光電效應光子物理教案

1、光電效應光子物理教案教材全日制普通高級中學教科書 ? 物理第三冊 必修加選修 第二十二章第一節(jié)。 教學時間一課時。教學目標1. 知識與技能了解并識別光電效應現象。能表述光電效應現象的規(guī)律。了解光子的概念，會用光子說解釋光電效應現象的規(guī)律。理解光電效應方程。粗略了解光電效應研究史實。2. 過程與方法觀察赫茲實驗中的放電現象，體驗發(fā)現的過程。 經歷“探究光電效應規(guī)律的過程，獲得探究活動的體驗。 嘗試發(fā)現波動理論面對光電效應規(guī)律遇到的困難。領略“觀察、實驗提出假說一一實驗驗證新的假說的物理學研究方法。3. 情感態(tài)度與價值觀體驗探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 陶冶崇尚科學、仰慕科學家，欣賞物理學的奇妙與和

2、諧的情愫。 學習科學家敢于堅持真理、勇于創(chuàng)新和實事求是的科學態(tài)度和科學精神，培養(yǎng)判斷有 關信息是否科學的意識。教學用具1. 實驗裝置赫茲實驗裝置 ; 光電效應現象演示裝置。2. 多媒體課件 ; 資料文字 ; 赫茲實驗裝置示意動畫 ; 研究光電效應實驗示意動畫 ; 光電效 應的波動說描述與光子說描述動畫 ; 密立根證實光電方程實驗示意動畫 ; 普朗克、愛因斯坦、 密立根資料圖片動畫 ;設計理念本課教材蘊含著十分豐富的教學內容：在知識方面，本課作為后牛頓物理兩 大支柱之一量子理論的入門，涉及量子物理最根底的內容，同時，還有著厚重的物理 學科文化積淀，有物理學史、科學方法、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識

3、等人文精神教育的 題材。教材在知識陳述上較為淺顯直接，而關于這些知識的“背景，那么是相當飽滿、承 賦人文，為實施“科學的人文教育價值提供了很大的空間?；诮滩奶攸c，本教案設計 “以人為本，突出從赫茲發(fā)現光電效應，勒納德研究光電效應規(guī)律，愛因斯坦提出光子 說解釋光電效應規(guī)律，到密立根實驗驗證光電效應方程，物理學家們上下求索三十年的歷 程，在讓學生學到量子論根底知識與根本技能、開展微觀思維方法的同時，獲得物理課程 文化的浸潤與陶冶，表達物理教育在個性品質、好奇求知、質疑創(chuàng)新、科學美及責任心等 方面的價值導向。本課總體設計思想是：課堂教學以光電效應三十年精彩歷程為線索，通過充分展示圍 繞“光電效應所

4、發(fā)生的發(fā)現現象、研究規(guī)律、提出假說、實驗驗證這樣一個科學發(fā)現過 程，在科學過程展示中推出學科知識，滲透科學思想方法，借助多媒體課件播放、實驗裝 置重現現象及教師解說，著力于撼動青年學生崇尚科學的情感，弘揚深厚的物理課程文化。教學過程全課以以下四個標題作引導，按歷史的開展順序展開教學活動。 動畫顯示課題后，教師引入主題 引入本課要學習的光電效應，在量子理論的開展中有著特殊的意義。人類對光的本性 的認識，到麥克斯韋提出光是一種電磁波，光的波動說似乎已完美無缺了。然而，就是在 證實電磁波存在的過程中，人們發(fā)現了光具有粒子性的重大事實，這就是光電效應現象。 光電效應及其規(guī)律的研究，使人類對物質世界的觀

5、念發(fā)生了變革：大自然在微觀層次上是 不連續(xù)的，即“量子化的，而不是牛頓物理假設的在一切層次上都是連續(xù)的! 光電效應最先由赫茲發(fā)現，他的學生勒納德對光電效應的研究卓有成效并獲 1905 年諾貝爾物理學 獎，愛因斯坦提出光子論從理論上成功解決了光電效應面臨的難題并因此獲1921 年諾貝爾物理學獎，美國物理學家密立根通過精確實驗證實了愛因斯坦的理論，并獲1923 年諾貝爾物理學獎。光電效應的科學之光經眾多物理學家前赴后繼，三十年努力求索，在物理 學史上成為絢麗奪目的篇章。讓我們翻開這炫目的一頁，沐浴科學的陽光吧 ! 屏幕切換顯示四個標題 一、赫茲意外發(fā)現光電效應介紹赫茲實驗動畫顯示赫茲實驗示意圖如圖

