面,我们可以看到,当光线照射到极板时,里面的电子就会逸出,而逸出的电子到达了右边的极板后,就会进入回路,从而形成电流。
这个实验是由赫兹首先做出来的。
接下来我们讨论一下产生光电效应的条件。
我们先来看一段视频,我们可以看到这个画面中有验电器、锌板和弧光灯。
我们用蓝光照射锌板的时候,验电器指针发生偏转,说明锌板失去电子带正电;如果用黄光照射锌板,验电器不发生偏转,说明此时锌板没有失去电子,不带电;这两个实验对比我们可以得出一个什么样的结论呢?
是不是说明光的频率是影响光电效应发生的一个条件?
大家在学习单上填写一下所看到的现象。
我们再来看光强会不会影响光电效应的发生,当我们增大黄光的光强的时候可以看到验电器还是没有发生偏转,说明锌板不带电,还是没有发生光电效应,所以光电效应的产生与否与光强无关;再来看看照射时间是否会影响光电效应的发生,我们增大黄光的照射时间,同样的,锌板还是不带电,验电器没有发生偏转,所以光的照射时间也不是影响光电效应产生的条件。
同学们将自己看到的现象填写到学习单上。
我们可以从这些现象中得出什么结论?
四人一组,大家讨论一下。
通过哪些组实验,得出哪些结论。
二、引入共享单车
教学目标
教师活动
学生活动
总括课堂内容(2分钟)
今天我们上课的内容是第十五章《量子物理》中的《光电效应》。
在上课的课程安排上面呢,我会按照以下的顺序来展开。
首先是知识回顾,然后引入课题,课堂展开,课堂深入,以及最后的小结和拓展。
光电效应背景知识(3分钟)
首先我们来看一下知识回顾的部分。
量子物理是现代物理学发展的前沿,也是现代物理学研究的一个主要方向。
那么从经典物理发展到量子物理,很多优秀的科学家都作出了他们著名的贡献。
接下来,我们就来了解一下几位著名的科学家所作的科学工作。
首先,第一位呢,牛顿,在这个图上呢,大家就可以看到牛顿所做的主要工作。
在这里,首先呢,他对于行星的运动进行了研究,还有呢,对于光学现象,他用三棱镜作了一个分光的实验。
在光学研究中,他认为光是具有微粒性的。
在这个苹果的图中,大家可以知道,由于苹果砸在了他的头上,他就想到了为什么行星能够在固定的轨道上绕着太阳运动,也就是万有引力定律。
通过牛顿的解释,我们了解了天体的运动。
牛顿是经典物理学中的一位著名的科学家,而量子物理学的研究则是开始于普朗克。
普朗克在研究黑体辐射的规律的时候,他指出辐射的能量不是连续不断的传递的,而是一份一份以基本能量子的整数倍的方式传递的,也就是普朗克的能量子假说。
这个假说的公式中,大家可以知道,hμ代表一个基本的能量单位,n代表的是整数倍,所以所有的能量都是某个基本能量子的整数倍。
普朗克提出的量子假说开启了量子物理研究的先河,所以他奠定了量子物理研究的里程碑。
而在量子物理研究中,另外一位著名的科学家爱因斯坦,他最著名的是相对论。
从这句古话中,大家可以知道,这是对于相对论的一个描述。
爱因斯坦的相对论提出,在飞速运动的飞船中,时间的流逝会比在地球上慢很多。
这句话的含义就表明,在“洞”中才过了一天,在地球上可能已经过了千年。
在26岁那年,爱因斯坦就提出了狭义相对论。
而在同一年中,他提出了对光电效应现象的理论解释。
接下来呢,我们就详细了解一下这个光电效应。
以太阳能汽车和共享单车为例进行课堂引入,引出本节内容——光电效应(5分钟)
我们身边出现了很多共享单车,大家有骑过吗?
回答:
骑过
那么大家知道共享单车是如何解锁的吗?
