42光電效應（教學設計）高中物理（人教版2019選擇性）

第2節(jié)光電效應教學設計備課人學科物理課題4.2光電效應教學內容分析本節(jié)由光電效應的實驗規(guī)律、光電效應解釋中的疑難和愛因斯坦的光電效應理論三部分組成，內容較多，難度較大，也很抽象。本節(jié)知識是本章的重點內容，也是認識光的粒子性的重要依據。愛因斯坦接受量子論，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。由光電效應方程、康普頓效應和光的波粒二象性三部分組成。光電效應和康普頓效應進一步揭開了光的粒子性。通過科學們對光的本性的歷史過程簡單回顧，結合實驗結論說明光的波粒二象性，讓學生對光的本質有一個較為全面的認識。本節(jié)內容是對學生物理興趣培養(yǎng)的好素材。學情分析學生在第一節(jié)已經了解了普朗克的量子化觀點，在必修三的課本中也已經了解了光子的概念，這對本節(jié)課的學習有一定的幫助。同時經典物理觀念和某些生活經驗會影響學生接受量子思想。通過實驗了解了什么是光電效應，并且探究了光電效應的實驗規(guī)律，利用愛因斯坦的光電效應理論初步進行了解釋，這些為本節(jié)課的學習奠定了基礎。教學目標物理觀念：知道光電效應現象、光電效應的實驗規(guī)律以及用愛因斯坦理論解釋光電效應。形成光量子初步的物理觀念，通過學習康普頓效應解釋一些天空為什么是藍的現象，能應用光的波粒二象性解決一些實際問題?？茖W思維：培養(yǎng)學生辯證思維能力，運用愛因斯坦理論對光電效應的實驗規(guī)律進行解釋。運用光量子假說成功解釋光電效應和康普頓效應，形成光具有能量和動量的思維觀念?？茖W探究：通過觀察光電效應的實驗過程培養(yǎng)學生觀察能力，感悟以實驗為基礎的科學探究方法。通過光量子假說分析光電效應的實驗規(guī)律和康普頓效應?？茖W態(tài)度與責任：感受微觀世界的奇妙和諧，培養(yǎng)學生對科學的好奇心和求知欲，能夠體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。通過物理學史的學習，使學生能從科學家的工作中感悟科學探究，培養(yǎng)學生類比思想，以及嚴謹的科學思維。教學重難點教學重點：光電效應的實驗規(guī)律和用愛因斯坦理論解釋光電效應。光電效應方程、康普頓效應和光的波粒二象性。教學難點：光電效應的實驗規(guī)律和用愛因斯坦理論解釋光電效應。光電效應方程、康普頓效應和光的波粒二象性。教學過程教學環(huán)節(jié)教師活動學生活動設計意圖新課導入把一塊鋅板連接在驗電器上，并使鋅板帶負電，驗電器指針張開。用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化。這個現象說明了什么問題？觀看視頻。了解光電效應現象。用視頻播放學生未曾見過的現象，吸引學生注意力，引出新課。新課教學一.光電效應的實驗規(guī)律1、實驗目的研究光電效應中電子發(fā)射的情況與照射光的強弱、光的顏色(頻率)等物理量間的關系。2、光電效應的實驗裝置⑴陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極。⑵K在受到光照時能夠發(fā)射光電子⑶陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，形成光電流，光電流越大，說明光電效應越強。陰極K與陽極A之間電壓U的大小可以調整，電源的正負極也可以對調。右圖中所加的電壓為正向電壓，即A極的電勢高于K極的電勢。光電子從陰極K逸出后，在AK之間被電場加速。觀看視頻：存在截止頻率（極限頻率）ν（1）當入射光的頻率減小到某一數值νc時，光電流消失，這表明已經沒有光電子了，νc稱為截止頻率或極限頻率。即入射光的頻率必須高于截止頻率νc才能發(fā)生光電效應。（2）不同金屬的截止頻率νc不同，即截止頻率與金屬自身的性質有關①當入射光頻率ν>νc時，電子才能逸出金屬表面；②當入射光頻率ν<νc時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。光電效應的產生條件存在飽和電流在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個飽和值。這說明，在一定的光照條件下，單位時間內陰極K發(fā)射的光電子的數目是一定的，電壓增加到一定值時，所有光電子都被陽極A吸收，這時即使再增大電壓，電流也不會增大。