高中物理-光的粒子性教學設計學情分析教材分析課后反思

一、設計思想本節(jié)課首先以復習和實驗演示引入，在復習階段回顧了電磁波波長和頻率的關系，強調微觀粒子的能量分立特點以及電磁波輻射的能量子計算公式，為學習新課內容做好鋪墊。在實驗演示階段讓學生思考兩個問題：①“為什么要研究光的粒子性？”②“為什么靈敏電流計指針會偏轉？”這樣的引入激發(fā)了學生的興趣，為即將進行的教學做好了準備。然后，光電效應的實驗規(guī)律部分是激發(fā)學生思維碰撞的關鍵，不能簡單地將知識灌輸給學生?！按嬖陲柡碗娏?、截至頻率和光電效應的瞬時性”每一個實驗現象都應該讓學生從已有的知識出發(fā)去探討，讓學生會真切感受到經典理論的局限性和光電效應的神奇性，增強教學效果。有了前面的鋪墊，愛因斯坦對光電效應的解釋便呼之欲出。在這里我做了一個調整——將“遏止電壓”作為一個對愛因斯坦光電效應方程的應用，并順理成章地引出密立根測量金屬的遏止電壓與入射光的頻率實驗驗證愛因斯坦的理論。二、教學目標（一）知識與技能1．通過實驗了解光電效應的實驗規(guī)律。2．知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。（二）過程與方法經歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。情感、態(tài)度與價值觀領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲。三、教學重點難點重點：光電效應的實驗規(guī)律難點：愛因斯坦光電效應方程以及意義四、教學過程（一）復習回顧，導入新課【教師】上節(jié)課我們學習了《能量量子化》，那么大家回答上面這幾個問題。【學生】（回答問題）【教師】看來大家對上節(jié)課的知識鞏固得很好，接下來我們要學習的新課是《光的粒子性》。在學習新課之前，大家想一想光是什么？【學生】光是一種電磁波。【教師】好，我們都知道光是電磁波。而且我們系統(tǒng)地研究了光的波動性：首先是三位科學家分別觀察到了光的衍射、干涉、偏振現象，發(fā)現了光的波動性，然后是麥克斯韋預言了電磁波的存在并認為光是一種電磁波，最后赫茲通過實驗證明他的說法。那么光的波動理論毋庸置疑是正確的，為什么我們還要研究光的波動性呢？【學生】……【教師】我們知道科學是很嚴謹的，當時赫茲進行的實驗確實驗證了光的波動性。但是實驗中有一些現象，赫茲無法用光的波動理論來解釋。接下了，我們就看看當時赫茲到底觀察到了什么實驗現象?！緦嶒炑菔尽拷榻B實驗器材（課件輔助），然后演示，引導學生觀察分別用可見光光源和紫外線光源照射鋅板時靈敏電流計的指針偏轉情況。進行該實驗前要把鋅板打磨發(fā)亮?！窘處煛繛槭裁从米贤饩€照射鋅板會引發(fā)靈敏電流計指針偏轉？（啟發(fā)）靈敏電流計偏轉說明電路中產生了電流，赫茲觀察到這個實驗現象后，又進入了細致的研究，發(fā)現當紫外線照射到鋅板上時，鋅板表面會有電子逸出，這個現象就是光電效應（板書）。（二）新課探究【教師】大家閱讀課本“光電效應的實驗效應”這一部分前兩段內容，并找出光電子、光電流的概念?！緦W生】（自學并完成任務）【教師】大家思考一個問題，從鋅板上逸出的電子的動能是誰提供的？【學生】入射的紫外線的光能?！窘處煛亢?，在這里給大家補充個小知識，金屬表面的電子一般條件下不會逸出，電子要逸出金屬表面必須要克服金屬表面的一種束縛力做功。那么大家思考一下，位于金屬內部的電子A和金屬表面的電子B，哪一個逸出時要克服這種力做功多？【學生】A?！窘處煛空_，這個功的最小值叫做逸出功（板書），用W0表示。大家翻到課本32的表1，表格第一行是不同種類金屬，第三行是對應金屬的逸出功，大家發(fā)現到什么問題？【學生】不同金屬的逸出功不同。【教師】我們用E表示電子吸收的光能，W0表示該金屬的逸出功，Ek表示該電子逸出時的初動能，那么它們三者有什么關系呢？【學生】Ek=E-W0【教師】（板書）大家回答得很好。那么老師再問一個問題：為什么用普通日光燈照射鋅板，不會發(fā)生光電效應呢？日光燈發(fā)出的可見光和紫外線同樣可以提供光能，為什么可見光不能引起光電效應呢？（啟發(fā)）我們知道紫外線頻率要比可見光頻率大，赫茲繼續(xù)試驗發(fā)現：如果入射光頻率大于紫外線的話，一樣可以引發(fā)鋅板的光電效應；但如果入射光頻率小于紫外線的話，卻無法引發(fā)鋅板的光電效應。大家知道這是什么原因嗎？