光電效應(yīng)光子物理教案

1、光電效應(yīng)光子物理教案教材全日制普通高級中學(xué)教科書 ? 物理第三冊 必修加選修 第二十二章第一節(jié)。 教學(xué)時(shí)間一課時(shí)。教學(xué)目標(biāo)1. 知識(shí)與技能了解并識(shí)別光電效應(yīng)現(xiàn)象。能表述光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律。了解光子的概念，會(huì)用光子說解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律。理解光電效應(yīng)方程。粗略了解光電效應(yīng)研究史實(shí)。2. 過程與方法觀察赫茲實(shí)驗(yàn)中的放電現(xiàn)象，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的過程。 經(jīng)歷“探究光電效應(yīng)規(guī)律的過程，獲得探究活動(dòng)的體驗(yàn)。 嘗試發(fā)現(xiàn)波動(dòng)理論面對光電效應(yīng)規(guī)律遇到的困難。領(lǐng)略“觀察、實(shí)驗(yàn)提出假說一一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新的假說的物理學(xué)研究方法。3. 情感態(tài)度與價(jià)值觀體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 陶冶崇尚科學(xué)、仰慕科學(xué)家，欣賞物理學(xué)的奇妙與和

2、諧的情愫。 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(shí)。教學(xué)用具1. 實(shí)驗(yàn)裝置赫茲實(shí)驗(yàn)裝置 ; 光電效應(yīng)現(xiàn)象演示裝置。2. 多媒體課件 ; 資料文字 ; 赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意動(dòng)畫 ; 研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意動(dòng)畫 ; 光電效 應(yīng)的波動(dòng)說描述與光子說描述動(dòng)畫 ; 密立根證實(shí)光電方程實(shí)驗(yàn)示意動(dòng)畫 ; 普朗克、愛因斯坦、 密立根資料圖片動(dòng)畫 ;設(shè)計(jì)理念本課教材蘊(yùn)含著十分豐富的教學(xué)內(nèi)容：在知識(shí)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(nèi)容，同時(shí)，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(shí)

3、等人文精神教育的 題材。教材在知識(shí)陳述上較為淺顯直接，而關(guān)于這些知識(shí)的“背景，那么是相當(dāng)飽滿、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?；诮滩奶攸c(diǎn)，本教案設(shè)計(jì) “以人為本，突出從赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律，愛因斯坦提出光子 說解釋光電效應(yīng)規(guī)律，到密立根實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光電效應(yīng)方程，物理學(xué)家們上下求索三十年的歷 程，在讓學(xué)生學(xué)到量子論根底知識(shí)與根本技能、開展微觀思維方法的同時(shí)，獲得物理課程 文化的浸潤與陶冶，表達(dá)物理教育在個(gè)性品質(zhì)、好奇求知、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)美及責(zé)任心等 方面的價(jià)值導(dǎo)向。本課總體設(shè)計(jì)思想是：課堂教學(xué)以光電效應(yīng)三十年精彩歷程為線索，通過充分展示圍 繞“光電效應(yīng)所

4、發(fā)生的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、研究規(guī)律、提出假說、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這樣一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過 程，在科學(xué)過程展示中推出學(xué)科知識(shí)，滲透科學(xué)思想方法，借助多媒體課件播放、實(shí)驗(yàn)裝 置重現(xiàn)現(xiàn)象及教師解說，著力于撼動(dòng)青年學(xué)生崇尚科學(xué)的情感，弘揚(yáng)深厚的物理課程文化。教學(xué)過程全課以以下四個(gè)標(biāo)題作引導(dǎo)，按歷史的開展順序展開教學(xué)活動(dòng)。 動(dòng)畫顯示課題后，教師引入主題 引入本課要學(xué)習(xí)的光電效應(yīng)，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(rèn)識(shí)，到麥克斯韋提出光是一種電磁波，光的波動(dòng)說似乎已完美無缺了。然而，就是在 證實(shí)電磁波存在的過程中，人們發(fā)現(xiàn)了光具有粒子性的重大事實(shí)，這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象。 光電效應(yīng)及其規(guī)律的研究，使人類對物質(zhì)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(shè)的在一切層次上都是連續(xù)的! 光電效應(yīng)最先由赫茲發(fā)現(xiàn)，他的學(xué)生勒納德對光電效應(yīng)的研究卓有成效并獲 1905 年諾貝爾物理學(xué) 獎(jiǎng)，愛因斯坦提出光子論從理論上成功解決了光電效應(yīng)面臨的難題并因此獲1921 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，美國物理學(xué)家密立根通過精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的理論，并獲1923 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)的科學(xué)之光經(jīng)眾多物理學(xué)家前赴后繼，三十年努力求索，在物理 學(xué)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(xué)的陽光吧 ! 屏幕切換顯示四個(gè)標(biāo)題 一、赫茲意外發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)介紹赫茲實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫顯示赫茲實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)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(dāng)于一個(gè)電容器，與 感應(yīng)圈連接，構(gòu)成了 LC 電路，感應(yīng)圈使兩黃銅球聚集大量電荷，從而在空隙間產(chǎn)生電火 花，形成高頻振蕩電流，輻射高頻電磁波。與這個(gè)回路相距一定距離有電磁波接收器，是 用一根粗銅導(dǎo)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(diào)的空隙，這個(gè) 接收器實(shí)際上也是一個(gè) LC電路。調(diào)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(chǎn)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(xiàn)