我们以摩拜单车为例
扫二维码自动开锁
对,这是一种电子锁,那你们有没有思考过电子锁的电是从哪来的?
车筐里的太阳能电池板
是的,这是一种供电方式,车筐里的太阳能电池板把光能转换成电能
大家一起来看一下这个视频资料。
这个视频中给我们举的例子是太阳能汽车。
太阳能汽车之所以能够提供这样的能源,我们可以思考一下它是通过什么样的装置来提供汽车运动的能源的。
其实它就是通过这样的太阳能电池板,太阳能电池板的利用可以提供大量的电能,让车能够运动。
从物理原理上大家再来思考一下,为什么会具有这样的一个太阳能电极板的功能。
实际上,他用到的基本的物理原理就是我们今天上课的内容,光电效应。
接下来,我们从光电效应的实验入手,来了解一下它的基本实验现象。
课堂展开(10分钟) 通过演示实验,定性分析光电效应现象
看一下右边这个动画,在动画中,大家可以看到,当有阳光照射到金属极板的时候,会产生电流,电流会导致指针发生偏转。
大家再来看,这是一块金属锌板,金属锌板连着一块验电器,那我们说在正常的时候这个金属都是不带电的,那么验电器的指针也就不会发生偏转。
可是现在呢,我用弧光灯照射锌板,当弧光灯产生的射线照射到锌板上的时候,同学们看这个验电器的指针发生了偏转。
并且呢,我们进一步用实验来验证的时候呢,验电器带了正电。
那么验电器带了正电意味着什么呢,就是说在金属锌板上的电子跑出去了,是不是呢,金属锌板失去了电子,我们就把这种现象呢,叫做光电效应。
什么叫光电效应呢,就是锌板在光线的照射下,由于它失去了电子带了正电,那这种现象呢,我们就叫它光电效应,那么具体的光电效应定义是什么呢,我们一起来看一下。
光照射到金属表面,使电子从金属表面逸出的现象叫做光电效应。
学生填写学习单
电子吸收光的能量才能逸出,出来的电子既不叫电子,也不叫光子,我们把从金属板中逸出的电子叫光电子。
大家注意一下,这个光电子并不是一种新的电子,只是我们为了叙述起来比较方便给它起的一个名字。
PPT上显示光电子概念。
学生根据所学内容填写学习单
那么,在实验图中,我们来详细的说明一下实验的原理。
在这个图里面,我们可以看到,当光线照射到极板时,里面的电子就会逸出,而逸出的电子到达了右边的极板后,就会进入回路,从而形成电流。
这个实验是由赫兹首先做出来的。
接下来我们讨论一下产生光电效应的条件。
课堂深入(20分钟) 探究“光电效应”发生机制与影响因素
电子吸收光的能量才能逸出,那你思考一下,能否发生光电效应可能跟光的哪些因素有关系?
大家可以猜想一下。
教师书写【板书】猜想:
光的强度、光的频率、板的材料、光照时间。
光照强弱、光的频率、波长、板的材料、光照时间、光照角度
我们来看一段视频,我们可以看到这个画面中有验电器、锌板和弧光灯。
我们用紫外线照射锌板的时候,验电器指针发生偏转,说明锌板失去电子带正电;如果用白光照射锌板,验电器不发生偏转,说明此时锌板没有失去电子,不带电;(这两个实验对比我们可以得出一个什么样的结论呢?
是不是说明光的频率是影响光电效应发生的一个条件?
)大家在学习单上填写一下所看到的现象。
我们再来看当光照射金属铯时候的现象。
我们用白光照射铯金属,验电器发生了偏转,说明有电子逸出,发生了光电效应;用蓝光照射铯金属时,验电器也发生了偏转,用黄光照射铯金属,同样的也会发生偏转;再来看,我们如果用红光照射铯金属,验电器是不是没有发生偏转呢?
