光的波动性和粒子性

　

教学目标

1．让学生了解电磁波谱和光谱的种类及其应用．

2．让学生知道光电效应的产生条件和规律；了解电子说：渗透辩证唯物主义的观点和方法．

教学重点、难点分析

对光电效应四条基本规律的理解及对光电效应现象的解释．

教学过程设计

教师活动

前面我们已经复习了光的干涉现象和衍射现象．光可以产生干涉现象和衍射现象说明了什么呢？

学生活动

说明光具有波动性．

我们在学习机械波时，知道机械波也能发生干涉现象和衍射现象．

结合上述两种情况我们能得出什么样的结论呢？

干涉现象和衍射现象是波特有的现象．

如果我们使用某种方法使电子也能产生衍射图样，那么我们对电子的行为如何认识呢？

电子一定具有波动性．

很好！请同学们看一看阅读教材．

既然光是一种波，那么光波是属于机械波还是属于电磁波？还是独立于机械波、电磁波的另一种波？你们要是科学家对这个问题如何分析？

光肯定不是机械波，因为机械波的产生不但要有波源而且还需要介质，光可以在真空中传播不需要介质，因此光不是机械波，所以光不是电磁波，就是一种另外形式的波．

现在人们对光波是怎样认识的呢？

光是一种电磁波．

这个观点是谁提出来的？

麦克斯韦．

由谁用实验证实的？

赫兹．

我们知道，电磁波是一个大的家庭，它都有哪些成员呢？

无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线．

这些成员合起来就构成了电磁波谱．

投影（电磁波谱 如图4-4-1．）

我们这个世界五彩缤纷，都是由于有可见光，但是，可见光在电磁波谱中只是一个很窄的波段．

我们观察电磁波谱，能得到什么结论？

由左至右，频率越来越大，波长越来越短．

在电磁波谱中，各种电磁波的性质不同，因而它们就具有不同的用途，在前面的学习中我们已经学习了关于无线电波、微波的有关知识．

下面我们从红外线开始复习．

红外线的主要特点是什么？

红外线主要特点是热效应，一切物体都在不停地辐射红外线，并且不同的物体辐射红外线的波长和强度不同．

红外线的主要用途是什么？

（1）利用红外线的热效应对物体进行烘干．

（2）利用红外线波长较长，容易发生衍射的特点进行远距离和高空摄影．

（3）利用不同物体辐射红外线的波长和强度的不同可以对物体进行远距离探测，这种技术叫红外线遥感．

同学们回答的很好，人们对红外线特性的利用远没达到成熟，有待我们进一步开发和利用．

现在国外有一种飞机叫做隐形飞机，这种飞机采用多种措施进行隐形，不易被对方的雷达发现，请同学们猜想，它是怎样隐形的呢？

多种措施我们还不能完全说出来，但有一条可以肯定，这种飞机必须要减少自身的红外辐射．

下面我们来复习有关紫外线的问题．紫外线主要特点和主要用途是什么？

紫外线的主要作用是化学作用．一切高温物体发出的光都含有紫外线，紫外线的波长比紫光还短，紫外线有很强的荧光效应，紫外线有杀菌消毒的作用等．

下面提一个关于物理学史的问题．

世界上第一个获诺贝尔物理学奖的人是谁？

伦琴：

他为何获奖？

发现了X射线，又称伦琴射线．

X射线的主要特点和用途是什么？

X射线是比紫外线波长还短的电磁波，它的穿透本领很大．

X射线穿透物质的本领跟物质的密度有关系，在工业上可以用它来检查金属部件有没有砂眼、裂纹等缺陷，在医学上可以用它来透视人体，检查体内的病变和骨折的情况．

比X射线波长更短的电磁波叫做γ射线，它对物体的穿透本领比X射线更强，利用γ射线的穿透作用制成γ射线探伤仪，用来检测金属材料内部伤痕、裂缝、气孔等．

利用γ射线穿透金属板的强度变化，可制成金属测厚计来检测金属板的厚度以及镀层的厚度等．

不同的电磁波产生的机理不同，它们是如何产生的呢？

（1）无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的，这种电路的原理我们学过，就是LC振荡电路．

（2）红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的．

（3）X射线是原子的内层电子受到激发后产生的．

（4）γ射线是原子核受到激发后产生的．

既然它们都是电磁波，它们的行为应服从共同的规律，我们知道的它们服从的共同规律都有哪些呢？

它们都能发生干涉和衍射现象，它们在真空中的传播速度都是3.0×108m/s．

它们的波长或频率不同，导致它们有哪些不同的特性呢？

电磁波谱从左至右频率越来越大，波长越来越短，因此就越不容易发生干涉和衍射现象，但穿透本领却越来越强．

从电磁波谱中我们看到，可见光是一种电磁波，它是由原子外层电子受激后产生的．由于不同元素的原子及其电子的运动情况不同，受激后产生的电磁波的频率和波长也是不相同的，这就为我们研究物体的化学成分提供了有力的依据．现在这方面的研究已形成了一个专门的学科——光谱学．

下面我们复习关于光谱方面的知识．

光谱怎样分类？

光谱可分为发射光谱和吸收光谱．

其实光谱可分为三类：发射光谱、吸收光谱和散射光谱．在高中阶段只介绍了发射光谱和吸收光谱．

什么叫发射光谱？

由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱．

发射光谱怎样分类？

发射光谱包括连续谱和线状谱．

教师展示挂图，使学生感受连续谱和线状谱．

线状谱又叫做原子谱这是为什么？

各种元素都有一定的线状谱，元素不同，线状谱不同．所以，线状谱又叫原子光谱．

什么是特征谱线？

每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这种谱线叫做那种元素的特征谱线．如果我们对发光物质的光谱进行分析时，发现了某种元素的特征谱线，我们就可以断定发光物质中一定具有这种元素．

