学文网光电子学论文第1篇
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。
1光电检测电路的基本构成
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框***如***1所示。
2光电二极管的工作模式与等效模型
2．1光电二极管的工作模式
光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，***2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。***中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
2．2光电二极管的等效电路模型
工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如***3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。***中，IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。
由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关。
与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。
3电路设计
3．1主放大器设计
众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A／D转换电路，所需电压幅值一般为2V。然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如***4所示。
该主放大器的放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。即有
3．2滤波器设计
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如***5所示。***5中，f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：
B=f2-f1=f0/Q
式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。
有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。本设计选用了去处放大器来进行设计。
本设计选用了去处放大器来进行设计。
***6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路采用有源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。
对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为fc，其传递函数为：
第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为fc，其传递函数如下：
4完整的检测电路设计
本光电检测系统设计的完整电路如***7所示。为方便表示，电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的RT、RF。前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前级信号不能无限放大。
光电子学论文第2篇
关键词： 光电效应 爱因斯坦量子理论 微粒说 波动说
灿烂的阳光照亮了地球，给地球带来了生命和活力，人们之所以能看到五彩缤纷、瞬息万变的世界，是因为眼睛接收到物体的发射，反射或散射得光。那么光到底是什么呢？即光的本性是什么？这一直是学者们注意和探讨的中心。到了17世纪，由于光学得到了一定的发展，因而关于光的本性问题引起人们越来越大的兴趣。
一、世纪中叶至19世纪：光的微粒说和波动说
鉴于17世纪的水平，人们只能把光与两种传递能量的机械运动相类比，分别提出了关于光本性的两种学说：微粒说和波动说。光的微粒说认为光是由光源发射的一束微粒流。由此很容易解释直线传播定律和反射定律以及光在折射率较大的媒质中传播速度较快的结论。然而微粒说对干涉、衍射、偏振等现象的解释相当勉强。而光的波动说认为，光是一种特殊媒质――“以太”的波动。通过与机械类比，波动说很容易定性地说明干涉和衍射现象，但不能定量地说明干涉和衍射现象，甚至不能圆满地解释直线传播规律。因此，多数科学家在17和18世纪倾向于微粒说。
19世纪初，英国的杨氏（T.Yong）完成了著名的“杨氏干涉实验”，提出“干涉原理”。1815年，法国的菲涅耳（A.JFresnel）使用数学工具对光做了定量论证，提出了“惠更斯―菲涅耳原理”。该原理用波动理论完满地解释了光的直线传播定律，定量地给出了圆孔的衍射***形的强度分布。随后阿喇戈（D.Arago）用实验证明了菲涅耳理论，给予强力支持。1817年，杨氏明确指出，光波是一种横波，1850年，法国的博科（J.B.L.Foucault）公布了他在实验室中测定的光速数据，肯定了光在水（折射率较大）中的传播速度小于在空气（折射率较小）中的速度。自此，波动说的优势明显体现。
二、光电效应
1.光电效应的发现
在19世纪末，光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步，取得了巨大的成功。但是，就在这时候，又发现了用波动说无法解释的新现象――光电效应。
光电效应是指在光的照射下物体发射电子的现象。它是赫兹在1887年最早发现的。赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，无意中注意到如果接受电磁波的电极之一受到紫外线照射，火花放电就变得容易发生。1888年，霍尔瓦斯（1859―1922）证实了这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故。电子发现后，1902年，德国物理学家勒纳德（1862―1947）证明了这一荷电体即为电子。
随着研究的深入，勒纳德用各种频率的光照射钠汞合金时，发现了金属在某些频率的光照射下会发射出电子来，就好像这些电子被光从金属表面打出来一样。他对这一现象进行了系统的实验研究，并总结出了如下两条经验规律。
（1）当光的频率高与某一定值时，才能从某一金属表面打出电子来，被打出的电子的能量（或速度）只与光的频率有关，而与光的强度无关，电子的能量随光的频率的增高而增大。
（2）被打出的电子的数目与光的强度有关而与光的频率无关。
勒纳德首先将这一现象称之为光电效应。这两条实验规律用经典物理学的理论是无论如何解释不了的。按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅决定的，跟频率无关。因此，不论光的频率如何，只要光的强度足够大或照射时间足够长，都应该有足够的能量产生光电效应，极限频率的存在变得无法理解。