6、 1 所示。 1885 年，赫茲用如圖 1 所示的裝 置來證實電磁波的存在：電磁波發(fā)生器是在兩根銅棒上各焊接一個磨光的黃銅球，另一端 各連接一塊正方形鋅板，它們共軸放置，兩球間留有一空隙，它們相當于一個電容器，與 感應圈連接，構成了 LC 電路，感應圈使兩黃銅球聚集大量電荷，從而在空隙間產生電火 花，形成高頻振蕩電流，輻射高頻電磁波。與這個回路相距一定距離有電磁波接收器，是 用一根粗銅導線彎成一開口的圓環(huán)，開口端各焊一黃銅球，之間有可作微調的空隙，這個 接收器實際上也是一個 LC電路。調節(jié)間隙改變接收電路的固有頻率可與發(fā)射過來的電磁 波產生共振，從而在接收器的空隙間觀察到電火花。介紹赫茲的發(fā)現

7、并演示利用電火花實驗裝置，赫茲測量了電磁波速、進行了研究電磁 波的反射、聚焦、折射、衍射、干預、偏振等各種波現象的實驗，大量反復地實驗不但證 實了麥克斯韋電磁波理論，同時意外地發(fā)現了說明光具有粒子性的一個重要現象：當發(fā)射 器間隙的火光被阻隔時，原來接收間隙的火花變暗如圖 3所示 ，而用其他任何火花的光照射到接收器銅球，也能促使間隙發(fā)生電火花，進一步研究發(fā)現這一現象中直接起作用的 是火光中的紫外線，當火花的光照到間隙的負極時，作用最強，這種情況下接收器間隙發(fā) 生的電火花實際上是紫外線的照射使一極銅球上飛出電子到另一極銅球所形成，赫茲稱之 為“紫外光對放電現象的效應，也就是光電效應。演示光電效應現

8、象動畫顯示光電效應演示儀原理如圖 4 所示，課堂演示，引導學生觀 察在紫外線照射下，電流計指示電路中出現了電流。歸納什么是光電效應 文字顯示 在光的照射下物體發(fā)射電子的現象，叫做光電效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子。二、勒納德研究光電效應現象的規(guī)律引入赫茲的發(fā)現吸引了許多人去深入研究光電效應成因與規(guī)律，其中德國物理學家、 赫茲的助手勒納德的研究卓有成效。對光電效應的研究方向就是弄清其發(fā)生的條件。介紹勒納德實驗研究原理動畫顯示勒納德研究光電效應規(guī)律的實驗裝置如圖5 所示。當入射光照射到光潔的金屬陰極 K外表，就有光電子發(fā)射出來，假設有光電子到達陽極 A, 電路中就有電流，所以可通過電流計了解用各種

9、光照射陰極K以及對兩極加不同電壓時的光電流，從中摸索規(guī)律。介紹勒納德實驗研究結果勒納德通過實驗總結出光電效應現象的重要規(guī)律： 文字顯示 1. 對各種金屬都存在著極限頻率和極限波長，低于極限頻率的任何入射光強度再大、 照射時間再長都不會發(fā)生光電效應。2. 光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大。3. 只要入射光頻率高于金屬的極限頻率，照到金屬外表時光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的， 不超過 10-9s 。4. 發(fā)生光電效應時，光電流的強度與入射光的強度成正比。光電效應規(guī)律性的演示用如圖 4 所示的光電效應演示儀演示 (1) 用紅光、藍光照射鋅 板時，不會產生光電流 ;(2) 用

10、玻璃隔斷紫外線時，光電流消失 ;(3) 光電流到達飽和后，改 變電壓，光電流不變，改變入射光強度，光電流增大。設問 1. 用光的電磁波理論如何解釋光電效應的發(fā)生 ?2. 波動理論可以解釋光電效應發(fā)生時的規(guī)律嗎 ?討論與總結請全班同學議論，由學生嘗試定性解釋光電效應后，教師概括輔以如圖 6 所示動畫顯示：光到達金屬外表時，連續(xù)的電磁波能量分布在其外表，振動的電磁場不斷 地“搖晃金屬外表的電子，一些結合最松散的電子被搖下來。由學生提出現有理論與觀察事實的矛盾后，教師整理為兩大困難，并以文字顯示。矛盾波動理論解釋實驗事實之一之二到達金屬外表的光能量連續(xù)地分布，對某個電子只能吸收其中很少一局部，應有