接下来我们改变红光的光照强度,看看光强会不会影响光电效应的发生,当我们增大红光的光强的时候可以看到验电器还是没有发生偏转,说明金属铯不带电,还是没有发生光电效应,所以光电效应的产生与否与光强无关;再来看看光照时间是否会影响光电效应的发生,我们增大红光的照射时间,同样的,铯金属还是不带电,验电器没有发生偏转,所以光的照射时间也不是影响光电效应产生的条件。
同学们将自己看到的现象填写到学习单上。
我们可以从这些现象中得出什么结论?
四人一组,大家讨论一下。
通过哪些组实验,得出哪些结论。
【板书】实验结论:
能否发生光电效应1.与光的频率有2.与光强无关3.与光照时间无关
通过实验对比发现,能否发生光电效应与光强无关,与光照时间无关,与光的频率有关。
我们发现能否发生光电效应与光的频率有关,你发现哪种色光不能使铯金属发生光电效应啊?
红光。
对于金属而言,一定存在一种能使它发生光电效应的入射光的最小频率要求,我们把这个最小频率叫做截止频率。
能够使金属发生光电效应的入射光的最小频率,叫截止频率,也叫极限频率。
换句话说,这光的频率得怎么样才能发生光电效应?
教师板书(μ>μ0时才能发生光电效应)
得超过截止频率
通过科学家测定发现,铯金属发生光电效应的截止频率恰好等于黄光的频率,那就是它的截止频率。
那你说,锌板发生光电效应的截止频率应该是什么光的频率呢?
紫外线
紫外线,为什么不是紫光呢?
谁能来说一下?
白光是由七色光组成的,包括紫光。
实验发现白光不能使锌板发生光电效应,说明紫光也不能使锌板发生光电效应。
因为七色光都没有使锌板发生光电效应,而挨着可见光的就是紫外线,所以锌板的截止频率等于紫外线的频率。
大家翻开书,73页,看表格4-2-1,给了几种金属的截止频率。
通过这个表格,你能看出什么?
我们找同学来说一下。
我们只关注截止频率。
铷最容易发生光电效应,因为它的截止频率最小,所以它发生光电效应需要的光照频率要求最小。
截止频率越小,是不是越容易发生光电效应啊?
而且不同金属的截止频率不同。
【板书】(μ>μ0,不同金属μ0不同)
我们再回过头来看看我们的实验结论跟我们的猜测一致吗?
跟光的强度无关,跟光的频率有关,跟板的材料有关,跟光照时间无关。
你观察一下,光强和光照时间,我们猜测跟这两个因素有关,你是根据什么猜测的?
我们之前对光的认识,是光具有波动性,哪些实验能说明光具有波动性?
衍射、干涉、偏振
我们认识到光是一种电磁波对吗?
它的传播是连续的吧,那么光连续传播,电子就会从光中持续吸收能量对吗?
所以我们猜光照时间长,电子吸收能量多啊?
是不是光越强,电子吸收能量越多啊?
但是我们根据我们之前所学的波动说,所得的结论却跟实验结论是不相符的,是不是出现了矛盾啊?
出现了矛盾说明了什么?
说明光除了具有波动性,可能还存在其他性质,是吧?
这个性质我们下节课再来讨论。
课堂小结(5分钟)
大家回顾一下我们这节课所学的内容。
我们学习了光电效应和光电子的定义、光电效应的现象以及发生光电效应的影响因素。
大家课下认真复习,我们下节课再见。
教学目标
教师活动
学生活动
波动说与实验结论的冲突
上节课我们说到我们猜想的“光强、光照时间”是根据之前学的光的波动说提出的猜想,光的波动说认为光是连续的,与上节课的实验结果不符。
看来波动理论解释不了光电效应现象,是不是说明光除了波动性,可能还存在其他性质。
【板书】波动理论:
与实验结论矛盾 我们换一个角度能解释光电效应吗?