2.光电效应实验及规律
1887年赫兹在进行著名的验证电磁波存在的实验时发现，如果接收线路中两个小铅球之一受到紫外线照射时，两小球间很容易有火花跳过。此后，其他科学家进一步研究表明，这种现象是由于光照射在小锌球上，锌球内的电子吸收了光的能量而逸出球表面，成为空中自由移动电荷所造成的。这种由于光照射是电子逸出金属表面的现象称为光电效应，所逸出的电子称为光电子。
上***是研究光电效应的实验原理***及伏安特性曲线***。在高真空玻璃管内装有阴极K，在两极之间加上电压，阴极K不受光照时，管中没有电流通过，说明K、A之间绝缘。当有适当频率的光通过窗口照射到阴极K上时，使得有光电子逸出，在电场力作用下光电子飞向阳极A形成电流，这种电流称为光电流。电路中有电压表和电流计分别测定两极间的电压和产生的光电流大小。实验结果表明，光电效应有以下规律。
（1）存在饱和电流。***8.2.1-2是用不同强度，而频率相同的光照射阴极k时，得到的光电流I随电压V变化的实验曲线（称伏安特性曲线）。由***中可以看出，光电流随电压的增大而增大。然而，当加速电压超过某一量值时，光电流达到饱和。这说明单位时间从阴极逸出的光电子数目n是一定的，当光电流达到饱和值Im时，显然有Im=ne。如果增大光的强度，实验表明，在相同的加速电压下，饱和电流也增加，并且与光强成正比。这说明n与光强成正比。
（2）存在反向截止电压。由上***可知，只有当V=-V时，光电流才降为零，这个反向电压称为反向截止电压。这说明光电子逸出金属后仍具有一定的初动能，光电子甚至能克服反向电压飞到阳极，除非反向电压达到一定的程度。当入射光强改变时，截至电压不变，这意味着光电子的最大初动能与入射光强无关。
（3）存在截止频率（红限）。如果用不同频率的光照射阴极K，发现截止电压V，随入射光的频率的增大而增高，两者呈线性关系，如***，即V=K（V-V）。对于不同的金属材料，具有不同的K和不同的V值。实验还发现，当入射光频率低于某一临界值时，不论光强多大，也不论照射多久，都不会发生光电效应。此临界频率称为光电效应的截止频率。
（4）弛豫时间极短，从光照射到阴极K上，到发射出光子所需要的时间称为光电效应的弛豫时间，实验表明，只要频率大于截止频率，无论光照如何微弱，几乎在照射到阴极K的同时就会产生光电子，弛豫时间不超过10s。通过实验看到，光的经典理论在此时遇到了重重困难。
3.爱因斯坦的光量子理论及其对光电效应现象的解释
1905年爱因斯坦发表了论文“关于光的产生和转化的一个启发式的一个启发性观点”，成功地解释了光电效应并确定了它的规律。他以勒纳利总结出的光电效应的性质作为光的微粒说的依据，并且和德国物理学家普朗克的量子假设结合起来，提出了量子假说：他认为光（电磁辐射）是由光量子组成，每个光量子的能量E与辐射频率υ的关系是E=hυ。1916年爱因斯坦的光量子假说被实验所证实。1923年康普顿（Compton）散射实验再次提供有力的验证。至此，爱因斯坦的光量子假说克服了经典理论遇到的困难，成功圆满地解释了光电效应中观察到的实验现象。
三、光的本性
按照爱因斯坦的量子理论，频率为υ的光子具有的能量E和动量P：
E=hυ
P=hυ/c=h/λ
在以上两式中，等号左边表示微粒的性质，即光子的能量和动量；等号的右边则表示波动的性质，即电磁波的频率和波长。这两种性质通过普朗克常数h定量的联系起来。爱因斯坦公式表明，光子同时具有波动和微粒两重性。所谓“波动性”是指光场满足叠加原理，能产生诸如干涉、衍射这类体现波动性的现象；而所谓“微粒性”则指光子作为整体行为所呈现的不可分割性。光子只能单个整体被吸收或发射，不存在“半个”或“几分之一”个光子。交换光子的能量或动量只能用爱因斯坦公式给出的单元进行。
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波粒二象性并非光子单独具有的性质。1923年德布洛意（L.deBroglie）受到普朗克和爱因斯坦关于光的微粒性理论取得成功的启发，提出了微观粒子也具有波粒二象性的假设。他提出，伴随着所有实物粒子，如电子、质子、中子等，都有一种物质波，其波长与粒子的动量成反比：λ=h/p，式中h为谱朗克常数，这种波现称为德布洛意波，由上式所决定的波长叫做德布洛意波长。在一定的场合下，微观粒子的这种波动性就会明显地表现出来。例如让电子束穿过细晶体粉末获薄金属片后正像X射线一样也产生衍射现象。电子显微镜就是利用电子衍射的原理制成的。
在人们所习惯的经典***像中，波是连续的非局域的且扩展于空间；而粒子是离散的，集中于一点，如何把这两种截然相反的属性赋予同一实体？初看起来，很难想象。下面我们用单电子干涉实验来回答这个问题。电子杨氏双缝干涉是最典型的实物粒子干涉实验。这个实验表明，当少量电子通过仪器落在屏上时，其分布看起来是离散的、毫无规律的，并不形成暗淡的干涉条纹，这显示了电子的“粒子性”。但大量电子通过仪器时，则在屏上形成清晰的干涉条纹，这又显示了电子的“波动性”。
那么有人可能会问，双缝干涉条纹的产生（即粒子的波动性）是否由于大量粒子之间相互作用的结果呢？1949年毕伯曼等人成功地做了单电子衍射实验，结果表明，衍射***样的产生绝非大量电子相互作用的结果。
单电子干涉，衍射实验表明，波动性是每个电子本身固有的属性，电子的干涉（密度的重新分布）是自身的干涉，而不是不同电子间的干涉，或者说波动性和粒子性一样，是每个电子的属性，而不是大量电子在一起时才有的属性。若采用单个光子来代替实验中的电子。结果也完全相同。
四、光的波粒二象性
光的波动性和粒子性既对立又统一，波粒二象性是粒子性和波动性的统一应从两方面去理解。
1.光子的能量公式：E=hυ，式中的E是光子能量，是不连续的，一份一份的，量子化的。这是光的粒子性的特性，式中的υ是光波频率，它表现的是波动性的特性。
2.波粒二象性中的粒子并不是宏观的粒子，波也不是宏观的波，而是指微观的光子物质波，微观世界有其自身的规律，不能简单套用宏观世界的结论。个别光子表现粒子性，而大量光子表现波动性；低频光子表现波动性，而高频光子表现粒子性。
光的本性一系列的假设，从微粒说到光子说，从波动说到电磁说，到最后统一为波粒二象性，经历了几百年漫长而曲折的认识过程，以牛顿为代表的微粒说既有古希腊人的光粒子学说的痕迹，但又有所不同；麦克斯韦的电磁说使惠更斯的波动说摆脱了机械波的束缚，是人类对光的本性认识的一大飞跃，同样爱因斯坦的光子说又与牛顿的机械微粒有着本质的区别，因为光子说已不是经典的机械微粒，光子说的提出又是一大飞跃。
参考文献：
［1］吴强.光学.科学出版社，2006.
［2］赵达尊，张怀玉.波动光学.宇航出版社.
［3］中学物理教学参考，2005，（4），34，4.
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［5］曾心愉等.光的波粒二象性，［J］.大学物理，1993，12，（9）.
［6］赵凯华，钟锡华.光学.北京大学出版社，2000.
