光電效應(yīng)說課稿

光電效應(yīng) 1對1教學(xué)一、 教材分析本課題為普通高中人教版物理選修3-5第十七章波粒二相性第二節(jié)光的粒子性的第一塊內(nèi)容。在選修3-4中，學(xué)生先學(xué)習(xí)光的波動性，而在該節(jié)中，學(xué)生將學(xué)習(xí)光的粒子性的證據(jù)：光電效應(yīng)現(xiàn)象及其解釋理論一一光電效應(yīng)方程。本課教材蘊含著十分豐富的教學(xué)內(nèi)容：在知識方面，本課內(nèi)容作為后牛頓物理兩大支柱之一一一量子理論的入門，涉及到量子物理最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是量子物理與經(jīng)典物理學(xué)的重要銜接；同時本課還有著濃厚的物理學(xué)科文化積淀，有物理學(xué)史、科學(xué)方法、、科學(xué)精神、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識等人文精神教育題材。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，為實施“科學(xué)的人文教育價值”提供了很大的空間。二、 學(xué)情分析本課學(xué)習(xí)主體是一名高三學(xué)生。該學(xué)生雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)過這一塊內(nèi)容與普朗克關(guān)于黑體輻射的能量子假說，然而由于學(xué)校教育在這一節(jié)往往重視結(jié)論型陳述、輕視物理探究史實際和邏輯推理，導(dǎo)致學(xué)生這一部分知識一知半解，很快遺忘；該學(xué)生數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)較差，無思考、鉆研的主動性，但是對物理學(xué)習(xí)并沒有失去信心，只是需要一種適合她的節(jié)奏，而且該生較有毅力，尊重老師，也比較聽話。綜上分析，該學(xué)生有必要重新經(jīng)歷一次新授課，從知識上、邏輯上、情感上對光電效應(yīng)，光子說與量子物理基礎(chǔ)有一個修正性的認(rèn)識，對物理學(xué)習(xí)的興趣、態(tài)度、方法進(jìn)一步發(fā)生改變。三、 教學(xué)目標(biāo)知識與技能：1、 了解并識別光電效應(yīng)現(xiàn)象；2、 能表述光電效應(yīng)的規(guī)律；3、 理解光子說和光電效應(yīng)方程。過程與方法：1、 經(jīng)歷“探究光電效應(yīng)的規(guī)律”過程，體驗實驗探究的方法；2、 嘗試發(fā)現(xiàn)波動理論面對光電效應(yīng)的規(guī)律遇到的困惑；3、 領(lǐng)略“觀察、實驗一提出假說一實驗驗證”的研究方法；

4、經(jīng)歷、模仿與學(xué)習(xí)直接原因分析法。情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)1、 體驗探究自然界規(guī)律的艱辛、喜悅與方法；2、 陶冶崇尚科學(xué)、仰慕科學(xué)家，欣賞物理學(xué)的奇妙與和諧的情操；3、 學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅持真理、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神；4、 進(jìn)一步強化物理學(xué)習(xí)興趣與轉(zhuǎn)變物理學(xué)習(xí)態(tài)度。四、 重點與難點根據(jù)新課標(biāo)，本課的重點是：光電效應(yīng)現(xiàn)象的基本規(guī)律、光子說的基本思想和利用光子說對光電效應(yīng)現(xiàn)象的解釋。根據(jù)新課標(biāo)與該生自身情況，本課的難點是：對光的強度的理解；飽和電流的強度為什么跟光電子的最大初動能無關(guān)，只與入射光的強度成正比。五、 教學(xué)策略與教學(xué)方法基于教材特點與學(xué)員自身特點，本課擬采用情景一一陶冶教學(xué)策略與先行組織者教學(xué)策略相結(jié)合的組合策略。先行組織者策略是非常適合1對1教學(xué)因材施教的原則的，而情景一一陶冶教學(xué)策略非常適合對表面上枯燥的物理學(xué)缺乏興趣的學(xué)生，運用這兩種策略相結(jié)合的組合策略進(jìn)行教學(xué)將收到奇效。采用問答法與角色代入法相結(jié)合的教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)入量子理論建立的物理學(xué)史，經(jīng)歷實驗探究的過程，在過程中積極思考，獲取新知識，鍛煉邏輯分析能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，學(xué)習(xí)物理學(xué)家的科學(xué)方法，體會物理學(xué)家的科學(xué)精神。六、教學(xué)設(shè)計