引出爱因斯坦光量子学说Ek=hμ-W
大家看一下我画的这个图,这个立方体代表一个金属板,那么也就是说电子之所以能够从金属板出来,其实就是吸收了电磁波的能量,从而克服了正电荷也就是原子核的吸引,出来以后成为光电子。
当然,同学们看,从金属板里面的电子出来所做的功和从金属表面的电子出来所做的功是不一样的,金属里面的电子出来这个过程是很复杂的,所以我们为了方便只研究从金属表面出来的电子。
从金属表面出来的电子从金属中出来克服正电荷吸引所做的功是不是最少的,我们把这个最小功叫做逸出功W。
【PPT】逸出功:
在光电效应中,电子吸收电磁波的能量,从而克服正电荷的吸引,从金属表面直接逸出,成为光电子,使电子逃离金属所需的最小功称为逸出功W。
【板书】逸出功W
通过实验发现,其实我们也可以从理论上做一个推测,由于金属的结构不一样,那么它的逸出功一样吗同学吗?
肯定是不一样的对不对。
不同的金属逸出功是不一样的。
我们再来看另一个概念,就是最大初动能。
同学们看,当电子从金属表面逸出后成为光电子,它所具有的动能我们称它为最大初动能。
为什么叫最大初动能呢,因为表面上的电子逸出功比较小,所以她获得的动能是不是最大的。
那么这个最大初动能就应该是Ek=1/2mv2,m是电子的质量,v代表电子的速度。
【PPT】在光电效应中,电子吸收电磁波的能量,从而克服正电荷的吸引,从金属表面直接逸出,成为光电子,光电子所具有的动能为最大初动能。
【板书】最大初动能Ek
现在我们能不能测一下这个最大初动能?
测速度是很难的,其实最简单的办法大家来看一下。
这是单色光,照在这个金属电极K上,这时产生光电效应电子就会从极板上飞出来。
如果我们在K和A之间加一个电压,这时K带的正电,A带的负电,也就是说K的电势高于A的电势,那么在K和A之间形成一个电势差。
那么电势差的大小我们可以通过福伏特表来观察。
当电子从K极板出来时有一定的初动能,由于K的电势高于A的电势,那么电子将做什么运动?
是不是在电场中将做匀减速运动?
所以大家看,如果电子的能量比较大的话,它从K极板出来到达A极板后电路就形成了一个闭合电路,那么我们就能测到电流的强度。
现在呢我们通过改变电压,如果电压越大,那么电子从K极板运动到A极板动能减小的就越大是不是?
我们通过调节电压,让从K极板出来的电子到达A极板的动能几乎变成零,这个时候电流表的读数就是零,这时候我们就可以通过电压表来测得两板的电压,这时初动能就等于电势能,也就是等于电子的电荷量*两板的电势差。
这时我们就能测得电子的最大初动能。
这样呢,我们就可以定量的分析光电子的最大初动能,那么这个最大初动能有什么样的结论呢?
实验结论是这样的:
光电子的最大初动能与入射光强度无关,只随入射光的频率增大而增大。
【板书】最大初动能Ek与频率μ有关,与光的强度无关 同时呢,我们从这个实验中还能发现一个问题,只要光的频率μ>μ0,几乎是瞬时间就发生光电效应。
这就是光电效应的瞬时性。
【板书】瞬时性 PPT播放时间实验结果
那么现在呢,我们再进一步研究这么一个问题,刚才我们发现光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关。
那我们看一下在这样的一个装置里,出来的光电子的数量跟什么有关系呢?