光电子学论文第3篇
关键词：波粒二象性 理解 认识 量子力学
在近代物理学中，波粒二象性是一个具有极高知名度的词汇。但许多人对其的了解仅限于表面，对其本质概念、意义、诞生、发展的了解程度都不高，本文将于此对这些进行一定程度的介绍说明。
一、波粒二象性的概念
波粒二象性是一种量子力学概念，用于描述一种特殊的物质特征，即物质同时具有波动性和粒子性。最初，这种概念只被用来诠释光的特性，但随着相关研究的不断发展，人们认为所有的微观粒子都具备波粒二象性，该概念的应用和研究领域都得到了极大的拓展。
根据量子力学理论，微观粒子均具有波粒二象性，但在通常情况下往往体现为单一性质。因为当微观粒子体现出波动性时，粒子性会变得不显著，相对的，当微观粒子体现出粒子性时，波动性会变得不显著，两种性质何者体现出来取决于不同的条件。因此，从本质上来看，波粒二象性这种概念也可以看作是在描述微观粒子的这种特殊行为。
如前文所述，波粒二象性最初是爱因斯坦为诠释光的性质问题所提出的，属于光量子学说的一部分。根据该理论，光的构成基础是光子，这是一种光能量子，拥有动能与动量，因此光虽然在宏观上会体现出明显的波动性，但在微观上则是粒子性更为显著，即光具有波粒二象性。这种说法完美地解释了光电效应，因为光电效应中的电子是被光子撞击出去的，而光子带有能量，能量值为光频率与普朗克常数之积（光电效应方程），光子想要击出电子，携带的能量必须达到一定值。根据量子化效应，电子在接受光子能量时只能整份接受，所以光子能否把电子击出取决于每个光子的单份能量，而不是总能量。虽然光强越高，光子数量也就越多，但光强对单份光子的能量并无影响。因此，最终决定光子能否击飞电子的是决定单份光子能量的光子频率，而光子频率同时决定了光的颜色。因为蓝光比红光的频率要高，所以蓝光的单份光子能量更高，这能量会在与电子撞击时整份转移给电子，将电子击飞，由此就引发了光电效应。红光的频率比蓝光低，单份光子能量也低，虽然光强高、光子数量多，但光子均不足以击飞电子，所以无法产生光电效应。
二、波粒二象性的研究发展
1.波粒二象性提出前的相关研究
光是自然界中非常特殊的一种物质，在传统物理的研究中，人们尝试通过光所引发的现象来解析光的本质，但却遭遇了很大的困难与分歧。光既能引发一些只有波才能引发的现象比如折射、反射、散射等，也能引发部分只有粒子才能引发的现象，比如偏振现象、光电效应等。直到爱因斯坦在1905年提出光具有波粒二象性之前，两派物理学家已经为此争论了数百年。在这两派观点中，波动说的理论体系比较完善，能解释绝大多数宏观现象，而且随着横波理论与合成波理论的提出，原本波动性无法解释的偏振现象也得到了解释，因此波动说在历史上相当长的一段时期里都是解释光的性质的主流学说。但该派理论始终无法找到光波载体这种波的最基本要素，所以一直不够完善，光电效应发现后，波动说的根基更是直接被动摇。粒子说的理论体系则相对缺乏完善性，对光的多种宏观波动性现象都缺乏有力的解释，但在波动性理论无法解释的多种现象上，粒子说都可以做出相当完美的诠释。在这种互有优劣的情况下，两派理论被长期争论可以说是理所当然的。
2.波粒二象性的提出
1887年，光电效应被德国物理学家赫兹发现，这种特殊的光效应令波动说与粒子说都陷入了一种尴尬的境地。首先，虽然光的波动说在当时已经成为主流，但波动说完全无法解释光电效应现象。另一方面，一直以来都能解释波动说无法解释的光学现象的粒子说也只能对光电效应做出部分解释，虽然根据粒子说理论，可以认为光电效应中的电子是被光的粒子撞击出去的，但为什么蓝光可以引发光电效应而红光不能，这点连粒子说也无法解释。可以说，光电效应令两派学说同时面临瓶颈。
在这种情况下，普朗克的能量子理论给了爱因斯坦极大的启发，他以此为基础提出了光量子的概念，认为光能量并非连续分布，而是分作无数份彼此集中的，这样一来光就会同时具备波动性和粒子性，即光具有波粒二象性。该理论几乎完美地解释了包括光电效应在内的所有宏观与微观光学现象，引起了物理学界的极大震动，爱因斯坦也凭该理论获得了1921年的诺贝尔奖。
需要注意的是，爱因斯坦虽然提出了光的波粒二象性，但在该理论中，无论是波动性还是粒子性都与经典物理学中的概念有一定的差异。换言之，光作为波的性质不属于经典波，作为粒子的性质也不属于经典粒子。因此，爱因斯坦所提出的波粒二象性更近似于一种概念上的统一，这也是其在量子力学中的应用基础。
3.波粒二象性的研究拓展
光的波粒二象性提出后，作为其基础之一的光电效应方程在1916年得到了实证，此后该概念开始在物理学界得到了广泛的认可，针对其进行的深化和拓展研究也越来越多。在诸多研究成果中，以德布罗意的研究成果最为显赫，他针对波粒二象性理论进行逆向思考，对传统的实物微观粒子进行了重诠释，提出实物微观粒子与光一样具有波粒二象性，这将波粒二象性从光学的理论概念拓展到整个量子力学领域的理论概念，极大地促进了量子力学的发展。
结语：
总体来说，波粒二象性理论为物理学界的发展做出了极大贡献，不仅解释了光的本质，而且奠定了量子力学的基础。但近年来，随着相对论量子力学的进一步发展，该理论也受到了一定的质疑，这会是未来的物理学界极为关注的一个问题。
参考文献：
[1] 黄志洵. 波粒二象性理论的成就与存留问题[J]. 北京广播学院学报（自然科学版），2000（04）
[2] 孔令文. 论述光的波粒二象性[J]. 邯郸师专学报， 2000（03）
光电子学论文第4篇
关键词 本性；学说；波动性；粒子性
中***分类号O6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）55-0091-02
0 引言
光学是物理学中较古老的一门基础学科，又是当前物理学领域最活跃的前沿之一然而光学也是经过一场场磨难和斗争才发展起来的，其历史被当作自然科学发展史的典范，对光本性认识的争论是光学发展主要动力之一光的本性是什么对这个问题人们自古就有不同的认识，形成了一场关于光的本性的激烈的争论，即微粒说和波动说之争。
1 光本性的两种学说之争
关于光本性的两种学说―微粒说合波动说。其中微粒说的代表人物是牛顿，而波动说则以胡克和惠更斯为代表，牛顿在向皇家学会提交的一封信中，首次提出了自己对光的物质见解，指出“光线可能是球形的物体” 即光的微粒说，牛顿认为：光是发光体所射出的一群微小粒子，它们一个接着一个地迅速发射出来，以直线进行，人们感觉不到相继两个之间的时间间隔。并用这种观点解释了光的直线传播，光的反射和折射。
牛顿的论点遭到胡克等人反对并引起争论。胡克主张光是一种振动，而且是短促的。他举出金刚石受摩擦或打击时在暗中会发光来说明他的论点，同时认为在均匀媒质中，振动在各个方向以相等的速度因此发光体的每次振动都将形成一个球面，球面在不断扩大，就像石块落水激起的环波越来越大一样。这就是较早提出的光的波动性的概念。
惠更斯则在其基础上没有能继续研究下去，即没有从理论上弄清楚振荡电流作为振源，是怎样把电磁振荡传播出去的这样。惠更斯提出类似于空气中的声波，以太波也是纵波。注意：这里惠更斯作了错误的类比，实际上光波是横波。正由于被认为是纵波，所以对“偏振”现象就无法解释了，加上“以太”是否存在还是一个疑问，而且初期的波动说还缺乏数学基础，所以难以与微粒所抗衡。