【學生】……【教師】這個問題大家回答不出來，在當時這個問題同樣困擾著赫茲，他提出了這個問題，引起了后來人的關注。很多人進行了光電實驗并將這個實驗設計改良?！窘處煛窟@是改良后的光電效應電路圖，其中這個（拿起一個光電管展示）叫做光電管。由于它外殼玻璃發(fā)光，我們就看PPT上它的結構示意圖。大家注意看，它的陰極設計得很大，這是什么原因？【學生】這樣可以增加光照面積?！窘處煛空_。那么大家再來看看這個電路圖，思考這個電路中的滑動變阻器、電壓表、電流表的作用分別是什么？【學生】滑動變阻器采用分壓接法，可以控制光電管兩端的電壓；電壓表測量的是光電管兩端的電壓；電流表測得是光電流?！窘處煛亢芎?，接下來我們就用這個實驗器材來進行光電效應實驗，發(fā)現它的規(guī)律。大家注意觀察實驗現象，并回答上面幾個問題?！緦嶒炑菔尽渴紫茸寣W生觀察電壓表示數為零時，電流表示數是否為零。然后我調節(jié)滑動變阻器增加極板間電壓，讓學生觀察到電流表會隨之增加直到某一定值。當電流表示數不變時，我改用強光照射，讓學生觀察電流表示數是否變化。同時，注意光照強度改變時，產生光電流的時間間隔是否改變?！窘處煛亢茫堃晃煌瑢W來說一說自己觀察到的實驗現象?！緦W生】（回答）【教師】第一個問題很好解釋，這是發(fā)生了光電效應。那么誰能解釋第二個問題——電流表的示數變大？（啟發(fā)）光電子逸出后運動的方向是四面八方的，只有很少的一部分能到達陽極，那么極板間加電壓后對光電子的運動方向有什么影響么？【學生】極板間加電壓后形成電場，光電子逸出后受到電場力的作用運動趨向陽極。極板間的電壓越大，電場力越強，單位時間內就會有更多的光電子能到達陽極，所以光電流變強?！窘處煛炕卮鸬貌诲e。那為什么電壓增加到一定值時電流表示數不變？（啟發(fā)）假設在這樣的光強條件下，單位時間內能產生N個光電子，那么電壓增大到一定值時……【學生】（恍然大悟）此時N個光電子全部到達陽極，即使繼續(xù)增大電壓，也不會有更多的光電子到達陽極，所以光電流不變?！窘處煛看藭r光電流達到飽和值，我們稱之為飽和電流（板書）?！窘處煛亢芎?，那么我們繼續(xù)看，第三個問題能說明什么？【學生】光照強度決定單位時間內能產生的光電子數目?！窘處煛亢?，那么第四個問題能說明什么呢？【學生】光電效應具有瞬時性。（教師隨之板書）【教師】當然還有一個實驗現象由于實驗器材的限制無法給大家演示，那就是赫茲當時的研究：他發(fā)現，任何材料如同鋅板一樣，要發(fā)生光電效應，那么入射光的頻率必須達到某一臨界值。這個臨界值我們稱為截止頻率/極限頻率（板書）。大家看課本32表1，第一行是不同種類金屬，第二行是對應金屬的極限頻率，大家發(fā)現到什么問題？【學生】不同金屬的極限頻率不同?！窘處煛恳陨先c就是光電效應的實驗規(guī)律，第一點“存在飽和電流”我們已經用光的波動理論解釋了。那么大家嘗試用波動理論解釋剩下兩點?！緦W生】（討論）【教師】我發(fā)現學生討論過程中發(fā)現了矛盾的地方，我概括為上面兩條。顯然這兩個問題用光的波動理論是沒法解釋的。而這兩個問題不僅困擾著我們，也在當時困擾了很多科學家。顯然，這說明我們對光的理解還是不夠，我們需要其他理論來解釋上面的問題。終于，在這時候有個人站出來了……【學生】愛因斯坦??！【教師】好，大家閱讀課本“愛因斯坦的光電效應方程”這一部分前三段內容，找出愛因斯坦的假說內容。【學生】（自學并完成任務）【教師】如果愛因斯坦的理論正確，那么我們求逸出后電子的初動能公式就得改變了吧？變成什么？【學生】Ek=hυ-W0（教師隨之板書）【教師】這就是愛因斯坦光電效應方程?！窘處煛磕敲次覀儸F在嘗試用愛因斯坦的理論來解釋剛才用波動理論沒能解釋的問題?！緦W生】（討論）【教師】看來大家討論完了，1小組代表來回答問題1?！緦W生】根據光電效應方程，如果入射光的頻率小于某個值時，那么hυ-W0＜0，那么電子是無法逸出的，這就是為什么光電效應存在截止頻率?！窘處煛窟@里老師要提出一個問題，如果入射光頻率恰是截止頻率，那么光電效應方程能變成什么？【學生】hυc=W0（教師隨之板書）【學生】（隨之恍然大悟）所以不同金屬的逸出功不同，它們的極限頻率不同！【教師】好，繼續(xù)，2組代表回答問題2?！緦W生】因為光本身是一份一份的，即光子，電子能一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以光電效應具有瞬時性?！