《光的粒子性》名師教案

1、PAGE12光電效應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)一、概述本課題為普通高中物理選修（3-5）第五章波和粒子第一節(jié)，高三理科班課程,學(xué)時(shí)一課時(shí)。學(xué)習(xí)光電效應(yīng)現(xiàn)象及其解釋理論光電效應(yīng)方程。本課教材蘊(yùn)含著十分豐富的教學(xué)內(nèi)容：在知識方面，本課作為后牛頓物理兩大支柱之量子理論的入門，涉及到量子物理最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)的重要銜接；同時(shí)本節(jié)還有著厚重的物理學(xué)科文化積淀，有物理學(xué)史、科學(xué)方法、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識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(guān)于這些知識的“背景”，則是相當(dāng)豐滿、承賦人文，為實(shí)施“科學(xué)的人文教育價(jià)值”提供了很大的空間。二、教學(xué)目標(biāo)分析知識和能力：1了解光電效應(yīng)研究史實(shí)

2、了解光子的概念，了解并識別光電效應(yīng)現(xiàn)象2能表述光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律，會(huì)用光子說解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律3理解光電效應(yīng)方程的各個(gè)物理量的含義及其對光電效應(yīng)的解釋過程和方法：1經(jīng)歷“探究光電效應(yīng)的規(guī)律”過程，獲得探究活動(dòng)的體驗(yàn)2嘗試發(fā)現(xiàn)波動(dòng)理論面對光電效應(yīng)的規(guī)律遇到的困難3領(lǐng)略“觀察、實(shí)驗(yàn)提出假說實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新的假說”的物理學(xué)研究正確方法情感態(tài)度和價(jià)值觀：1體驗(yàn)探究自然界規(guī)律的艱辛與喜悅2陶冶崇尚科學(xué)、仰慕科學(xué)家，欣賞物理學(xué)的奇妙與和諧的情愫3學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，培養(yǎng)判斷有關(guān)信息是否科學(xué)的意識三、學(xué)習(xí)者特征分析學(xué)生已經(jīng)在3-5第二章學(xué)習(xí)過原子結(jié)構(gòu)和氫原子光譜與能

3、級結(jié)構(gòu)，對原子微觀結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識。知道原子的電離過程本質(zhì)。高三理科班學(xué)生對原子的微觀機(jī)理有一定的興趣，但是，微觀世界的抽象性會(huì)成為學(xué)生理解過程的主要障礙。急于求成、重視結(jié)論型陳述、輕視物理探究史實(shí)和邏輯推理是不少理科生學(xué)習(xí)原子物理相關(guān)理論的通病，這也是這一部分知識遺忘率高的原因?！窘虒W(xué)過程】一、引言:師:前幾節(jié)課我們了解了人們在研究光的本性過程提出的幾種有代表性的學(xué)說。（簡單回顧光的微粒說和波動(dòng)說的發(fā)展過程）自從麥克期韋提出光的電磁說，赫茲又用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的理論后，光的波動(dòng)理論發(fā)展到了完美的地步?？墒?，光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)又給光的波動(dòng)理論帶來了前所未有的困難。今天我們就來通過實(shí)驗(yàn)研究光電效

4、應(yīng)的規(guī)律，并且通過分析光電效應(yīng)的規(guī)律弄清為什么波動(dòng)理論無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。評:點(diǎn)明課題，強(qiáng)調(diào)已經(jīng)十分完美的理論又受到新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的挑戰(zhàn)，引起學(xué)生的懸念，激發(fā)求知欲。二、新課進(jìn)行。1、介紹實(shí)驗(yàn)裝置。師:下面給大家介紹一下光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置。分別介紹鋅板、銅網(wǎng)、高壓電源、檢流裝置，一邊介紹，一邊在黑板上畫出整個(gè)裝置的示意圖評:介紹裝置后畫出裝置示意圖，將具體的較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置變?yōu)楹喢鞯陌瀹?，突出了原理，有助于后面對?shí)驗(yàn)事實(shí)的進(jìn)一步分析。師:現(xiàn)在我把高壓電源接通，檢流裝置接上，為什么檢流計(jì)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)生:集體電路還處于斷開狀態(tài)。師:哪一部分?jǐn)嚅_生:鋅板和銅網(wǎng)之間。中間是空氣，不能導(dǎo)電。師:對?，F(xiàn)在讓我