實驗表明，在光的頻率不變的情況下，入射光越強,飽和電流越大。這說明，對于一定頻率(顏色)的光，入射光越強，單位時間內發(fā)射的光電子數越多。（飽和電流與入射光的強度有關其實是與光子數有關）5、存在遏止電壓Uc擁有最大初動能（能量）的光電子到達A極時，動能剛好減小為零，而動能的改變是由于電場力做功：反向電壓增加，光電流減小。光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。U=0時，I≠0，因為電子有初速度加反向電壓，如右圖所示：、光電子作減速運動。若速率最大的記為vc則I=0，式中UC為遏止電壓使光電流減小到0的反向電壓UC稱為遏止電壓。①對于同一種顏色（頻率）的光，無論光的強弱如何，遏止電壓都一樣②光的頻率發(fā)生變化時，遏止電壓也會發(fā)生變化。③這表明光電子的能量（動能）只與入射光的頻率有關。而與入射光的強弱無關6、光電效應具有瞬時性實驗結果：即使入射光的強度非常微弱，只要入射光頻率大于被照金屬的截止頻率，電流表指針也幾乎是隨著入射光照射就立即偏轉。更精確的研究推知，光電子發(fā)射所經過的時間不超過10－9s（這個現象一般稱作“光電子的瞬時發(fā)射”）?！纠}】在演示光電效應實驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用紫外線燈照射鋅板時，驗電器的指針張開一個角度，如圖所示，下列說法正確的是（A）A.驗電器的指針帶正電B.若僅增大紫外線的頻率，則鋅板的逸出功增大C.若僅增大紫外線燈照射的強度，則單位時間內產生的光電子數減少D.若僅減小紫外線燈照射的強度，則可能不發(fā)生光電效應【例題】圖甲是光電效應的實驗裝置，圖乙是光電流與加在陰極K和陽極A上的電壓的關系。根據乙圖中的曲線，可知（AC）A.在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大B.對某種確定的金屬來說，其遏止電壓只由入射光的頻率決定C.遏止電壓越大，說明從該金屬中逃出來的光電子的最大初動能越大D.只要增大電壓，光電流就會一直增大根據視頻中演示的現象，理解什么是光電效應。。觀看視頻分析討論問題。根據思考問題總結實驗規(guī)律。結合帶電粒子在電場中的受力情況分析光電子的受力情況。了解光電效應的瞬時性。總結什么是光電效應規(guī)律，知道什么是光電子。以問題的形式講解新知識，促進學生的交流，增強學生學習的自主性。對學生的回答內容進行點評和歸納，總結出更符合問題題意的答案。根據思考問題總結實驗規(guī)律。通過對光電子的受力和運動情況分析，明確什么是遏止電壓。通過實驗現象總結實驗規(guī)律。了解光電效應的瞬時性。二、光電效應解釋中的疑難思考7：人們知道，金屬中原子外層的電子會脫離原子而做無規(guī)則的熱運動。但在溫度不很高時，電子并不能大量逸出金屬表面，這是為什么呢?溫度不很高時，電子不能大量逸出，是由于受到金屬表面層的引力作用，電子要從金屬中掙脫出來，必須克服這個引力做功。使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功。當光照射金屬表面時，電子會吸收光的能量。若電子吸收的能量超過逸出功，電子就能從金屬表面逸出，這就是光電子。光越強，逸出的電子數越多，光電流也就越大。這些結論與實驗相符。①光越強，光電子的初動能應該越大，所以遏止電壓UC應與光的強弱有關。②不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻率。③如果光很弱，按經典電磁理論估算，電子需幾分鐘到十幾分鐘的時間才能獲得逸出表面所需的能量，這個時間遠遠大于109S。以上三個結論都與實驗結果相矛盾的，所以無法用經典的波動理論來解釋光電效應?！纠}】對光電效應現象的理解，下列說法正確的是（B）A.當某種單色光照射金屬表面時，能產生光電效應，如果入射光的強度減弱，從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B.若發(fā)生了光電效應且入射光的頻率一定時，光強越強，單位時間內逸出的光電子數就越多C.無論光強多強，只要光的頻率小于截止頻率就能產生光電效應D.以上說法都不正確思考討論問題。閱讀材料，了解實驗結論與經典波動理論的不符之處。完成課堂練習。引出“逸出功”的概念。