11、一段時間積累到足夠的能量方能從金屬外表掙脫。光波的振幅表征光能量大小，強光對金屬作用足夠長時間，有足夠能量應該可以使電 子從金屬外表掙脫。光電效應是否產生存在極限頻率(波長) 而與光強無關，光電子最大初動能也只與入射光頻率成正相關。假設能發(fā)生光電效應，即使光很弱，也是瞬間發(fā)生的三、愛因斯坦提出光子論圓滿解釋引入觀察與理論的互動就是科學，觀察是科學進程的開端，觀察激發(fā)思考導致理論以 解釋觀察結果，而理論又在新的觀察中受到檢驗、引發(fā)新的理論，對觀察結果進行解釋或 統(tǒng)一。原來的電磁波理論與光電效應的實驗事實不相符合，促使人們改變認識，構建新的思 想框架來解釋觀察結果。 1905 年，愛因斯坦用突破性

12、的量子化思想對光電效應做出了現在 為科學界普遍接受的解釋。介紹愛因斯坦光量子假說教師介紹普朗克對電磁波輻射所作的量子化假設：振動物體 的能量只能取特定的一組允許值。這種思想在當時并沒有引起人們多少注意，但愛因斯坦 敏銳地捕捉了這一思想閃光，并徹底貫穿到光的輻射與吸收問題中。教師介紹光子說，并顯示文字內容：在空間傳播的光 ( 的能量)不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡 稱光子，一份光子的能量 E=hv。用光子說對光電效應規(guī)律作解釋用如圖 7 所示動畫輔助描述光子說下的光電效應：光 子像下雨一樣落在金屬外表上，打出電子，就像機槍子彈從混凝土墻上打下混凝土塊一樣。解釋極限頻率的存在

13、 ;解釋光電效應的瞬時性 ;給出逸出功概念，用光電效應方程 屏幕展示 解釋光電子最大初動能只與入射光頻率正相關;解釋光電流的強度與入射光的強度成正比。小結在愛因斯坦提出光子模型后，用來解釋光電效應變得出奇地簡單明了，今天，我 們中學生運用光電方程計算光電效應已不是什么難題，但在上個世紀初，科學家對量子化 的物理卻極不適應，愛因斯坦的獨創(chuàng)性、物理洞察力和對簡潔解釋的追求使他在忙碌的 1905 年發(fā)表了相對論，成功解釋了光電效應，建樹起近代物理學研究的兩座豐碑。四、密立根精確實驗證實光電效應方程引入至此，研究光電效應的科學活動并未完成，愛因斯坦的光子假設與光電方程作為 假說一一一種有根據的猜想，一

14、種嘗試性的未經確認的看法，要上升為理論，要為人們認 同一一當時對這一假說的疑心超過了狹義相對論，甚至包括普朗克本人也持反對態(tài)度，還 必須經受實驗的檢驗。許多物理學家都想方設法用實驗測量普朗克恒量h,驗證光電效應方程。簡介密立根的工作一直對光子假設持有保存的美國物理學家密立根,設計了高精確度 的實驗裝置如圖 8 所示,經過十年的試驗,不斷解決一些技術難點,終于驗證了光電方程 的直線性，并測出普朗克恒量 h=6.56 X 10-34j ? s,在事實面前，密立根服從真理，宣布 愛因斯坦假說得到證實?？茖W就是嚴峻的疑心態(tài)度和對新思想的開放態(tài)度的混合,科學常 常會發(fā)生這種情況：科學家說：“那確實是個好論據,我錯了。然后真的改變想法,揚 棄舊觀點,科學就是這樣進步的。全課總結本課學習,我們了解了光電效應現象,了解了進行科學活動的方法。光電效 應把我們帶進了量子化的物理學,光電效應告訴我們理解微觀世界要有新的觀念,光電效 應引領了近代物理學的開展,對哲學、文化和技術的影響深遠。讓我們懷著對量子理論先 驅們的崇敬心情,從科學回到生活。播放音樂與三位物理學家資料畫像,如圖 9 所示。 課件簡介 本課件采用 PowerPointXP-F1ashMX 制作,充分發(fā)揮 Powe