5、們用紫外線照射鋅板，大家注意觀察。介紹紫外線燈，用紫外照射鋅板，檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)師:剛才用紫外線照射鋅板時(shí)，看到了什么現(xiàn)象為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象生:看到檢流計(jì)指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明電路中出現(xiàn)了電流。師:這電流可能是哪種原因產(chǎn)生的生:可能是紫外線使空氣電離，也可能是紫外線使鋅板飛出了電子。師:對。這兩種可能性都有。但是，如果我們用銅板代替鋅板，則指針不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣，排除了哪種可能性生:集體排除了空氣被電離的可能性。師:這樣，我們就知道，鋅板在紫外線的照射下，飛出了電子，這種物體在光照下有電子飛出的現(xiàn)象叫光電效應(yīng);在光照下從物體中飛出的電子叫光電子，電路中的電流叫光電流。投影:光電效應(yīng)，光電子，光電

6、流板畫:光電效應(yīng)的形成過程評:這一階段介紹什么是光電效應(yīng)。從演示入手，引導(dǎo)學(xué)生觀察并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為下面的研究光電效應(yīng)規(guī)律作準(zhǔn)備。師:下面我們進(jìn)一步研究光電效應(yīng)有哪些規(guī)律。用應(yīng)急燈的可見光照射鋅板，而后用X射線照射鋅板剛才分別用可見光和X射線照射鋅板，大家看到了什么現(xiàn)象生:集體用可見光照射時(shí)無電流，用X射線照射時(shí)有電流。師:這又說明了什么呢生:可見光頻率較低，不能發(fā)生光電效應(yīng)，X射線頻率較高，可以發(fā)生光電效應(yīng)。師:對。我們知道，可見光，紫外線，X射線都是電磁波，只是頻率高低不同?？茖W(xué)家們還用不同頻率的各種電磁波照射同一種金屬板，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率低到一定程度后，不論怎樣增大入射光強(qiáng)度，怎樣延長照射時(shí)

7、間，都無法發(fā)生光電效應(yīng)。這一頻率界限就叫極限頻率。投影:二、規(guī)律:任何一種金屬，都存在極限頻率V。，只有當(dāng)入射光VV。，才能發(fā)生光電效應(yīng)。師:科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，若將高壓電源去掉，檢流計(jì)中仍能發(fā)現(xiàn)有電流通過。這說明什么呢生:飛出的電子不需要加速電壓，能從鋅板飛向銅網(wǎng)。師:對。這也說明飛出的電子具有一定的初速度，具有一定的初動(dòng)能。光電子的這一初動(dòng)能是從哪里來的呢生:從入射光中獲得。師:對?？茖W(xué)家用不同的光不同頻率，不同光強(qiáng)照射同一金屬。發(fā)現(xiàn):光電子的最大初動(dòng)能Em與入射光強(qiáng)度無關(guān)，只與入射光頻率有關(guān)，并且隨入射光頻率的增大而增大。投影:2、光電子的最大初動(dòng)能E與入射光強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射