如果光电子的数量越大,也就是光电流越大,那么在这个电路里电流表的读数应该也增加,电子多了电流就大了。
通过这样一个我们还能测定发生光电效应时,产生的光电子形成的光电流的强度。
这时我们就会发现一个现象,如果入射光的光照强度越强,光电流就会越大。
光电流就是产生光电子的数量。
【板书】光电流(产生光电子的数量)与光强有关。
在这里,大家一定要分清光电子的最大初动能和光电流的大小之间的区别。
最大初动能指的是一个光电子从金属表面出来的能量,而光电流说的是出来的光电子的数量。
最大初动能与光的频率有关而与光强无关,光电流则是与光强有关,光的强度越大,出来的光电子越多,光电流也就越大。
我们现在再总结一下,光电效应的三个结论:
(1)μ>μ0,发生光电效应;
(2)最大初动能Ek与频率有关,与光强无关;光电流与光强有关;(3)瞬时性。
其实这三个实验结论是与麦克斯韦的电磁场理论发生了矛盾,那么矛盾产生在哪里呢?
同学们分析一下。
根据经典的麦克斯韦的电磁波理论,光的能量应该取决于光的振幅大小,而与光的频率没有关系。
【板书】根据Maxwell电磁波理论:
光的能量与振幅有关,与频率无关。
实验结论:
光的能量与频率有关。
这两个结论就产生了冲突,当时这个现象呢也被物理学家称为光电效应灾难。
这时爱因斯坦呢就联想到了普朗克的量子假说,我们之前说过普朗克他指出电磁波不是连续不断的传递的,而是一份一份以基本能量子的整数倍的方式传递的。
那么在这里呢,爱因斯坦也假设了这个问题,因为咱们知道光就是电磁波的一种,那么既然电磁波是一份一份的,那么光也就是一份一份的,它每一份呢,叫做一个光子。
就像这种情况,【板书】(画出一份一份的光子),并且呢,他认为一份光子的能量E=hμ。
【板书】光子:
能量E=hμ,h=6.63*10(-34)J·S h是普朗克常数,那么有一份光子呢就有一份能量,【板书】在光子上写E
那么爱因斯坦提出的光子说能不能克服光电效应的实验结论和波动理论的矛盾呢?
下面呢我们接着分析。
大家看黑板,在这个金属表面呢,分布着一个一个的电子,现在呢当入射光照过来,按照新观点,就是一个一个的光子照过来了,它的能量呢就是hμ。
那么这个电子吸收了这个光子,这个电子就获得了这个光子的能量,电子有了能量就会克服正电荷的吸引往外跑。
我们说金属表面的电子逸出所具有的能量叫做最大初动能,那么同学们看这个初动能跟它吸收光子的能量有什么关系?
相等吗?
显然不相等,电子吸收了光子的能量之后逸出,它需要克服正电荷对它的吸引,所以还需要做功,这个功就是我们之前学的逸出功。
因此根据能量守恒定律,这个初动能应该等于什么啊?
【板书】Ek=hμ-W① 因为每一种金属都有它自己的逸出功,我们从这个式子看,最大初动能只跟光的频率μ有关,现在我们克服掉一个困难了。
现在呢,还有一个截止频率的问题,截止频率说的是什么意思?
就是光的频率超过这个截止频率才能发生光电效应,那么达到这个截止频率会发生什么呢?
就是说电子获得了光子的能量之后刚刚好能克服掉逸出功出来,但是它在克服掉逸出功之后就没有任何的能量了,也就不会有动能了。
所以截止频率就是跟逸出功对应起来的。
所以逸出功等于什么呢?
【板书】W=h·μ0 ② 因此,由于不同的金属有不同的结构,结构的不同带来了逸出功的不同,逸出功的不同才对应了每一种金属有一个截止频率。
那么从这里看,要想光电子出来具有一定的能量,结合这两个式子来看,入射光的频率必须大于截止频率。
通过这个光子说的假设呢,我们就把光电效应的困难克服了。
这里还有一个时间问题,由于光是由一个一个的光子的面目出现的,它不需要积累,它不能吸收一个半光子,只能以光子的整数倍出现,光子被认为是光的最小单位。
用光量子说解释光电效应的规律
现在我们就用光子说解释了光电效应中的三个结论。
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