讓學生了解實驗結論與經典波動理論的不符之處，引導學生學習下一課時新內容。對學生的回答進行點評總結，幫助學生更好的理解本節(jié)課的重難點。培養(yǎng)科學態(tài)度與責任的核心素養(yǎng)。三、愛因斯坦的光量子假設愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：1.光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν。這些能量子后來被稱為光子。2.愛因斯坦的光電效應方程一個電子吸收一個光子的能量hν后，一部分能量用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的初動能Ek，即：或——光電子最大初動能W0——金屬的逸出功3.光子說對光電效應的解釋①愛因斯坦方程表明，光電子的初動能Ek與入射光的頻率成線性關系，與光強無關。只有當hν>W0時，才有光電子逸出，就是光電效應的截止頻率。②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然幾乎是瞬時發(fā)生的。③光強較大時，包含的光子數較多，照射金屬時產生的光電子多，因而飽和電流大。思考與討論：愛因斯坦光電效應方程給出了光電子的最大初動能E與入射光的頻率v的關系。但是，很難直接測量光電子的動能，容易測量的是截止電壓U。那么，怎樣得到截止電壓U。與光的頻率v和逸出功W0的關系呢?利用光電子的初動能E=eUC。和愛因斯坦光電效應方程Ek=hvW0,可以消去E,從而得到Uc與v、W0的關系，即對于確定的金屬，其逸出功W0是確定的，電子電荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止電壓Uc與光的頻率v之間是線性關系，Ucv圖像是一條斜率為h/e的直線愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。4.光電效應理論的驗證美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦方程，h的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學獎。小試牛刀【例題】如圖所示，當開關K斷開時，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P，發(fā)現電流表讀數不為零。合上開關，調節(jié)滑動變阻器，發(fā)現當電壓表讀數小于0.6V時，電流表讀數仍不為零。當電壓表讀數大于或等于0.6V時，電流表讀數為零。由此可知陰極材料的逸出功為(A)A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV【例題】(多選)如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線，圖線與橫軸的交點坐標為(4.27,0)，與縱軸的交點坐標為(5.5,0.5)。由圖可知(AC)A．該金屬的截止頻率為4.27×1014HzB．該金屬的截止頻率為5.5×1014HzC．該圖線的斜率表示普朗克常量D．該金屬的逸出功為0.5eV明確光子的概念，并知道其能量的大小。分析光電子的能量和逸出功之間的關系，總結出光電效應方程。理解光子說對光電效應現象的解釋。小組討論遏止電壓與光子頻率、逸出功之間的關系。了解科學探索發(fā)展的過程。完成課堂練習。結合能量守恒定律分析光電效應方程，培養(yǎng)學生應用能量守恒定律解決問題的科學思維方式。以小組討論的形式，總結得到遏止電壓和頻率、逸出功的關系。提高學生交流合作的能力。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，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。鞏固所學知識四、康普頓效應和光子的動量1、康普頓效應（1）光的散射光在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現象叫做光的散射。（2）康普頓效應在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應。說明能量有損失，導致波長變長。2、光的散射經典解釋入射的電磁波引起物質內部帶電微粒的受迫振動，振動著的帶電微粒進而再次產生電磁波，并向四周輻射，這就是散射波。