17．2 科學的轉折：光的粒子性
★新課標要求
（一）知識與技能
1．通過實驗了解光電效應的實驗規律。
2．知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。
3．了解康普頓效應，了解光子的動量
（二）過程與方法
經歷科學**過程，認識科學**的意義，嘗試應用科學**的方法研究物理問題，驗證物理規律。
（三）情感、態度與價值觀
領略自然界的奇妙與和諧，發展對科學的好奇心與求知慾，樂於**自然界的奧秘，能體驗探索自然規律的艱辛與喜悅。
★教學重點
光電效應的實驗規律
★教學難點
愛因斯坦光電效應方程以及意義
★教學過程
（一）引入新課
提問：回顧前面的學習，總結人類對光的本性的認識的發展過程？
（多**投影，見課件。）
學生回顧、思考，並回答。
教師傾聽、點評。
光的干涉、衍射現象說明光是電磁波，光的偏振現象進一步說明光還是橫波。19世紀60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質。然而，出人意料的是，正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候，又發現了用波動說無法解釋的新現象——光電效應現象。
對這一現象及其他相關問題的研究，使得人們對光的又一本質性認識得到了發展。
（二）進行新課
1．光電效應
教師：實驗演示。（課件輔助講述）
用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導線與不帶電的驗電器相連），使驗電器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指標張角會變大。
學生：認真觀察實驗。
教師提問：上述實驗說明了什麼？
學生：表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。
概念：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發射電子的現象叫做光電效應。發射出來的電子叫做光電子。
2．光電效應的實驗規律
（1）光電效應實驗
如圖所示，光線經石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。
光電子在電場作用下形成光電流。
概念：遏止電壓
將換向開關反接，電場反向，則光電子離開陰極後將受反向電場阻礙作用。
當 k、a 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值 uc 時，光電流恰為0。 uc稱遏止電壓。
根據動能定理，有
（2）光電效應實驗規律
① 光電流與光強的關係
飽和光電流強度與入射光強度成正比。
② 截止頻率νc ----極限頻率
對於每種金屬材料，都相應的有一確定的截止頻率νc 。
當入射光頻率ν>νc 時，電子才能逸出金屬表面；
當入射光頻率ν <νc時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。
③ 光電效應是瞬時的。從光開始照射到光電子逸出所需時間<10-9s。
3．光電效應解釋中的疑難
經典理論無法解釋光電效應的實驗結果。
經典理論認為，按照經典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應該越大。也就是說，光電子的能量應該隨著光強度的增加而增大，不應該與入射光的頻率有關，更不應該有什麼截止頻率。
光電效應實驗表明：飽和電流不僅與光強有關而且與頻率有關，光電子初動能也與頻率有關。只要頻率高於極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低於極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。
光電效應具有瞬時性。而經典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。
為了解釋光電效應，愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論，提出了光量子假設。
4．愛因斯坦的光量子假設
（1）內容
光不僅在發射和吸收時以能量為hν的微粒形式出現，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為ν 的光是由大量能量為 e =hν的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。
（2）愛因斯坦光電效應方程
在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功w0，另一部分變為光電子逸出後的動能 ek 。由能量守恆可得出：
w0為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功
wk為光電子的最大初動能。
（3）愛因斯坦對光電效應的解釋：
①光強大，光子數多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。
②電子只要吸收乙個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。
③從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關係
④從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極限頻率：
愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時並未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。
5．光電效應理論的驗證
美國物理學家密立根，花了十年時間做了「光電效應」實驗，結果在2023年證實了愛因斯坦光電效應方程，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。
展示演示文稿資料：愛因斯坦和密立根
由於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2023年諾貝爾物理學獎。
密立根由於研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得2023年諾貝爾物理學獎。
點評：應用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發放教育，有利於培養學生的科學態度和科學精神，激發學生的探索精神。
例題 （教材36頁）
學生通過運算得出相應的正確結果。
點評：理論聯絡實際，適量的練習題可以進一步鞏固和掌握所學理論知識。
6．光電效應在近代技術中的應用
（1）光控繼電器
可以用於自動控制，自動計數、自動報警、自動跟蹤等。
（2）光電倍增管
可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。
7．康普頓效應
（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
2023年康普頓在做 x 射線通過物質散射的實驗時，發現散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長和散射物質都無關。
（3）經典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難
①根據經典電磁波理論，當電磁波通過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等於入射光頻率，所以它所發射的散射光頻率應等於入射光頻率。
②無法解釋波長改變和散射角的關係。
（4）光子理論對康普頓效應的解釋
①若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，於是散射光的波長大於入射光的波長。
②若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由於光子質量遠小於原子質量，根據碰撞理論， 碰撞前後光子能量幾乎不變，波長不變。
③因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。
（5）康普頓散射實驗的意義
①有力地支援了愛因斯坦「光量子」假設；
②首次在實驗上證實了「光子具有動量」的假設；
③證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恆定律仍然是成立的。
（6）光子的能量和動量
說明：動量能量是描述粒子的，頻率和波長則是用來描述波的
（三）課堂小結
教師活動：讓學生概括總結本節的內容。請乙個同學到黑板上總結，其他同學在筆記本上總結，然後請同學評價黑板上的小結內容。
學生活動：認真總結概括本節內容，並把自己這節課的體會寫下來、比較黑板上的小結和自己的小結，看誰的更好，好在什麼地方。
點評：總結課堂內容，培養學生概括總結能力。
教師要放開，讓學生自己總結所學內容，允許內容的順序不同，從而構建他們自己的知識框架。
（四）作業：「問題與練習」1～6題。
★教學體會
思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發現過程是培養學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木。學生素質的培養就成了鏡中花，水中月。
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根據 放射性粒子組織間近距離 腫瘤規範 制定本制度。一 請領手續 一 由科室負責人根據病人 計畫，提前三天向採購部門提出購進粒子的種類 活度和粒子數量的計畫。二 臨床醫生憑科室負責人簽單請領粒子，並辦理書面出入庫手續，認真核對粒子數目和檢驗標籤說明書。三 臨床使用醫生在核對 計畫後，按 登記冊要求逐...
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