开尔文又错过了发现电磁波的契机开尔文曾两次走到电磁理论的大门，但都因其少年早慧带来的弱点徘徊而去，错失发现电磁理论的良机，使其与电磁理论的发现者这一称号无缘。不过，这并不影响开尔文在电磁理论发展中起的作用。这种作用就是，开尔文在这一领域作了开拓性的研究，为后来麦克斯韦、赫兹在这方面的工作奠定了基础。
通过一系列的实验，赫兹终于在年发现并证实了电磁波的存在。赫兹发现电磁波则是“利用开尔文勋爵在研究电容器放电时所推导出来的数学方程式作为他实验的理论基础，这方程式给出了一振荡回路的振荡周期与电容量和自感量的关系。
式中为T振荡周期， L为自感量，C为电容量。这样，我们就可以求得波长，并可使之足够小，以便在实验中进行测量。”通过一系列的实验，赫兹终于在1988年发现并证实了电磁波的存在。
至此，麦克斯韦总结出的电磁理论，才算最终成型。可见开尔文在电磁理论方面的工作是电磁理论发展史上相当重要的一环，起着承上启下的作用。提出了光的波动性理论。
19世纪，托马斯・杨发现通过双缝的光会在光屏上出现明暗相间的条纹即著名的杨氏双缝干涉实验，提出了干涉理论，且成功地解释了牛顿环当时人们没有接受杨氏的观点十多年后，菲涅耳发现了光的衍射现象，提出了衍射理论，与杨氏不同的是菲涅耳采用了波振的概念，发展了次波的概念，形成了新的波动理论与此同时，杨氏在研究光的偏振现象时对纵波说进行了反思， 最后提出了横波说， 成功地解释了一直卡在波动说脖子上的偏振疑难， 后来菲涅耳等人为光的横向振动理论提供了证明，这样，19世纪光的波动理论就基本确立了但确立了的波动理论认为光波是一种机械弹性波，机械波传播需要媒质，光波是靠一种“以太”的物质传播，至于以太是什么物质谁也说不清楚随着真空的获得，人们发现光在真空的传播与声波的传播正好相反， 这就使得刚建立的光的机械弹性波动理论又面临挑战世纪电磁学发展很快，物理实验大师法拉第在实验中发现光的振动在强磁场中会旋转，从而揭示了光和电磁的联系这个时期人们对光速的测定也越来越精确，麦克斯韦从理论上指出电磁波以光速传播，赫兹证实了理论的预言光的电磁波理论也解释了包括光波是横波及光色在内的当时已发现了的光现象。
同时在解释光色的问题上，微粒说认为不同的色由不同的微粒构成，波动说则认为引进这么多种物质假设不如引进一种物质更方便，各自的色有各自的波长另外，微粒说者认为按照光的波动理论，把一张纸放在灯的前面，结果在墙上应会产生一个模糊的影子，而实际情况不是这样，当然，波动说一下子就反驳了这个责难，指出当人射波的波长比障碍物及实验所用的小孔小得多时可能会出现光线弯曲的现象，并期待着实验加以验证。实际上当时没有仪器能提供检验，人们还是接受了光的微粒说。
人们发现用经典理论无法解释黑体辐射能量的分布和光电效应等现象世纪之初，普朗克提出能量量子化，之后，爱因斯坦在能量量子化的基础上提出了光量子的假说，解释了光电效应，似乎光本性的认识又回到了微粒说，但光量子假说不能解释光的偏振等电磁波理论已经圆满解释了的现象爱因斯坦对光本性的两种认识作了辩证的思考，大胆提出了光的波粒二象性，认为光同时具有波动性和粒子性，“波”不是惠更斯的波，“粒”不是牛顿所描述的粒，波粒二象性是两个概念的统一，也是对光本性认识的统一，光是一种物质，具有波粒二象性。
2 光的波粒二象性
根据前面所述，可以看出，对于光的本性的认识，经历了不同的过程和阶段。
微粒说认为光是沿直线传播的高速微粒流，微粒具有弹性，这种学说得到著名物理学家牛顿的支持。光的微粒说能成功地解释光的直进、反射等物理现象，然而在解释光的折射、光的交叉相遇后会彼此毫无妨碍地继续向前传播等现象时，却发生了很大的困难。
荷兰物理学家惠更斯提出了光的波动说，波动说能成功地解释光的干涉、衍射、折射、光相遇时互不相干扰地向前传播等物理现象，但在解释光的直进、光介质等问题上遇到了很大的困难。
英国物理学家麦克斯韦提出了光的电磁说，认为光是一种频率很高的电磁波。电磁说进一步揭示了光的物质性，成功地解释了惠更斯波动说所不能解释的光介质的问题，但在解释光电效应等物理现象时，遇到了极大的困难。
爱因斯坦在普朗克量子论的基础上提出了光子说（粒子说），光子说能很好地解释光电效应等物理现象。
德国物理学家普朗克发现，电磁波的辐射和吸收是不连续的，是一份一份进行的，每一份的能量E和频率ν成正比，即E=hν，式中h是一个普适常量，叫做普朗克常量。为了解释光电效应的规律，爱因斯坦提出在空间传播的光也是一份一份的，每一份是一个光子，光子的能量跟它的频率成正比这就是光子说。
1909年，爱因斯坦明确地提出了光的波粒二象性，并说这“可以被理解为波动理论和微粒说的一种统一”。他提出两个著名的关系式：
将标志波动性的n 和l 通过h与标志粒子性的E和p联系起来了。光在传播时显示了波动性，在与物质相互作用而转移能量时显示出了粒子性，两者不会同时显示出来。 能量为E＝hν的光子照射到金属上时，被金属中的某个电子吸收在光的照射下，从物体发射出电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫光电子。
实验表明：1）各种金属都有一个极限频率，入射光的频率低于这个频率的光，无论强度如何，照射时间多长，也不能产生光电效应；2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大；3）当入射光的频率大于极限频率时，光电流与入射光强度成正比；4）光电子的产生几乎是瞬时的。
光电效应说明光具有粒子性。由于光不仅具有波动性而且还有粒子性，光具有的这种性质称为光的波粒二象性。
任何重要的物理规律都必须得到至少两种***的实验方法的验证。1923年美国物理学家康普顿证明了X射线的粒子性，是继光电效应后证明光的粒子性的又一个***的关键性实验。X射线源发射一束波长为的X射线，经一块石墨发生散射，散射光穿过光阑，其波长和强度可以由晶体和探测器所组成的光谱仪来测定。康普顿接受爱因斯坦的观点，认为X射线的光子好比一个个小刚球，每一个不但有能量E=hn，而且具有动量p=h/l(ln =c)。
康普顿实验比光电效应更进一步证实了电磁辐射的“粒子性”，因为在解释光电效应实验时，只涉及到了光子的能量。而在解释康普顿效应时，不仅考虑了光子的能量，还考虑了光子的动量。所以康普顿散射实验为爱因斯坦的光量子假设提供了更完全的依据，在这以后，怀疑“光量子”说的人就非常少了。康普顿因此获得1927年的诺贝尔物理学奖。
3结论
从上面的分析和研究可以看出，人们对光的认识和探索，分别从两个方面即波动性和粒子性去探讨。一方面，人们通过光的干涉、衍射等现象验证了光具有波动性的特征；另一方面，通过光电效应以及麦克斯韦的研究成果人们又验证了光的粒子性。光的这两个不同的特性属于两个不同的概念，为了进一步研究和探索光的本性，人们进行了不懈的努力和艰苦的探索。最终，经过许多科学家前赴后继的努力，终于发现和验证了光具有波粒二象性的本质。通过严密的实验和理论分析可以证明，单个粒子的运动规律是偶然的，具有粒子性。大量粒子的运动规律具有波动性。
人类对于光的认识还远远没达到最终目标，对于光的本性的探讨和研究还需要一代又一代的人的共同努力。
参考文献
[1]爱因斯坦.爱因斯坦文集(第3卷)[M].北京：商务印书馆，1983，485，23.