窘處煛繍垡蛩固沟睦碚撏昝赖亟忉屃诉@些問題啊，然而這并不代表愛因斯坦的假說就是正確的，這需要實驗來驗證。于是，在這個時候又有一個人站出來了……【學生】密立根??！【教師】其實大家對他并不陌生，我們在之前的學習中知道了他測量的元電荷的數值，這次他要驗證愛因斯坦的假說是否正確。大家想一下，如果在光電效應實驗中光照條件不變，而我想讓任何一個光電子都不能到達陽極，那么我該在極板間怎么加電壓呢？【學生】反向電壓?！窘處煛孔⒁?，我要求的是任何一個光電子！這就對反向電壓的大小有了更具體的要求?！緦W生】所加電壓至少要讓逸出時具有最大初動能的光電子到達陽極時恰好減速至0?！窘處煛空_。由于極板間的電場力做功，光電子動能減小。大家對這個過程用動能定理列式求出這個臨界電壓【學生】-eU=0-Ek。【教師】這個臨界電壓我們稱為遏止電壓，用Uc表示，這個式子就變成eUc=Ek（板書）。那么大家思考一個問題，影響遏止電壓大小的是光照強度還是入射光頻率？為什么？【學生】入射光頻率。由光電效應方程可以知道，入射光頻率影響Ek的大小，而Ek決定了Uc，所以說入射光頻率影響遏止電壓的大小?！窘處煛亢芎茫敲茨隳苡蛇@兩個公式得到遏止電壓與入射光頻率的關系么？【學生】?！窘處煛看蠹铱?，h、e都是定值，對于某一金屬來講W0也是定值，由此我們可以發(fā)現Uc和υ是一次函數關系。我們可以根據34頁例題所給的某金屬的Uc和υ的幾組數據作出Uc-υ圖象。那么圖象的斜率有什么物理意義？【學生】h/e?！窘處煛课覀冎纄是多少，那么根據斜率我們就能得到h為多少。那么我用這個實驗測量數據算出來的h與普朗克根據黑體輻射得出的h比較……【學生】（恍然大悟）如果這兩個數據相差不大，在誤差允許的范圍內，可以驗證愛因斯坦的理論是正確的！【教師】這就是密立根的實驗原理！我們算出來發(fā)現他們的數據確實相差不多，由此可知，愛因斯坦的理論是正確的。接下來我們就用這一理論解決問題，完成課后題第四題。【學生】（兩名同學板練，其他學生在下面做題）【教師】（講評）【教師】（課堂小結）以上我就是我們所學內容，大家課下要注意復習鞏固，下課。五、板書設計這一部分內容應該在學生系統(tǒng)地學習了光的波動性之后才能進行的。但學生對光的波動性還沒有學習，這樣就增加了對這節(jié)內容學習的難度，因此在本節(jié)課之前讓學生先學習一些有關光的波動性的知識，即光的電磁理論。此次課做到了優(yōu)化教學目標，落實學習任務。優(yōu)化教學目標是課堂教學實施素質教育的前提。此次課在目標確定上，都沒有照搬教參書，而是沿三維目標方向深入挖掘，精心設計。此次課同樣做到了優(yōu)化師生關系，創(chuàng)設和諧氛圍，優(yōu)化教學結構，體現主導作用。淡化教師教的活動，突出了教師為主導、學生為主體的教學思路。而且，此次課實現了教學方式與學習方式的多樣化。在小組討論學習中，教師充分發(fā)揮小組代表的作用，在匯報結果時利用組內補充和組外補充。讓大部分同學通過小組學習活動進行學習、實踐與他人合作、交流與表達。注重多媒體信息技術輔助，本節(jié)課制作了課件輔助教學，以現代信息技術特有的形、聲、色、光的優(yōu)勢，展現實驗現象、創(chuàng)設教學情境，吸引著學生的多種感官，在課堂上發(fā)揮著快捷、直觀、高效、含蓋面廣、啟發(fā)性強的作用。本章根據科學發(fā)展的歷史脈絡展現了人類認識微觀粒子的波粒二象性的過程。第一節(jié)通過“黑體輻射”引出普朗克的能量量子化假說為本節(jié)《光的粒子性》做了理論鋪墊。本節(jié)中“光電效應”及“康普頓效應”都是證明光的粒子性的經典實驗。通過本節(jié)實驗及分析，再現光的粒子性誕生的過程，并初步涉及量子物理學理論。本節(jié)知識由光電效應的實驗規(guī)律、光電效應解釋中的疑難、愛因斯坦的光電效應方程、康普頓效應和光子的動量五部分組成，內容較多，難度也較大，教材把這些內容放在這一節(jié)里，是希望通過這一節(jié)的學習能讓學生對光子有一個全面的認識。本節(jié)知識也是本章的重點內容。光電效應和康普頓效應是認識光的粒子性的重要依據，愛因斯坦用量子思想對光電效應的解釋是科學轉折的重大信號，更多的科學家開始關注普朗克提出的量子觀點，并開創(chuàng)了新的局面。光電效應實驗是本節(jié)的重點，要做好實驗。鑒于本節(jié)內容較多，且要突出光電效應這部分內容的重要性，我將本節(jié)分為兩課時，這節(jié)課是第一課時。用光照射金屬表面，沒有發(fā)射光電子，這可能是()