8、光頻率的增大而增大，這是光電效應(yīng)的第二條規(guī)律。師:下面再讓我們看一看，在能發(fā)生光電效應(yīng)的情況下，從光照開始到光電效應(yīng)發(fā)生，需要的時(shí)間長短。用X射線照射鋅板，讓X射線不斷地?cái)?、續(xù)照射，檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)也斷、續(xù)發(fā)生剛才大家看到的現(xiàn)象說明了什么問題生:光電效應(yīng)發(fā)生非常快。師:對?？茖W(xué)家用儀器測出了光電效應(yīng)的發(fā)生時(shí)間，在10-9秒以下。在這段時(shí)間中，光只能通過約20-30厘米的距離?？梢哉f光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的。投影3、光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的。師:在上面研究的光電效應(yīng)的第二條規(guī)律中，我們知道入射光強(qiáng)不影響光電子的最大初動(dòng)能，那么入射光強(qiáng)可以對什么發(fā)生影響呢把紫外線管靠近鋅板，改變紫外線管與鋅板

9、的距離，檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)幅度相應(yīng)地發(fā)生變化這個(gè)現(xiàn)象說明什么生:說明入射光強(qiáng)度增大時(shí)，光電流強(qiáng)度也增大。師:對。精確的實(shí)驗(yàn)表明，光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比關(guān)系，這是光電效應(yīng)的和4條規(guī)律。投影:4、光電流隨入射光強(qiáng)度的增大而增大。評:從演示實(shí)驗(yàn)入手，一步一步地引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析，盡量讓學(xué)生自己通過觀察、分析獲得知識。師:剛才我們通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析，得出了光電效應(yīng)的規(guī)律。歷史上科學(xué)家們通過大量的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了光電效應(yīng)的4條規(guī)律，下面大家看課本，熟悉這4條規(guī)律。生:看書師:下面提幾個(gè)問題。問題是:1某光恰能使鋅發(fā)生光電效應(yīng)，那么能使課本中表格內(nèi)哪些金屬發(fā)生光電效應(yīng)2表中哪種金屬最易發(fā)生光電效應(yīng)

10、3為什么各種金屬的極限頻率不同生:分別回答上述三個(gè)問題。評:上面的學(xué)生看書，緊接著教師的提問，達(dá)到了鞏固對4條規(guī)律的理解的目的。師:（提出新問題）為什么說光的波動(dòng)理論無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律從光電效應(yīng)的發(fā)生過程來看，電子吸收入射光能量后才能掙脫原子核的束縛，所以我們應(yīng)從能量的角度來分析光效應(yīng)。光的波動(dòng)理論是這樣描述光的能量的:1能量是連續(xù)的；2振幅（光強(qiáng)）越大，光能越大，光的能量與頻率無關(guān)。大家想一想，波動(dòng)理論為什么無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律我們先來分析第一條規(guī)律:存在極限頻率。提問學(xué)生生:按波動(dòng)理論，光強(qiáng)越大，光能越大，就應(yīng)該能發(fā)生光電效應(yīng)，而事實(shí)不是這樣。師:對。按波動(dòng)理論，不論什么頻率的光，只

11、要光強(qiáng)足夠大，就應(yīng)該發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在極限頻率。投影:波動(dòng)理論的困難:1、不應(yīng)存在極限頻率師:波動(dòng)理論能解釋光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無關(guān)嗎生:不能。按波動(dòng)理論，入射光強(qiáng)越大，光能越大，飛出的光電子初動(dòng)能就應(yīng)越大。師:對。事實(shí)是光電子的最大初動(dòng)能僅與入射光頻率有關(guān)。投影:2、光電子最大初動(dòng)能Em應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)，與V無關(guān)師:光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。也就是說，不論入射光強(qiáng)多么弱，只要VV。，就立即能發(fā)生光電效應(yīng)。這用波動(dòng)理論能解釋嗎生:不能。按波動(dòng)理論，光太弱時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)。師:光太弱時(shí)，按波動(dòng)理論，要達(dá)到使光電子飛出的能量，要有一個(gè)能量積累過程。事實(shí)上光電效應(yīng)幾乎瞬時(shí)發(fā)生說明一旦發(fā)生光