光电子学论文第5篇
关键词：创新平台 光电子材料 教学改革
中***分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0105-02
随着材料科学的飞速发展，光电子材料已经成为新材料产业和当代信息技术产业的重要组成部分，引领着光电子、通信、新能源等产业的发展[1，2]。对于光电子材料相关专业的高校本科生，需要具备较强的光电子材料方面的实践能力，以及与这些技能相匹配的理论基础知识。通过《光电子材料》课程的学习，能够加深学生对光电子技术理论知识的理解，帮助学生将光电子技术知识与光电子相关的实验和实践能力紧密结合起来。因此，当代光电子材料相关专业的大学生亟需学习光电子材料的相关知识，以满足科技日益发展的社会需要。[3，4]
光电子材料课程的学习需要学生有良好的电磁学和光学等物理学科的理论基础知识，同时也是一门实用性强、对动手能力要求较高的课程；其课程目标主要是培养学生掌握扎实的专业知识，同时学习实验和实践相关的基本技术，性能检测的方法，培养学生的实际动手能力[5]。通过光电子材料实验可巩固和加强对有关专业理论的理解，提升学生分析和解决问题的能力，使理论与实践教学有机结合[6]。在以往理论教学中， 激光原理，光纤导光原理，光调制，非线性光学和光电探测等理论知识，涉及较多的电磁学，光学，固体物理和量子力学等专业知识，对于本科生较难理解，而实验和实践方面又要求学生在掌握理论的基础上具备较强的动手操作能力。因此，由于理论知识较难，必须进行较长时间的理论教学，实验和实践操作时间被压缩，枯燥的理论教学不能激发学生对该课程的兴趣，最终导致教学效果较差。因此，如何增加实验和实践教学的比重，使学生对该门课程产生浓厚兴趣，并将光电子材料基础理论知识与实验和实践结合起来，使学生掌握课程的主要知识和基本的操作技能，是达到良好的教学效果的关键。
1 光电子材料课程改革目标
《光电子材料》课程是材料物理（光电材料）专业的专业必修课，涵盖了《光学》、《电磁学》、《固体物理》、《量子力学》等课程相关知识，含有较多的物理公式，具有很强的理论性。根据笔者所在校培养应用型人才的办学特色，结合课程理论性强的特点，该课程目标如下：
（1）通过该课程的学习让学生了解当前光电子技术及研究的最新进展和实际的应用情况。加深学生对光电子技术及其发展的相关认识，并通过讲授光电子技术的发展历程激发学生的研究兴趣和开拓他们的思维与知识面。
（2）将该课程的理论教学与光电材料综合实验等实验课程进行有机结合，力争形成理论和实际相结合，培养学生理论基础知识的同时提升学生的综合实践能力。
2 光电子材料课程教学方法和手段改革
根据***的专业规范和学校的课程体系，和笔者所在校培养应用型课程人才的办学理念和材料物理专业的特点与培养目标，结合《半导体器件物理基础》理论性强的特点，在该课程建设过程中，以提高教学质量、培养学生主动学习能力和创新能力为目的，采用启发、互动式教学，讲解与讨论相结合，讲授与自学相结合。借助多媒体和实物教具进行形象化教学。充分运用该校多媒体教室所拥有设备以及网络平台来实现教学手段的现代化，充分运用实物、互联网资源以及企业资源，沓涫悼翁玫哪谌荩使其内容具体丰富。
具体采取的教学方法、手段如下：
（1）制作一系列教学video，辅助课堂教学，活跃教学气氛，增加课堂互动，有效调动学生学习积极性。
（2）建设课程网站，通过学生熟悉的微博、小木虫等平台实现“光电子技术基础”网络资源库的建立；并上传精品课时，在互联网上进行国内外的共享。
（3）课堂教学中通过课前回顾、课前提问等方式保持课程的连贯性和逻辑性，采取引入实物、实验演示及参观等方式使教学更加形象化，运用布置课后作业、小论文等方法使学生在课下更好地巩固已学内容，同时对学生掌握知识的程度得到及时的反馈，为学生打下扎实的理论基础。
（4）针对该课程公式偏多的特点，在课上带领学生推导重要的公式，使学生更好地理解公式的物理意义，掌握光电子材料与器件制造及设计的依据。
（5）针对该课程与《光电材料综合实验》等实验课程的密切关联性，在该课程理论教学中先引入关键实验课程，并逐步与《光电材料综合实验》等实验课程进行有机结合，力争做到理论联系实际，学生们学到的知识有的放矢。
（6）通过教师指定报告内容或者讨论主题，让学生进行分组报告或者分组讨论等方式，了解半导体器件物理知识在新器件制造及工艺当中的实际应用，分析和研究实际生活中有关的问题，达到理论联系实际，学以致用的目的，提高学习的深度和广度，促进学生学习能力发展。
（7）课程考核可采取过程考核的形式，即降低学期末考试成绩占总评成绩的比重（50%），另外50%的成绩根据过程考核的成绩进行评定，过程考核主要包括学生的考勤、课堂表现、分组报告或分组讨论和团队作业等多个部分。这种核算成绩的方式可以有效降低学生平时对课程重视度不够，只靠期末进行突击复习的弊端。督促学生平时对课程的各个环节进行高度重视，上课积极回答问题，积极思考如何将理论与实际应用结合起来，并且善于进行与团队协作完成作业。
3 结语
光电子材料的研究和应用不但需要较强的光电子技术基础理论知识，还需要较强的理论联系实际，动手操作的实践能力。因此，为满足社会光电子材料专业人才的需要，在协同创新平台的基础上，通过改善原有课程中“学”与“用”脱节的现象，进行有针对性的教学，能够促进学生对理论知识的理解以及知识运用和动手操作的实践能力，促进创新实践能力的专业人才的培养。
参考文献
[1]叶莉华，崔一平，胡国华.“光电子技术”课程教改探索[J].电气电子学报，2007，29（2）：10-12.