教學(xué)設(shè)計內(nèi)容流程圖1、 引入：幻燈片展示光電效應(yīng)的三個諾貝爾物理學(xué)獎項。（得主照片與簡介）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，愛因斯坦提出光子說從理論上成功解決光電效應(yīng)面臨的難題并因此獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎，美國物理學(xué)家密立根通過精確實驗驗證了愛因斯坦理論，并獲1923年諾貝爾物理學(xué)獎。光電效應(yīng)的科學(xué)之光經(jīng)眾多物理學(xué)獎前赴后繼，三十年努力求索，在物理學(xué)史上成為絢麗奪目的篇章……（通過展示光電效應(yīng)的三個物理學(xué)獎項引起學(xué)生對光電效應(yīng)一探究竟的學(xué)習(xí)動機）（2'）2、 動畫演示實驗：X光照射鋅板演示光電效應(yīng)現(xiàn)象。觀察現(xiàn)象，通過階梯形、邏輯性提問引發(fā)思考。提問如下：：這個是什么儀器？（指著驗電器問）：這個儀器有什么用？：現(xiàn)在驗電器金屬箔張開說明了什么？：那么驗電器為什么帶電呢？

與之前弧光燈不照射金屬箔不張開對比，引導(dǎo)學(xué)生分析出正是因為弧光燈的照射，鋅板發(fā)射出電子自身帶上了正電。（此處可設(shè)問這種現(xiàn)象與靜電感應(yīng)有何區(qū)別？）引導(dǎo)學(xué)生用自己的話描述光電效應(yīng)現(xiàn)象，從而引出光電效應(yīng)概念：物體在光的照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫光電子。（學(xué)生將了解并可以識別光電效應(yīng)）光電效應(yīng)是一個奇特的現(xiàn)象，有很多科學(xué)家對這個現(xiàn)象進(jìn)行了研究，包括上面三位諾貝爾物理學(xué)獎得主，那么，如果是你，你會怎么去探究光電效應(yīng)的規(guī)律呢？（5'）提問：我們從初中開始以及高中三年學(xué)過的實驗探究的方法有哪些？（控制變量法，對比試驗，轉(zhuǎn)化法等）引導(dǎo)學(xué)生分析，要探究光電效應(yīng)，首先需要讓光電效應(yīng)再生，也就是需要光電效應(yīng)的發(fā)生裝置（比如上述弧光燈照射鋅板就是一個發(fā)生裝置，但要定量探究還須改進(jìn)）一一＞光電效應(yīng)現(xiàn)象看不到摸不著，必須轉(zhuǎn)化為可測量的量去研究它（轉(zhuǎn)化法）一一＞光電效應(yīng)既然有電子發(fā)射出來，那么可以從電子的角度去研究，與電子有關(guān)的量有什么呢，比如電流，如果要研究電流，就必須要有一個電路。好了，這是我們的推斷，那么接下來我們?nèi)タ纯从捎趯怆娦?yīng)卓有成效地研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的勒納德是怎么樣探究的。（直接原因分析法）3、勒納德實驗探究光電效應(yīng)規(guī)律。幻燈片展示勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律的實驗裝置：（書上的實驗電路圖就是這個的簡化）JL針對實驗電路圖，簡單介紹實驗儀器：光電管——產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象裝置其余部分一一定量測定由于光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流（與我們剛才的推斷是一樣的,學(xué)生會由于與物理學(xué)家的歷史共鳴獲得一種喜悅感）

