高中物理 第二章 波和粒子 2.2 涅槃鳳凰再飛翔教案 滬科版選修3-5

1、2.2 涅槃鳳凰再飛翔一、教學(xué)目標(biāo)（一）知識(shí)與技能1通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。（二）過(guò)程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。二、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn) ：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律難點(diǎn)：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義三、教學(xué)過(guò)程（一）導(dǎo)入新課【教師講解】光究竟是什么？讓我們?cè)俅位仡櫄v史上對(duì)光的本性之爭(zhēng)。最初，牛頓認(rèn)為光是一種微粒，惠更斯認(rèn)為是一種波，二者都各自能解釋一些現(xiàn)象，由于牛頓

2、在學(xué)術(shù)界的地位，而波動(dòng)說(shuō)又缺少有力的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，人們傾向于光是一種粒子的看法。直到發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射這一波特有的現(xiàn)象之后，人們才開(kāi)始從波的角度研究光。麥克斯韋提出光是一種電磁波，并建立了完善的電磁場(chǎng)理論，光的波動(dòng)理論似乎很完美了。既然如此，為什么本節(jié)又要談?wù)摗肮獾牧Ｗ有浴蹦?？讓我們先做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)演示：（參見(jiàn)教材圖17.2-1）教師介紹實(shí)驗(yàn)器材，并說(shuō)明由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有鋅板，用光電管代替，然后演示，引導(dǎo)學(xué)生觀察電流表的指針偏轉(zhuǎn)情況。（課件輔助講述）用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針

3、張角會(huì)變大。學(xué)生：認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)。啟發(fā)猜想：為什么用紫外線照射鋅板會(huì)引發(fā)驗(yàn)電器的指針偏轉(zhuǎn)？（學(xué)生會(huì)提出多種猜想）引導(dǎo)分析：鋅板本身是電中性的，現(xiàn)在它帶了正電，說(shuō)明在紫外線的照射下鋅板中的自由電子跑了?！窘處熖釂?wèn)】為什么在紫外線的照射下鋅板中的自由電子會(huì)跑出來(lái)呢？引導(dǎo)分析：讓學(xué)生結(jié)合以前的知識(shí)回想電子在核外運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)情況；光波是一種電磁波，它要形成電場(chǎng)，電子處在電場(chǎng)中要受到電場(chǎng)力的作用。啟發(fā)猜想：改用其他的光（比如紅光）來(lái)照射會(huì)不會(huì)照射出電子？或用其他的材料做實(shí)驗(yàn)會(huì)不會(huì)照射出電子？學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)，猜想一定會(huì)發(fā)生與剛才相同的現(xiàn)象，然而這是做實(shí)驗(yàn)卻沒(méi)有電子跑出來(lái)。激起學(xué)生的認(rèn)知沖突，學(xué)生急于想弄懂

4、：為什么用紫光能照射出電子而用紅光就不能照射出電子呢？（二）新課教學(xué)1、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律【教師講解】我們剛才做的實(shí)驗(yàn)是科學(xué)史上一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的焦點(diǎn)在于“為什么用紅光照射鋅板打不出電子”，科學(xué)家將實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，得到了很多出人意料的規(guī)律，下面我們一起來(lái)學(xué)習(xí)：（板書(shū)）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律讓學(xué)生閱讀總結(jié)：光電效應(yīng)現(xiàn)象（板書(shū)） 在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)裝置（教科書(shū)圖17.2-2），介紹實(shí)驗(yàn)原理。如圖所示，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流?！窘處熖釂?wèn)】為什么要加正

5、向電壓？不加正向電壓電路中有電流嗎？分析解答：光束照在陰極K上會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，但只有極少的電子能到達(dá)陽(yáng)極A，電路中電流很小。加了正向電壓后，大量的電子在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，形成較大電流。（加正向電壓的目的是放大實(shí)驗(yàn)效果，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)“可見(jiàn)性”）?！窘處熖釂?wèn)】保持光照條件不變，逐漸加大兩極之間的電壓，大家分析會(huì)怎樣變化？引導(dǎo)分析：學(xué)生根據(jù)電場(chǎng)力知識(shí)會(huì)得到電流會(huì)得到增大的結(jié)論。有的學(xué)生會(huì)分析出電流會(huì)增大到一個(gè)極限值。（看完后做演示實(shí)驗(yàn)）教師解答：同學(xué)們的分析會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致嗎？我們一起來(lái)閱讀教科書(shū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)看書(shū)：存在飽和電流。（板書(shū)）存在飽和電流：對(duì)于一定顏色（頻率）的光，入射光越強(qiáng)，單