（A）入射光強度太?。˙）照射的時間太短

（C）光的波長太短（D）光的頻率太低

2．光照射到某金屬表面，金屬表面有光電子逸出，則()

（A）若入射光的頻率增加，光的強度減弱，那么逸出電子的最大初動能可能不變

（B）若入射光的頻率不變，光的強度減弱，那么單位時間內逸出電子數目減少

（C）若入射光的頻率不變，光的強度減弱到不為零的某一數值時，可能不再有電子逸出

（D）若入射光的頻率增加，而強度不變，那么單位時間內逸出電子數目不變，而光電子的最大初動能增大

3．用導線把驗電器與鋅板相連接，當用紫外線照射鋅板時，發(fā)生的現象是（）

（A）有電了從鋅板飛出（B）有光子從鋅板飛出

（C）驗電器內的金屬箔帶正電（D）驗電器內的金屬箔帶負電

4．某介質中光子的能量是E，波長是λ,則此介質的折射率是（）

（A）λE/h（B）λE/ch（C）ch/λE（D）h/λE

5．用一束光照射光電管時，電流表A中有一定讀數，下列措施中有可能使電流表的示數增大的是（）

（A）增大入射光的頻率

（B）增大入射光的強度

（C）滑片P向右移動

（D）滑片P向左移動

6．鈉在紫光照射下，產生光電效應并形成光電流，若減小紫光的強度，則隨之減小的物理量是（）

（A）光電流強度（B）光電子的最大初動能

（C）紫光光子的能量（D）鈉的極限頻率

7．用綠光照射一光電管的陰極時，產生光電效應，欲使光子從陰極逸出時的最大初動能增大，應采取的措施是（）

（A）改用紅光照射（B）改用紫光照射

（C）增大綠光的強度（D）增大加在光電管上的正向電壓

8．甲、乙兩種單色光分別照射某金屬，用甲光照射時能產生光電效應，用乙光照射時不能產生光電效應，則（）

（A）甲光的強度大于乙光的強度（B）甲光的頻度大于乙光的頻率

（C）甲光的波長大于乙光的波長（D）甲光的照射時間大于乙光的照射時間

9．關于光子的能量，下述說法中正確的是（）

（A）光子的能量跟它在真空中的波長成正比

（B）光子的能量跟它在真空中的波長成反比

（C）光子的能量跟光子的速度成正比

（D）光子的能量跟光子的速度的平方成正比

10．光電管是一種把信號的器件，它常用于自動化裝置及等技術裝置里。

11．某單色光源的輸出功率1W，單色光的波長為0.6μm，該光源每秒鐘發(fā)射的光子數約為個。

12．“神光Ⅱ“裝置是我國規(guī)模最大、國際上為數不多的高功率固體激光系統(tǒng)，利用它每秒鐘可獲得能量為2400J、波長為0.35μm的紫外激光。已知普朗克常數h=6.63×10-34J?s，每秒鐘紫外激光所含光子數是多少？利用多媒體教學，能很好的加強與學生的互動，讓學生主動參與到教學活動中來。例如，播放功能調出相應的課件，讓學生進行操作，增加了趣味性和參與性。多媒體教學，能很好對本節(jié)課的重點和難