[2]陈湛旭.《光电子学》课程教学改革与实践[J].广东技术师范学院学报：自然科学版，2015（2）：108-109.
[3]范东华，代福.基于协同创新理念的光电子专业生产实习课程教学方法改革[J].时代教育，2015（2）：199-200.
[4]赵洪霞，包蕾，徐达文，等.应用技术型本科院校光电子技术课程教学改革[J].科教导刊，2015（2）：125-126.
光电子学论文第6篇
教学时间一课时。
教学目标
1.知识与技能
了解并识别光电效应现象。
能表述光电效应现象的规律。
了解光子的概念，会用光子说解释光电效应现象的规律。
理解光电效应方程。
粗略了解光电效应研究史实。
2.过程与方法
观察赫兹实验中的放电现象，体验发现的过程。
经历“探究光电效应规律”的过程，获得探究活动的体验。
尝试发现波动理论面对光电效应规律遇到的困难。
领略“观察、实验──提出假说──实验验证──新的假说……”的物理学研究方法。
3.情感态度与价值观
体验探究自然规律的艰辛与喜悦。
陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫。
学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，培养判断有关信息是否科学的意识。
教学用具
1.实验装置赫兹实验装置;光电效应现象演示装置。
2.多媒体课件;资料文字;赫兹实验装置示意动画;研究光电效应实验示意动画;光电效应的波动说描述与光子说描述动画;密立根证实光电方程实验示意动画;普朗克、爱因斯坦、密立根资料***片动画;
设计理念本课教材蕴含着十分丰富的教学内容：在知识方面，本课作为后牛顿物理两大支柱之一──量子理论的入门，涉及量子物理最基础的内容，同时，还有着厚重的物理学科文化积淀，有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材。教材在知识陈述上较为浅显直接，而关于这些知识的“背景”，则是相当丰满、承赋人文，为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间。基于教材特点，本教案设计“以人为本”，突出从赫兹发现光电效应，勒纳德研究光电效应规律，爱因斯坦提出光子说解释光电效应规律，到密立根实验验证光电效应方程，物理学家们上下求索三十年的历程，在让学生学到量子论基础知识与基本技能、发展微观思维方法的同时，获得物理课程文化的浸润与陶冶，体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。
本课总体设计思想是：课堂教学以光电效应三十年精彩历程为线索，通过充分展示围绕“光电效应”所发生的发现现象、研究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程，在科学过程展示中推出学科知识，渗透科学思想方法，借助多媒体课件播放、实验装置重现现象及教师解说，着力于撼动青年学生崇尚科学的情感，弘扬深厚的物理课程文化。
教学过程全课以下列四个标题作引导，按历史的发展顺序展开教学活动。
(动画显示课题后，教师引入主题)
引入本课要学习的光电效应，在量子理论的发展中有着特殊的意义。人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出光是一种电磁波，光的波动说似乎已完美无缺了。然而，就是在证实电磁波存在的过程中，人们发现了光具有粒子性的重大事实，这就是光电效应现象。光电效应及其规律的研究，使人类对物质世界的观念发生了变革：大自然在微观层次上是不连续的，即“量子化”的，而不是牛顿物理假设的在一切层次上都是连续的!光电效应最先由赫兹发现，他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905年诺贝尔物理学奖，爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决了光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖，美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦的理论，并获1923年诺贝尔物理学奖。光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继，三十年努力求索，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章。让我们翻开这炫目的一页，沐浴科学的阳光吧!
(屏幕切换显示四个标题)
一、赫兹意外发现光电效应
介绍赫兹实验动画显示赫兹实验示意***如***1所示。1885年，赫兹用如***1所示的装置来证实电磁波的存在：电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球，另一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈连接，构成了LC电路，感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路相距一定距离有电磁波接收器，是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的空隙间观察到电火花。
介绍赫兹的发现并演示利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验，大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时，原来接收间隙的火花变暗(如***3所示)，而用其他任何火花的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电火花，进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称之为“紫外光对放电现象的效应”，也就是光电效应。
演示光电效应现象动画显示光电效应演示仪原理如***4所示，课堂演示，引导学生观察在紫外线照射下，电流计指示电路中出现了电流。归纳什么是光电效应
(文字显示)
在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。
二、勒纳德研究光电效应现象的规律
引入赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电效应成因与规律，其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳德的研究卓有成效。对光电效应的研究方向就是弄清其发生的条件。
介绍勒纳德实验研究原理动画显示勒纳德研究光电效应规律的实验装置如***5所示。当入射光照射到光洁的金属阴极K表面，就有光电子发射出来，若有光电子到达阳极A，电路中就有电流，所以可通过电流计了解用各种光照射阴极K以及对两极加不同电压时的光电流，从中摸索规律。
介绍勒纳德实验研究结果勒纳德通过实验总结出光电效应现象的重要规律：
(文字显示)
1.对各种金属都存在着极限频率和极限波长，低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时间再长都不会发生光电效应。
2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
3.只要入射光频率高于金属的极限频率，照到金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的，不超过10-9s。
4.发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比。
光电效应规律性的演示用如***4所示的光电效应演示仪演示(1)用红光、蓝光照射锌板时，不会产生光电流;(2)用玻璃隔断紫外线时，光电流消失;(3)光电流达到饱和后，改变电压，光电流不变，改变入射光强度，光电流增大。
设问1.用光的电磁波理论如何解释光电效应的发生?
2.波动理论可以解释光电效应发生时的规律吗?