6、位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多?！窘處熤v解】當(dāng)所加電壓為0時(shí)，電流并不為0。只有施加反向電壓，也就是陰極接電源正極，陽(yáng)極接電源負(fù)極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場(chǎng)，這時(shí)電流才可能為0，使光電流為0的反向電壓成為遏止電壓。（板書(shū)）遏止電壓及其公式根據(jù)動(dòng)能定理，有【教師提問(wèn)】對(duì)剛才的實(shí)驗(yàn)，加了遏止電壓后，如果再增大入射光的強(qiáng)度，電路中會(huì)有光電流嗎？減弱光的強(qiáng)度，遏止電壓會(huì)減小嗎？引導(dǎo)分析：學(xué)生按照經(jīng)典理論解釋一定會(huì)有光電流，因?yàn)槿肷涔庠綇?qiáng)，電子吸收到的能力就越多，電子跑出來(lái)的動(dòng)能也越大，剛才的這個(gè)電壓就不能遏止住了，減弱光的強(qiáng)度，遏止電壓肯定會(huì)減小?！窘處熃忉尅客瑢W(xué)們分析的很好，但科學(xué)家經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研

7、究發(fā)現(xiàn)，此時(shí)無(wú)論是入射光的強(qiáng)度增大到多大，都沒(méi)有光電流產(chǎn)生。而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只要是同一頻率的光都有相同的遏止電壓，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。如果改變光的頻率，遏止電壓也會(huì)隨之改變。（板書(shū)）光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)。引導(dǎo)看書(shū)：截至頻率（板書(shū)）截至頻率：當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)，不同金屬截至頻率不同。【演示實(shí)驗(yàn)】用不同的濾光片，觀察現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)果是射出的光電子的能量與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與頻率有關(guān)。剛才的分析認(rèn)為，有光電流是因?yàn)楣獾哪芰吭陔娮由砩席B加，進(jìn)一步說(shuō)明入射光的能量并沒(méi)有在電子身上疊加，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。引導(dǎo)猜測(cè)：電子是怎樣吸收入射光的能量的呢？當(dāng)年愛(ài)因

8、斯坦等大量科學(xué)家也在做這樣類似的猜測(cè)。【教師提問(wèn)】如果入射光的頻率超過(guò)截至頻率，做兩次實(shí)驗(yàn)，第一次用很弱的光照射，第二次用很強(qiáng)的光照射，請(qǐng)問(wèn)那一次光電子從鋅板跑出來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)些？引導(dǎo)分析：學(xué)生會(huì)根據(jù)積累效應(yīng)分析；如果入射光很弱，光子積累到跑出來(lái)的能量需要更多時(shí)間。但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果又是怎樣的呢？演示實(shí)驗(yàn)（板書(shū)）光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：發(fā)生觀點(diǎn)效應(yīng)幾乎不需要反應(yīng)時(shí)間。2光電效應(yīng)解釋中的疑難引導(dǎo)看書(shū)：光電效應(yīng)解釋中的疑難（板書(shū)）逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。 【教師總結(jié)】同學(xué)們根據(jù)自己已有的知識(shí)對(duì)光電效應(yīng)可能發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行了猜測(cè)和分析，我們發(fā)現(xiàn)我們的推測(cè)與實(shí)驗(yàn)大相徑庭，是我們學(xué)的知識(shí)錯(cuò)了還是面對(duì)新

9、的實(shí)驗(yàn)事實(shí)應(yīng)該建立新的理論呢？我們來(lái)看科學(xué)家是怎樣面對(duì)的？3愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程引導(dǎo)學(xué)生看書(shū)：愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程【教師講解】愛(ài)因斯坦一輩子很少做實(shí)驗(yàn)，他是一個(gè)偉大的物理學(xué)家，但他非常尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，當(dāng)理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相矛盾時(shí)他傾向?qū)嶒?yàn)，為了解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，他接受并發(fā)展可普朗克都惶惑的能量子觀點(diǎn)，提出光子說(shuō)提出光子說(shuō)，從而成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。（板書(shū)）光子：光本身是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的， 頻率為的光子能量為h，其中h為普朗克常量，這些能量子叫做光子。（板書(shū)）愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：（其中Ek為電子從金屬表面逸出的最大初動(dòng)能，h為一個(gè)光子的能量，W0為逸出功，與頻率的關(guān)系是）（

10、1）內(nèi)容：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為 的光是由大量能量為 E =h的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。（2）愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：W0為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功Wk為光電子的最大初動(dòng)能。（3）愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極限頻率：愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。四、板書(shū)設(shè)計(jì)2.2 涅槃鳳凰再飛翔一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 1、光電效應(yīng)現(xiàn)象：2、存在飽和電流：入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)越多。3、遏止電壓及其公式：4、光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)5、截至頻率：當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)，不同金屬截至頻率不同。6、光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：發(fā)生光電效應(yīng)幾乎不需要反應(yīng)時(shí)間。小于10-9S二、光電效應(yīng)解釋中的疑難逸出