散射的X射線頻率應該等于帶電粒子受迫振動的頻率，也就是入射X射線的頻率。相應地，X射線的波長也不會在散射中發(fā)生變化。光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長λ和普朗克常量h有關：3、光子模型解釋康普頓效應光子不僅具有能量，而且具有動量，光子的動量p與光的波長λ和普朗克常量h有關：愛因斯坦質能方程：E=mc2光子能量：E（ε）=hν聯立可得式中h為普朗克常量,λ為光波的波長波長變長的解釋：P↓——λ↑【例題】美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發(fā)生相應的改變。下列說法正確的是（）A.當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，因此光子散射后頻率變大B.康普頓效應揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C.X光散射后與散射前相比，速度變小D.散射后的光子雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變理解光的散射和康普頓效應完成課堂練習鞏固所學知識五、光的波粒二象性（一）人類對光的認識過程眾所周知，在麥克斯韋的電磁理論建立之后，人們認識到光是一種電磁波,從而光的波動說被普遍接受，人們不再認為光是由粒子組成的。而愛因斯坦的光電效應理論和康普頓效應理論表明，光在某些方面確實會表現得像是由一些粒子(即一個個有確定能量和動量的“光子”)組成的。（二）光的波動性和光的粒子性動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的。也就是說，光電效應和康普頓效應重新揭示了光的粒子性。當然，此時人們對光的粒子性的認識，是以最新的實驗和量子理論為基礎的，已經和牛頓時代的光的粒子說根本不同，其深度遠遠超出后者。人們意識到，光既具有波動性，又具有粒子性。換句話說，光具有波粒二象性(waveparticledualism)。從牛頓時代光的微粒說、惠更斯和托馬斯·楊的光的波動說，到麥克斯韋的光的電磁理論，再到愛因斯坦的光子理論乃至量子電動力學,人類對光的認識構成了一部科學史詩?！纠}】對于光的行為，下列說法正確的是（BD）A.個別光子的行為表現為粒子性，大量光子的行為表現為波動性B.光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C.光表現出波動性時，就不具有粒子性了，光表現出粒子性時，就不具有波動性了D.光的波粒二象性應理解為，在某種場合下光的波動性表現明顯，在另外某種場合下光的粒子性表現明顯【例題】關于光的本性，下列說法正確的是（C）A.關于光的本性，牛頓提出微粒說，惠更斯提出波動說，愛因斯坦提出光子說，它們都說明了光的本性B.光具有波粒二象性是指∶既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C.光的干涉、衍射現象說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性D.光的波粒二象性是將牛頓的波動說和惠更斯的粒子說真正有機地統(tǒng)一起來的理解光的粒子性和波動性分別表現在哪些方面。完成課堂練習讓學生從粒子性和波動性理解光的波粒二象性。課堂總結一、光電效應光電效應，光電子二、光電效應的規(guī)律。1、飽和電流2、遏止電壓3、截止頻率4、具有瞬時性三、愛因斯坦的光量子假設四、康普頓效應和光子的動量五、光的波粒二象性總結知識。幫助學生總結所學知識，建立知識框架。板書設計一、光電效應的實驗規(guī)律1.光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。這種電子常稱為光電子。2.實驗規(guī)律：①存在截止頻率：vc②存在飽和電流：IC③存在遏止電壓：Uc④光電效應具有瞬時性<109s二、光電效應經典解釋中的疑難1.光的電磁理論①逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。②光電子：金屬表面受到光照射時，從金屬表面逸出的電子。③光越強，逸出的電子數越多，光電流也就越大。光的電磁理論與光電效應的矛盾愛因斯坦的光電效應理論1.光量子理論：光本身就是由一個個不可