讨论与总结请全班同学议论，由学生尝试定性解释光电效应后，教师概括辅以如***6所示动画显示：光到达金属表面时，连续的电磁波能量分布在其表面，振动的电磁场不断地“摇晃”金属表面的电子，一些结合最松散的电子被摇下来。
由学生提出现有理论与观察事实的矛盾后，教师整理为两大困难，并以文字显示。
矛盾波动理论解释实验事实
之一
之二到达金属表面的光能量连续地分布，对某个电子只能吸收其中很少一部分，应有一段时间积累到足够的能量方能从金属表面挣脱。
光波的振幅表征光能量大小，强光对金属作用足够长时间，有足够能量应该可以使电子从金属表面挣脱。光电效应是否产生存在极限频率(波长)而与光强无关，光电子最大初动能也只与入射光频率成正相关。
若能发生光电效应，即使光很弱，也是瞬间发生的
三、爱因斯坦提出光子论圆满解释
引入观察与理论的互动就是科学，观察是科学进程的开端，观察激发思考导致理论以解释观察结果，而理论又在新的观察中受到检验、引发新的理论，对观察结果进行解释或统一。
原来的电磁波理论与光电效应的实验事实不相符合，促使人们改变认识，构建新的思想框架来解释观察结果。1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。
介绍爱因斯坦光量子假说教师介绍普朗克对电磁波辐射所作的量子化假设：振动物体的能量只能取特定的一组允许值。这种思想在当时并没有引起人们多少注意，但爱因斯坦敏锐地捕捉了这一思想闪光，并彻底贯穿到光的辐射与吸收问题中。
教师介绍光子说，并显示文字内容：
在空间传播的光(的能量)不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，一份光子的能量E=hv。
用光子说对光电效应规律作解释用如***7所示动画辅助描述光子说下的光电效应：光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像机***子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。
解释极限频率的存在;
解释光电效应的瞬时性;
给出逸出功概念，用光电效应方程
(屏幕展示)解释光电子最大初动能只与入射光频率正相关;
解释光电流的强度与入射光的强度成正比。
小结在爱因斯坦提出光子模型后，用来解释光电效应变得出奇地简单明了，今天，我们中学生运用光电方程计算光电效应已不是什么难题，但在上个世纪初，科学家对量子化的物理却极不适应，爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论，成功解释了光电效应，建树起近代物理学研究的两座丰碑。
四、密立根精确实验证实光电效应方程
引入至此，研究光电效应的科学活动并未完成，爱因斯坦的光子假设与光电方程作为假说──一种有根据的猜测，一种尝试性的未经确认的看法，要上升为理论，要为人们认同──当时对这一假说的怀疑超过了狭义相对论，甚至包括普朗克本人也持反对态度，还必须经受实验的检验。许多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h，验证光电效应方程。
简介密立根的工作一直对光子假设持有保留的美国物理学家密立根，设计了高精确度的实验装置如***8所示，经过十年的试验，不断解决一些技术难点，终于验证了光电方程的直线性，并测出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s，在事实面前，密立根服从真理，宣布爱因斯坦假说得到证实。科学就是严峻的怀疑态度和对新思想的开放态度的混合，科学常常会发生这种情况：科学家说：“那的确是个好论据，我错了。”然后真的改变想法，扬弃旧观点，科学就是这样进步的。
全课总结本课学习，我们了解了光电效应现象，了解了进行科学活动的方法。光电效应把我们带进了量子化的物理学，光电效应告诉我们理解微观世界要有新的观念，光电效应引领了近代物理学的发展，对哲学、文化和技术的影响深远。让我们怀着对量子理论先驱们的崇敬心情，从科学回到生活。
播放音乐与三位物理学家资料画像，如***9所示。
[课件简介]本课件采用PowerPointXP-F1ashMX制作，充分发挥PowerPoint媒体展示功能与FIashMX的强大的动画功能。其制作过程如下：
光电子学论文第7篇
【教学时间】一课时。
【教学目标】
1.知识与技能
了解并识别光电效应现象。
能表述光电效应现象的规律。
了解光子的概念，会用光子说解释光电效应现象的规律。
理解光电效应方程。
粗略了解光电效应研究史实。
2.过程与方法
观察赫兹实验中的放电现象，体验发现的过程。
经历“探究光电效应规律”的过程，获得探究活动的体验。
尝试发现波动理论面对光电效应规律遇到的困难。
领略“观察、实验──提出假说──实验验证──新的假说……”的物理学研究方法。
3.情感态度与价值观
体验探究自然规律的艰辛与喜悦。
陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫。
学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神，培养判断有关信息是否科学的意识。
【教学用具】
1.实验装置赫兹实验装置;光电效应现象演示装置。
2.多媒体课件;资料文字;赫兹实验装置示意动画;研究光电效应实验示意动画;光电效应的波动说描述与光子说描述动画;密立根证实光电方程实验示意动画;普朗克、爱因斯坦、密立根资料***片动画;
【设计理念】本课教材蕴含着十分丰富的教学内容：在知识方面，本课作为后牛顿物理两大支柱之一──量子理论的入门，涉及量子物理最基础的内容，同时，还有着厚重的物理学科文化积淀，有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材。教材在知识陈述上较为浅显直接，而关于这些知识的“背景”，则是相当丰满、承赋人文，为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间。基于教材特点，本教案设计“以人为本”，突出从赫兹发现光电效应，勒纳德研究光电效应规律，爱因斯坦提出光子说解释光电效应规律，到密立根实验验证光电效应方程，物理学家们上下求索三十年的历程，在让学生学到量子论基础知识与基本技能、发展微观思维方法的同时，获得物理课程文化的浸润与陶冶，体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。
本课总体设计思想是：课堂教学以光电效应三十年精彩历程为线索，通过充分展示围绕“光电效应”所发生的发现现象、研究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程，在科学过程展示中推出学科知识，渗透科学思想方法，借助多媒体课件播放、实验装置重现现象及教师解说，着力于撼动青年学生崇尚科学的情感，弘扬深厚的物理课程文化。
【教学过程】全课以下列四个标题作引导，按历史的发展顺序展开教学活动。
(动画显示课题后，教师引入主题)
引入本课要学习的光电效应，在量子理论的发展中有着特殊的意义。人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出光是一种电磁波，光的波动说似乎已完美无缺了。然而，就是在证实电磁波存在的过程中，人们发现了光具有粒子性的重大事实，这就是光电效应现象。光电效应及其规律的研究，使人类对物质世界的观念发生了变革：大自然在微观层次上是不连续的，即“量子化”的，而不是牛顿物理假设的在一切层次上都是连续的!光电效应最先由赫兹发现，他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905年诺贝尔物理学奖，爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决了光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖，美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦的理论，并获1923年诺贝尔物理学奖。光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继，三十年努力求索，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章。让我们翻开这炫目的一页，沐浴科学的阳光吧!