并進(jìn)行如下提問：此電路圖采用何種接法？（分壓法）分壓法有什么優(yōu)點？（可以控制用電器兩端電壓從零開始變化，電壓調(diào)節(jié)范圍大）（這里回顧選修3-1恒定電流的知識，引導(dǎo)學(xué)生明白物理知識間的聯(lián)系與物理探究所需的知識儲備）提問：不同顏色的光，即不同頻率的光照射靈敏電流計的示數(shù)是否會變化呢？有的話要用到哪種探究方法？（控制變量法）在這個裝置中加在光電管兩端的電壓是否會影響靈敏電流計的示數(shù)呢？幻燈片展示實驗操作及其實驗現(xiàn)象。實驗操作（1）：用一定的頻率和強度的單色光照射陰極K,滑動變阻器從最左端慢慢向右滑動（即從零開始改變加在A和K兩極間的電壓U）,測量光電流I的變化并記錄數(shù)據(jù)?！睷M —<1-A F實驗現(xiàn)象①：隨著電壓的增大光電流也增大，但是電壓增大到一定值的時候，光電流達(dá)到一個最大值。根據(jù)這個實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)〔RM —<1-A F「11,i；] *遷￡4Bin ?圖2實驗現(xiàn)象②：滑動變阻器觸點在最左端，即U=0時，光電流并不為0,而且還是同向偏轉(zhuǎn)。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)此現(xiàn)象修正圖2得到圖3（這里故意將這兩個實驗現(xiàn)象分開展示，是因為學(xué)生總是先注意到曲線的趨勢再關(guān)心曲線的一些特殊點，也起到對于曲線是否過原點的強調(diào)作用）：

圖3根據(jù)實驗現(xiàn)象提問，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析與解釋：為什么U=0的時候光電流并不為0?引導(dǎo)學(xué)生分析原因，電流形成的原因是電荷的定向移動（這里是光電子），說明了當(dāng)U=0時，有光電子從K板（陰極）運動到了A板邙日極）一說明離開K板（陰極）時，光電子具有動能（此處不講速度，是因為大量光電子離開陰極表面的速度沿各個方向，且在兩極之間作平拋或者斜拋或者直線運動，從能量角度研究比較方便）。那么怎樣才能使得光電流變?yōu)?呢？引導(dǎo)學(xué)生分析，光電流變?yōu)?—光電子無法到達(dá)（A板）陽極一光電子到達(dá)陽極前動能已經(jīng)變?yōu)榱?,臨界條件是恰好變?yōu)?—加上反向電壓。（這一步分析順理成章，得出加反向電壓這個操作并不突兀，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的鍛煉，而且所謂創(chuàng)新并非天馬行空，而是有堅實的依據(jù)與嚴(yán)密的邏輯，體現(xiàn)了直接原因推理法的有效性）承接剛才的分析展示實驗操作（2）：滑動變阻器觸點回到最左端，兩個單刀雙擲開關(guān)分別打到另一觸點（即加上反向電壓），調(diào)節(jié)滑動變阻器，待電流計示數(shù)為零時，記錄電壓表示數(shù)Uc。實驗現(xiàn)象③：在同一頻率同一強度的光照射下，當(dāng)反向電壓為調(diào)節(jié)到一定值Uc時（遏止電壓），光電流恰好為零，且繼續(xù)增大電壓，光電流仍為0。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象修正伏安特性曲線，如圖4：

I 亡—于irtM.護眄提問：好，現(xiàn)在完成了在同一頻率同種強度光照射下的光電管的伏安特性曲線，下面該做什么呢？（控制變量法）采用不同頻率不同強度的單色光照射重復(fù)上述實驗操作，并匯出光電管的伏安特性曲線，如圖5,6,且得到遏止電壓與入射光頻率間的關(guān)系，如圖7：圖7入射光頻率與遏止電壓的線性關(guān)系引導(dǎo)學(xué)生用語言描述圖5,6,7所蘊含的信息。（學(xué)生對于物理圖像的信息提取能力、語言表達(dá)能力得到練習(xí)與強化）評價學(xué)生的描述。我們來看下勒納德總結(jié)出的光電效應(yīng)四大實驗規(guī)律（幻燈片展示）：（1）、存在飽和電流。飽和電流強度與入射光強度成正比。