7、并演示利用電火花實(shí)驗(yàn)裝置，赫茲測量了電磁波速、進(jìn)行了研究電磁 波的反射、聚焦、折射、衍射、干預(yù)、偏振等各種波現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，大量反復(fù)地實(shí)驗(yàn)不但證 實(shí)了麥克斯韋電磁波理論，同時(shí)意外地發(fā)現(xiàn)了說明光具有粒子性的一個(gè)重要現(xiàn)象：當(dāng)發(fā)射 器間隙的火光被阻隔時(shí)，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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象中直接起作用的 是火光中的紫外線，當(dāng)火花的光照到間隙的負(fù)極時(shí)，作用最強(qiáng)，這種情況下接收器間隙發(fā) 生的電火花實(shí)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(xiàn)象的效應(yīng)，也就是光電效應(yīng)。演示光電效應(yīng)現(xiàn)

8、象動(dòng)畫顯示光電效應(yīng)演示儀原理如圖 4 所示，課堂演示，引導(dǎo)學(xué)生觀 察在紫外線照射下，電流計(jì)指示電路中出現(xiàn)了電流。歸納什么是光電效應(yīng) 文字顯示 在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子。二、勒納德研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律引入赫茲的發(fā)現(xiàn)吸引了許多人去深入研究光電效應(yīng)成因與規(guī)律，其中德國物理學(xué)家、 赫茲的助手勒納德的研究卓有成效。對光電效應(yīng)的研究方向就是弄清其發(fā)生的條件。介紹勒納德實(shí)驗(yàn)研究原理動(dòng)畫顯示勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。當(dāng)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(shè)有光電子到達(dá)陽極 A, 電路中就有電流，所以可通過電流計(jì)了解用各種

9、光照射陰極K以及對兩極加不同電壓時(shí)的光電流，從中摸索規(guī)律。介紹勒納德實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果勒納德通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出光電效應(yīng)現(xiàn)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(qiáng)度再大、 照射時(shí)間再長都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。2. 光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，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(shí)光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的， 不超過 10-9s 。4. 發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。光電效應(yīng)規(guī)律性的演示用如圖 4 所示的光電效應(yīng)演示儀演示 (1) 用紅光、藍(lán)光照射鋅 板時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生光電流 ;(2) 用

10、玻璃隔斷紫外線時(shí)，光電流消失 ;(3) 光電流到達(dá)飽和后，改 變電壓，光電流不變，改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度，光電流增大。設(shè)問 1. 用光的電磁波理論如何解釋光電效應(yīng)的發(fā)生 ?2. 波動(dòng)理論可以解釋光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)的規(guī)律嗎 ?討論與總結(jié)請全班同學(xué)議論，由學(xué)生嘗試定性解釋光電效應(yīng)后，教師概括輔以如圖 6 所示動(dòng)畫顯示：光到達(dá)金屬外表時(shí)，連續(xù)的電磁波能量分布在其外表，振動(dòng)的電磁場不斷 地“搖晃金屬外表的電子，一些結(jié)合最松散的電子被搖下來。由學(xué)生提出現(xiàn)有理論與觀察事實(shí)的矛盾后，教師整理為兩大困難，并以文字顯示。矛盾波動(dòng)理論解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)之一之二到達(dá)金屬外表的光能量連續(xù)地分布，對某個(gè)電子只能吸收其中很少一局部，應(yīng)有