12、電效應(yīng)，幾乎不需要能量的積累過程。投影:3、弱光照射時(shí)應(yīng)有能量積累過程，不應(yīng)瞬時(shí)發(fā)生師:光電效應(yīng)的第4條規(guī)律能用波動(dòng)理論解釋嗎生:集體能。師:從剛才的分析中，我們知道，光的波動(dòng)理論在解釋光電效應(yīng)時(shí)遇到了巨大的困難。后來，愛因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學(xué)說。下面大家看課本:光子學(xué)說怎么回事。評:這部分內(nèi)容主要從波動(dòng)理論的主要觀點(diǎn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到波動(dòng)理論的缺陷，為后面引入光子學(xué)說做鋪墊。師:光子說與波動(dòng)理論的主要區(qū)別是什么生:光子說認(rèn)為能量是一份一份的，與頻率有關(guān)，而波動(dòng)說認(rèn)為能量是連續(xù)的，與頻率無關(guān)。師：物理研究史上勒納德卻從光電流的角度對光電效應(yīng)做了很深入的研究，得出了光電

13、效應(yīng)的四條規(guī)律，因此獲得1905年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。追尋勒納德的研究，我們來看看實(shí)驗(yàn)原理。（屏幕顯示電路原理圖，簡介電路圖）生：（觀察，思考）師：勒納德研究的首要任務(wù)是：光電效應(yīng)的條件是什么講臺上也擺放著一套光電流演示儀，先讓我們帶著這個(gè)問題來觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（紫光燈照射鋅板）生：靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，有光電流產(chǎn)生。師：紫光燈一打開，電流計(jì)指針就生：偏轉(zhuǎn)師：用普通玻璃板擋在紫光燈與鋅板之間生：（驚訝）光電流消失了。師：普通的玻璃就可以阻擋紫外線，可見，可見光能否使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)呢生：不能。師：紫光燈燈光中能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)的成分是生：紫外線。師：再仔細(xì)觀察光電流的大小。（改變紫光燈與鋅板之間的

14、距離）生：（驚訝）靠近時(shí)，光電流增大；遠(yuǎn)離時(shí)，光電流減小。師：用普通玻璃板擋在紫光燈與鋅板之間，把紫光燈緊貼鋅板，有沒有光電流生：（失望）沒有。師：可見光不能使鋅板產(chǎn)生光電效應(yīng)；一定頻率的紫外線可以；倫琴射線也可以。從電磁波普的知識可知，這三者的頻率是依次增加，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有高于一定頻率的電磁波才能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。即產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是生：入射光的頻率大于極限頻率。師：或者入射光的波長生：小于極限波長師：知道了光電效應(yīng)產(chǎn)生條件，我們再來關(guān)注它的時(shí)效性。實(shí)驗(yàn)中不論是倫琴射線還是紫外線引起鋅板放出光電子都是生：很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生的。師：更精確的研究表明，光電子發(fā)射經(jīng)過的時(shí)間至多為10的負(fù)九次方秒

15、。光電效應(yīng)中的光電子到底從哪里來生：原子核外的電子。師：光電效應(yīng)中電子克服原子核對它的吸引所做的功不同，光電子的初動(dòng)能會(huì)有差異，其中最大者叫作光電子的最大初動(dòng)能。現(xiàn)在我們通過實(shí)驗(yàn)錄像來總結(jié)影響最大初動(dòng)能的因素。（實(shí)驗(yàn)錄像）生：（觀察后總結(jié)）光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大。師：光電子定向移動(dòng)形成光電流，但是我們知道光電流有強(qiáng)有弱，我們的實(shí)驗(yàn)中就有區(qū)別，讓我們來看看勒納德對光電流強(qiáng)度決定因素的研究結(jié)果。生：通過實(shí)驗(yàn)，我們了解到當(dāng)存在光電流時(shí)，飽和光電流強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系師：在勒納德的四個(gè)結(jié)論中，我們很顯然的找到了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)用經(jīng)典波動(dòng)理論不能解釋，同學(xué)們可以嘗試尋找這