(屏幕切换显示四个标题)
一、赫兹意外发现光电效应
介绍赫兹实验动画显示赫兹实验示意***如***1所示。1885年，赫兹用如***1所示的装置来证实电磁波的存在：电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球，另一端各连接一块正方形锌板，它们共轴放置，两球间留有一空隙，它们相当于一个电容器，与感应圈连接，构成了LC电路，感应圈使两黄铜球聚集大量电荷，从而在空隙间产生电火花，形成高频振荡电流，辐射高频电磁波。与这个回路相距一定距离有电磁波接收器，是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环，开口端各焊一黄铜球，之间有可作微调的空隙，这个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振，从而在接收器的空隙间观察到电火花。
介绍赫兹的发现并演示利用电火花实验装置，赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验，大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论，同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象：当发射器间隙的火光被阻隔时，原来接收间隙的火花变暗(如***3所示)，而用其他任何火花的光照射到接收器铜球，也能促使间隙发生电火花，进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线，当火花的光照到间隙的负极时，作用最强，这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成，赫兹称之为“紫外光对放电现象的效应”，也就是光电效应。
演示光电效应现象动画显示光电效应演示仪原理如***4所示，课堂演示，引导学生观察在紫外线照射下，电流计指示电路中出现了电流。
归纳什么是光电效应
(文字显示)
在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。
二、勒纳德研究光电效应现象的规律
引入赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电效应成因与规律，其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳德的研究卓有成效。对光电效应的研究方向就是弄清其发生的条件。
介绍勒纳德实验研究原理动画显示勒纳德研究光电效应规律的实验装置如***5所示。当入射光照射到光洁的金属阴极K表面，就有光电子发射出来，若有光电子到达阳极A，电路中就有电流，所以可通过电流计了解用各种光照射阴极K以及对两极加不同电压时的光电流，从中摸索规律。
介绍勒纳德实验研究结果勒纳德通过实验总结出光电效应现象的重要规律：
(文字显示)
1.对各种金属都存在着极限频率和极限波长，低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时间再长都不会发生光电效应。
2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
3.只要入射光频率高于金属的极限频率，照到金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的，不超过10-9s。
4.发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比。
光电效应规律性的演示用如***4所示的光电效应演示仪演示(1)用红光、蓝光照射锌板时，不会产生光电流;(2)用玻璃隔断紫外线时，光电流消失;(3)光电流达到饱和后，改变电压，光电流不变，改变入射光强度，光电流增大。
设问1.用光的电磁波理论如何解释光电效应的发生?
2.波动理论可以解释光电效应发生时的规律吗?
讨论与总结请全班同学议论，由学生尝试定性解释光电效应后，教师概括辅以如***6所示动画显示：光到达金属表面时，连续的电磁波能量分布在其表面，振动的电磁场不断地“摇晃”金属表面的电子，一些结合最松散的电子被摇下来。
由学生提出现有理论与观察事实的矛盾后，教师整理为两大困难，并以文字显示。
矛盾波动理论解释实验事实
之一
之二到达金属表面的光能量连续地分布，对某个电子只能吸收其中很少一部分，应有一段时间积累到足够的能量方能从金属表面挣脱。
光波的振幅表征光能量大小，强光对金属作用足够长时间，有足够能量应该可以使电子从金属表面挣脱。光电效应是否产生存在极限频率(波长)而与光强无关，光电子最大初动能也只与入射光频率成正相关。
若能发生光电效应，即使光很弱，也是瞬间发生的
三、爱因斯坦提出光子论圆满解释
引入观察与理论的互动就是科学，观察是科学进程的开端，观察激发思考导致理论以解释观察结果，而理论又在新的观察中受到检验、引发新的理论，对观察结果进行解释或统一。
原来的电磁波理论与光电效应的实验事实不相符合，促使人们改变认识，构建新的思想框架来解释观察结果。1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。
介绍爱因斯坦光量子假说教师介绍普朗克对电磁波辐射所作的量子化假设：振动物体的能量只能取特定的一组允许值。这种思想在当时并没有引起人们多少注意，但爱因斯坦敏锐地捕捉了这一思想闪光，并彻底贯穿到光的辐射与吸收问题中。
教师介绍光子说，并显示文字内容：
在空间传播的光(的能量)不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，一份光子的能量E=hv。
用光子说对光电效应规律作解释用如***7所示动画辅助描述光子说下的光电效应：光子像下雨一样落在金属表面上，打出电子，就像机***子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。
解释极限频率的存在;
解释光电效应的瞬时性;
给出逸出功概念，用光电效应方程
(屏幕展示)解释光电子最大初动能只与入射光频率正相关;
解释光电流的强度与入射光的强度成正比。
小结在爱因斯坦提出光子模型后，用来解释光电效应变得出奇地简单明了，今天，我们中学生运用光电方程计算光电效应已不是什么难题，但在上个世纪初，科学家对量子化的物理却极不适应，爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论，成功解释了光电效应，建树起近代物理学研究的两座丰碑。
四、密立根精确实验证实光电效应方程
引入至此，研究光电效应的科学活动并未完成，爱因斯坦的光子假设与光电方程作为假说──一种有根据的猜测，一种尝试性的未经确认的看法，要上升为理论，要为人们认同──当时对这一假说的怀疑超过了狭义相对论，甚至包括普朗克本人也持反对态度，还必须经受实验的检验。许多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h，验证光电效应方程。
简介密立根的工作一直对光子假设持有保留的美国物理学家密立根，设计了高精确度的实验装置如***8所示，经过十年的试验，不断解决一些技术难点，终于验证了光电方程的直线性，并测出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s，在事实面前，密立根服从真理，宣布爱因斯坦假说得到证实。科学就是严峻的怀疑态度和对新思想的开放态度的混合，科学常常会发生这种情况：科学家说：“那的确是个好论据，我错了。”然后真的改变想法，扬弃旧观点，科学就是这样进步的。
全课总结本课学习，我们了解了光电效应现象，了解了进行科学活动的方法。光电效应把我们带进了量子化的物理学，光电效应告诉我们理解微观世界要有新的观念，光电效应引领了近代物理学的发展，对哲学、文化和技术的影响深远。让我们怀着对量子理论先驱们的崇敬心情，从科学回到生活。
播放音乐与三位物理学家资料画像，如***9所示。
[课件简介]本课件采用PowerPointXP-F1ashMX制作，充分发挥PowerPoint媒体展示功能与FIashMX的强大的动画功能。其制作过程如下：