11、一段時(shí)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(qiáng)光對金屬作用足夠長時(shí)間，有足夠能量應(yīng)該可以使電 子從金屬外表掙脫。光電效應(yīng)是否產(chǎn)生存在極限頻率(波長) 而與光強(qiáng)無關(guān)，光電子最大初動(dòng)能也只與入射光頻率成正相關(guān)。假設(shè)能發(fā)生光電效應(yīng)，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(dòng)就是科學(xué)，觀察是科學(xué)進(jìn)程的開端，觀察激發(fā)思考導(dǎo)致理論以 解釋觀察結(jié)果，而理論又在新的觀察中受到檢驗(yàn)、引發(fā)新的理論，對觀察結(jié)果進(jìn)行解釋或 統(tǒng)一。原來的電磁波理論與光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符合，促使人們改變認(rèn)識(shí)，構(gòu)建新的思 想框架來解釋觀察結(jié)果。 1905 年，愛因斯坦用突破性

12、的量子化思想對光電效應(yīng)做出了現(xiàn)在 為科學(xué)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(shè)：振動(dòng)物體 的能量只能取特定的一組允許值。這種思想在當(dāng)時(shí)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(nèi)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(gè)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(yīng)規(guī)律作解釋用如圖 7 所示動(dòng)畫輔助描述光子說下的光電效應(yīng)：光 子像下雨一樣落在金屬外表上，打出電子，就像機(jī)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(yīng)的瞬時(shí)性 ;給出逸出功概念，用光電效應(yīng)方程 屏幕展示 解釋光電子最大初動(dòng)能只與入射光頻率正相關(guān);解釋光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。小結(jié)在愛因斯坦提出光子模型后，用來解釋光電效應(yīng)變得出奇地簡單明了，今天，我 們中學(xué)生運(yùn)用光電方程計(jì)算光電效應(yīng)已不是什么難題，但在上個(gè)世紀(jì)初，科學(xué)家對量子化 的物理卻極不適應(yīng)，愛因斯坦的獨(dú)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(yīng)，建樹起近代物理學(xué)研究的兩座豐碑。四、密立根精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)光電效應(yīng)方程引入至此，研究光電效應(yīng)的科學(xué)活動(dòng)并未完成，愛因斯坦的光子假設(shè)與光電方程作為 假說一一一種有根據(jù)的猜想，一

14、種嘗試性的未經(jīng)確認(rèn)的看法，要上升為理論，要為人們認(rèn) 同一一當(dāng)時(shí)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(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。許多物理學(xué)家都想方設(shè)法用實(shí)驗(yàn)測量普朗克恒量h,驗(yàn)證光電效應(yīng)方程。簡介密立根的工作一直對光子假設(shè)持有保存的美國物理學(xué)家密立根,設(shè)計(jì)了高精確度 的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 8 所示,經(jīng)過十年的試驗(yàn),不斷解決一些技術(shù)難點(diǎn),終于驗(yàn)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(shí)面前，密立根服從真理，宣布 愛因斯坦假說得到證實(shí)?？茖W(xué)就是嚴(yán)峻的疑心態(tài)度和對新思想的開放態(tài)度的混合,科學(xué)常 常會(huì)發(fā)生這種情況：科學(xué)家說：“那確實(shí)是個(gè)好論據(jù),我錯(cuò)了。然后真的改變想法,揚(yáng) 棄舊觀點(diǎn),科學(xué)就是這樣進(jìn)步的。全課總結(jié)本課學(xué)習(xí),我們了解了光電效應(yīng)現(xiàn)象,了解了進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)的方法。光電效 應(yīng)把我們帶進(jìn)了量子化的物理學(xué),光電效應(yīng)告訴我們理解微觀世界要有新的觀念,光電效 應(yīng)引領(lǐng)了近代物理學(xué)的開展,對哲學(xué)、文化和技術(shù)的影響深遠(yuǎn)。讓我們懷著對量子理論先 驅(qū)們的崇敬心情,從科學(xué)回到生活。播放音樂與三位物理學(xué)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