（2） 、存在遏止電壓。光電子的最大初動能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光光強無關(guān)。（3） 、存在極限頻率。對于每一種金屬，只有當(dāng)入射光頻率u大于一定的頻率uc時，才會產(chǎn)生光電效應(yīng)。頻率uc成為極限頻率。（4） 、光電效應(yīng)具有瞬時性，這段時間不超過10-9s。提問：1，為什么飽和光電流強度與入射光強度成正比？為什么光電子的最大初動能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光光強無關(guān)？為什么存在極限頻率？為什么光電效應(yīng)發(fā)生極短？幻燈片介紹經(jīng)典電磁理論（即波動理論）5、波動理論對光電效應(yīng)的解釋的困難（幻燈片展示）（學(xué)生從表格中可以發(fā)現(xiàn)波動理論對于光電效應(yīng)解釋的困難）*Nil*丘幀 ；

6、愛因斯坦對光電效應(yīng)規(guī)律的理論解釋（這部分鼓勵學(xué)扮演愛因斯坦嘗試?yán)霉庾诱f與光電效應(yīng)方程進(jìn)行理論解釋，隨后表格展示四大規(guī)律的解釋）：I ~II ~I對應(yīng)規(guī)律對規(guī)律的產(chǎn)生的解釋存在極限頻率Vc電子從金屬表面逸出，首先必須克服金屬原子核的引力做功W0,要使入射光子的能量不小于W0,對應(yīng)的頻率vc=W0/h，即極限頻率光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大，與入射光強度無關(guān)（難點2）電子吸收光子能量后，一部分克服阻礙作用做功，剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動能，只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動冃能，對于確定的金屬，W0是一定的，故光電子的最大初動能只隨入射光的頻率增大而增大（利用光電效應(yīng)方程Ek=h—W0解釋）光電效應(yīng)具有瞬時性光照射金屬時，電子吸收一個光子的能量后，動能立即增大，克服引力做功，逸出金屬表面，不需要能量積累的過程光較強時飽和電流大光較強時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大（難點1光強的理解）光電效應(yīng)的圖像:圖8任何物理理論的建立都必須經(jīng)過實驗的驗證，那么是誰第一個驗證了愛因斯坦的光電方程呢？7、密立根精確實驗驗證光電效應(yīng)方程（幻燈片展示）1916年，美國物理學(xué)家密立根（R.A.MilliKan,美，1868—1953）的精確實驗證實了愛因斯坦的光電方程。非常有趣的是密立根的精確的實驗驗證了愛因斯坦光電方程的正確性，卻是完全與他預(yù)料的相反，密立根一直對愛因斯坦的光電子假設(shè)持保留態(tài)度。他說：“經(jīng)過十年之久的試驗、變換和學(xué)習(xí)，有時甚至還要出差錯，在這之后，我把一切努力從一開始就針對光量子發(fā)射能量的精密測量，測量它隨溫度、波長、材料（接觸電勢差）改變的函數(shù)的關(guān)系。與我自己的預(yù)料相反，這項工作終于在1914年成了愛因斯坦方程式

在很小實驗誤差范圍內(nèi)精確有效的第一次直接實驗證據(jù)，并且第一次直接從光電效應(yīng)測普朗克常量h,所得精度大約為0.5%，這是當(dāng)時所能得到的最佳值”。密立根在事實面前服從真理，反過來宣布愛因斯坦的光電方程完全得到證實，這是很值得后人學(xué)習(xí)的。由于他對光電效應(yīng)及測量基元電荷的出色研究，因而獲得了1923年諾貝爾物理學(xué)獎。（此處幻燈片展示密立根實驗裝置，并作簡要介紹，學(xué)生扮演密立根朗讀他的臺詞，將體會到物理學(xué)家追求真理的艱辛與毅力，感受他們堅定的唯物主義觀念）8、教學(xué)反饋題型1：光電效應(yīng)用強度和頻率都相同的兩束紫外線分別照射到兩種不同金屬的表面上，均可發(fā)生光電效應(yīng)，則下列說法中正確的是（）兩束紫外線光子總能量相同從不同的金屬表面逸出的光電子的最大初動能相同在單位時間內(nèi)從不同的金屬表面逸出的光電子數(shù)相同從不同的金屬表面逸出的光電子的最大初動能不同題型2：光電效應(yīng)方程如圖13—2—2是某金屬在光的照射下產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek與入射光頻率v的關(guān)系圖象。由圖象可知（）圖13—2—2該金屬的逸出功等于E該金屬的逸出功等于hvc入射光的頻率為2vc時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E入射光的頻率為vc2時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E2題型3：對光電效應(yīng)規(guī)律的理解：關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是（）極限頻率越大的金屬材料逸出功越大只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng)從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小