什么是吸收光谱？

吸收光谱是一束具有连续波长的光通过物质时，某些波长的光被吸收后产生的光谱．这种光谱是以连续光谱为背景，其中有暗线、暗带或暗区．不同物质产生的吸收光谱不同．

吸收光谱中的暗线是否可以叫做特征谱线？

可以．

两条明线和两条暗线相对应．

教师展示挂图，让学生观察钠的发射光谱和吸收光谱．

教师展示钠的吸收光谱和太阳光谱．

教师说明：太阳光谱是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱．

太阳大气层中有钠吗？

有．

教师布置让学生将这部分书认真阅读．

前面我们复习了光的电磁说，它很好地解释了光的干涉、衍射现象，但是，光的电磁说并不能成功地说明光的所有现象．例如光电效应现象．

实验装置（图4-4-2）

叙述实验现象：

用弧光灯照射锌板，验电器就张开一个角度，说明锌板带了电，进一步检查知道锌板带的是正电．这说明在弧光灯的照射下，锌板中有一部分电子从表面飞了出去，锌板缺少了电子，于是带正电．

这种在光的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应，发出来的电子叫做光电子．

光电效应现象的四点结论是什么？

（1）任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个频率的光不能产生光电效应．

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大．

（3）入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9S．

（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比．

光的电磁说不能解释前三条实验结论．

第一：按照光的电磁说，光是电磁波，是变化的电场与变化的磁场的传播．入射光照射到金属上时，金属中的自由电子受变化电场的驱动力作用而做受迫振动，增大入射光的强度，光波的振幅增大，当电子做受迫振动的振幅足够大时，总可挣脱金属束缚而逸出，成为光电子，不应存在极限频率．

第二：按照光的电磁说，光的强度应由光波的振幅决定，因此光电子的最大初动能应与入射光的强度有关．

第三：按照光的电磁说，光电子的产生需要较长的时间而不是瞬间．

光电磁说与光电效应现象产生了尖锐的矛盾．

是谁最终成功地解释了光电效应现象？

爱因斯坦．

爱因斯坦是怎样解释的？

爱因斯坦在普朗克关于电磁波的发射和吸收是不连续的而是一份一份地进行的学说启发下提出了光子说．

光子说认为：在空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即E=hv，h是普朗克常数．

光子的能量只与光的频率有关，金属中的电子吸收的光子的频率越大，电子获得的能量也就越多，当能量足以使电子摆脱金属束缚时就能从金属表面逸出，成为光电子．因而存在一个能使电子获得足够能量的频率，即极限频率．

上述解释同样能解释光电效应第二条结论．

电子吸收了光子后，动能立刻就增加了，不需要能量的积累过程，因此光电子的发射几乎是瞬时的．

解释得很好，至于第四条结论怎样解释请同学们课后思考，可阅读教材．

我们在复习电磁波谱时知道，光的频率越大，其对物体的穿透本领就越强，这是为什么？

按照爱因斯坦的光子说，光的频率越大，组成这种光的光子能量也就越大，当然对物体的穿透本领也就越强了．

通过上边的复习我们知道，光既有波动性，又有粒子性，人们无法只用其中一种来说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性，请同学们阅读光的波粒二象性一节．

请同学们自己复习光电管并阅读爱因斯坦光电效应方程部分．

同步练习

一、选择题

1．红、橙、黄、绿四种单色光子，光子能量最小的是

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [　　　 ]

A．红光　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 B．橙光

C．黄光　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 D．绿光

2．太阳光谱中有许多暗线，它们是对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于 [　　　 ]

A．太阳表面大气层中缺少相应的元素

B．太阳内部缺少相应的元素

C．太阳表面大气层中存在着相应的元素

D．太阳内部存在着相应的元素

3．用绿光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极射出时的最大初动能增大，应　 [　　　 ]

A．改用红光照射　　　　　　　　　　　　　　 B．增大绿光的强度

C．增大光电管的加速电压　　　　　　　 D．改用紫光照射

4．在演示光电效应的实验中，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，验电器的指针就张开一个角度，如图4-4-3所示，这时　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [　　　 ]

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

5．设λ1、λ2是两种单色光1、2在真空中的波长，若λ1＞λ2，则这两种单色光线相比　 [　　　 ]

A．单色光1的频率较小

B．玻璃对单色光1的折射率较大

C．在玻璃中，单色光1的传播速度较大

D．单色光1的光子能量较大

6．两种单色光A、B分别由垂直水平方向从水面射向水底，它们经历的时间tA＞tB，下列判断正确的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [　　　 ]

A．A色光的波长比B色光的波长大

B．A色光的波长比B色光的波长小

C．A色光的光子能量比B色光的光子能量大

D．A色光的光子能量比B色光的光子能量小

二、计算题

7．一单色光照在金属钠的表面上时有光电子射出，当所加反向电压为3V时，光电流恰好为零，已知钠的极限频率为5000Hz，求：该单色光的频率．

8．有一功率为500W的红外线电热器，如果它辐射的红外线的频率为3.0×1014Hz，求：（1）每秒发出的光子数；（2）在距离电热器2m远处，垂直于红外线传播方向的1cm2的面积上每分钟能接收到多少个光子？

参考答案

1．A　　　　　　　　　　 2．C　　　　　　　　　　 3．D　　　　　 4．B　　　　　 5．A　 B

6．B　 C　　　　　　　 7．1.32×1015Hz

8．（1） 2.5×1021（个），（2）3.0×1017（个）