入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多［變式訓(xùn)練］(2011?上海高考)用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是()改用頻率更小的紫外線照射改用X射線照射改用強度更大的原紫外線照射延長原紫外線的照射時間題型4：光的波粒二象性：關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性，下列說法中正確的是()不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒都具有波粒二象性運動的微觀粒子與光子一樣，當(dāng)它們通過一個小孔時，都沒有特定的運動軌道波動性和粒子性，在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性對光的波粒二象性的理解光既有波動性，又有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機的統(tǒng)一體，其表現(xiàn)規(guī)律為：從數(shù)量上看：個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。從頻率上看：頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領(lǐng)越強。從傳播與作用上看：光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。波動性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量E=hv，光子的動量p=h入表達(dá)式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率v和波長a理解光的波粒二象性時不可把光當(dāng)成宏觀概念中的波，也不可把光當(dāng)成宏觀概念中的粒子。題型5：光電效應(yīng)方程的應(yīng)用(1)研究光電效應(yīng)的電路如圖13—2—3所示。用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K),鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。如圖13—2—4中的光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象中，正確的是()

圖13—2—3(2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子。光電子從金屬表面逸出的過程中，其動量的大小 (選填“增大”、“減小”或“不變”)，原因是［變式訓(xùn)練］如圖13—2—5所示，當(dāng)電鍵S斷開時，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上電鍵，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60V時，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時，電流表讀數(shù)為零。圖13—2—5求此時光電子的最大初動能的大小；求該陰極材料的逸出功。［自主練習(xí)］1.(2013?上海楊浦區(qū)模擬)愛因斯坦由光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，猜測光具有粒子性，從而提出光子說，從科學(xué)研究的方法來說，這屬于()A?等效替代 B?控制變量C.科學(xué)假說 D.數(shù)學(xué)歸納解析：選C科學(xué)假說是科學(xué)理論發(fā)展的思維形式，是人們根據(jù)已經(jīng)掌握的科學(xué)原理和科學(xué)事實，對未知的自然現(xiàn)象及其規(guī)律，經(jīng)過一系列的思維過程，預(yù)先在自己頭腦中作出的假定性解釋。愛因斯坦由光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，猜測光具有粒子性，從而提出光子說，屬于科學(xué)假說，選項C正確。

1905年是愛因斯坦的“奇跡”之年，這一年他先后發(fā)表了三篇具有劃時代意義的論文，其中關(guān)于光量子的理論成功的解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是（）當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時，不能發(fā)生光電效應(yīng)光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比光電子的最大初動能與入射光的強度成正比某單色光照射一金屬時不發(fā)生光電效應(yīng)，改用波長較短的光照射該金屬可能發(fā)生光電效應(yīng)解析：選AD根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的實驗規(guī)律，只有入射光頻率大于極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)，故A、D正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程，最大初動能與入射光頻率為線性關(guān)系，但非正比關(guān)系，B錯；根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的實驗規(guī)律，光電子的最大初動能與入射光強度無關(guān)，C錯。（2012?福建高考）關(guān)于近代物理，下列說法正確的是（ ）a射線是高速運動的氦原子核聚變反應(yīng)方程21H+31H—42He+10n中，10n表示質(zhì)子從金屬表面逸出的光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比玻爾將量子