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2019-2020年高三物理 第二十一章 電子論初步 一、光電效應(yīng)、光子(第一課時(shí)) ●本節(jié)教材分析 相對(duì)于以前的教材來(lái)看，這套教材對(duì)光電效應(yīng)的三項(xiàng)結(jié)果不再是放在并列的位置，也沒(méi)有列為1、2、3特別明確地、突出地放在一起，而是突出了其中極限頻率的存在和光的經(jīng)典電磁說(shuō)的矛盾.光電效應(yīng)的瞬時(shí)性及其解釋只需讓學(xué)生知道就可以了.光電子的最大初動(dòng)能與極限頻率的關(guān)系在教材里不再被提到，但從后面設(shè)置的練習(xí)來(lái)看，課堂上還是要講清逸出功W=hν0（ν0為極限頻率）的概念. 光子的概念是物理學(xué)中一個(gè)十分重要的概念.新教材在本節(jié)標(biāo)題中加入“光子”，說(shuō)明對(duì)這個(gè)概念的教學(xué)要給予充分的重視.要注意避免學(xué)生望文主義地把光子想象成彈性小球、實(shí)物粒子的形狀.注意突出光的能量進(jìn)行是一份一份的.它并沒(méi)有特定的形狀.比如圓的方的.每一份能量叫做一個(gè)光量子.簡(jiǎn)稱光子.要利用好書(shū)后的閱讀材料《熱輻射和普朗克的量子說(shuō)》幫助學(xué)生理解量子化概念. 做好光電效應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，能夠給學(xué)生一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，為了改善實(shí)驗(yàn)效果，可以使驗(yàn)電器帶負(fù)電，指針張開(kāi).光照后鋅板失去電子，指針張角變小. 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程是本節(jié)的一個(gè)重點(diǎn)，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)方程的理解和運(yùn)用加深對(duì)光子概念和光電效應(yīng)規(guī)律的認(rèn)識(shí). ●教學(xué)目標(biāo) 一、知識(shí)目標(biāo) 1.理解光電效應(yīng)中極限頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾. 2.知道光電效應(yīng)的瞬時(shí)性及其與光的電磁理論的矛盾. 3.理解光子說(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋. 4.理解愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程并會(huì)用來(lái)解決簡(jiǎn)單問(wèn)題. 二、能力目標(biāo) 1.培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、推理和判斷的能力，如從原來(lái)帶負(fù)電的驗(yàn)電器在鋅板被照射后指針張角變小推理出鋅板失去電子的事實(shí). 2.對(duì)光子概念、光電效應(yīng)過(guò)程能建立正確的物理圖景. 三、德育目標(biāo) 了解科學(xué)理論的建立必須用實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn).滲透科學(xué)研究方法的教育. ●教學(xué)重點(diǎn) 1.光電效應(yīng)中的極限頻率的概念及其與光的電磁理論的矛盾. 2.光子說(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋. 3.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程及應(yīng)用. ●教學(xué)難點(diǎn) 1.對(duì)光強(qiáng)度的理解. 2.極限頻率的理解. 3.光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān). ●教學(xué)方法 對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的教學(xué)采取實(shí)驗(yàn)觀察、獨(dú)立分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、引導(dǎo)得出正確結(jié)論的方法.對(duì)光子說(shuō)及其對(duì)光電效應(yīng)的解釋教學(xué)采取學(xué)生閱讀、教師歸納，達(dá)成共識(shí)，建立圖景的方法.對(duì)光電效應(yīng)結(jié)果與經(jīng)典電磁理論的矛盾采取先質(zhì)疑，再介紹科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，提出要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，避免按自己的生活經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行錯(cuò)誤的思維的步步引導(dǎo)，層層推進(jìn)法.對(duì)光電效應(yīng)方程的教學(xué)要從物理圖景和公式理解兩個(gè)方面展開(kāi)：（1）同一金屬中的不同電子接受相同的光子能量從金屬中逸出所需克服阻力做功不一定相同，比如金屬表面上的電子直接從表面飛出所需克服電場(chǎng)力做功較少.（2）使電子脫離某種金屬所做功的最小值對(duì)應(yīng)圖景——電子恰能離開(kāi)金屬，初動(dòng)能為零.所吸收光子能量全部用來(lái)克服原子核的吸引而做功.即hν0=W,其中ν0即為這種金屬的極限頻率.（3）若入射光的頻率ν＞ν0則對(duì)從金屬中脫離做功最少的電子來(lái)說(shuō)，它將剩余最多的動(dòng)能.根據(jù)能量守恒觀點(diǎn)，它的動(dòng)能Ek=hν-W. ●教學(xué)用具 鋅板、驗(yàn)電器、紫外線燈、毛皮、橡膠棒、白熾燈. ●課時(shí)安排 1 課時(shí) ●教學(xué)過(guò)程 一、引入新課 通過(guò)前一章的學(xué)習(xí)我們已知道光具有波動(dòng)性，光波就是電磁波.以惠更斯為代表的“光的波動(dòng)說(shuō)”一派似乎取得全勝，但出人意料的是，就在這時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)現(xiàn)象.對(duì)這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問(wèn)題的研究，使得量子物理飛速地發(fā)展起來(lái).在這一章，我們將學(xué)習(xí)量子論初步.今天學(xué)習(xí)的內(nèi)容是光電效應(yīng)光子.（板書(shū)標(biāo)題） 二、新課教學(xué) （一）演示實(shí)驗(yàn)——光電效應(yīng)現(xiàn)象 1.教師取出驗(yàn)電器、鋅板、紫外線燈、毛皮、橡膠棒，并逐一給學(xué)生介紹. 2.將驗(yàn)電器和鋅板用導(dǎo)線連接，紫外線燈與電源連接. 3.用毛皮摩擦橡膠棒. ［教師］用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒帶什么電？ ［學(xué)生］負(fù)電. 4.將橡膠棒與驗(yàn)電器的金屬球接觸，指針張開(kāi). ［教師］現(xiàn)在驗(yàn)電器和鋅板帶什么電？ ［學(xué)生］負(fù)電 5.打開(kāi)紫外線燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張角變小. ［教師］張角變小說(shuō)明驗(yàn)電器帶的負(fù)電比原來(lái)… ［學(xué)生］少了. ［教師］這說(shuō)明光照射鋅板時(shí)使鋅板失去了… ［學(xué)生］電子. 6.歸納光電效應(yīng)現(xiàn)象——在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)現(xiàn)象，發(fā)射出來(lái)的電子叫光電子. （二）電子為什么能發(fā)射出來(lái) ［教師］電子是受到帶正電的原子核的束縛的，它怎么會(huì)跑出來(lái)了呢？物理學(xué)家們認(rèn)為，這很好解釋.因?yàn)楣馐请姶挪ǎ?dāng)光照射金屬時(shí)，金屬里的自由電子會(huì)由于變化著的電場(chǎng)的作用而振動(dòng).只要光足夠強(qiáng).電子的振動(dòng)就會(huì)加劇到使它能掙脫原子核的束縛而逃出來(lái). 如果從能量的角度看，我們也可以認(rèn)為是光把能量給了電子.電子只要獲得足夠多的能量就可以跑出來(lái). （三）發(fā)現(xiàn)了極限頻率 ［教師］按照上面的解釋，無(wú)論什么光，只要足夠強(qiáng)，或照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，都應(yīng)能從金屬中發(fā)射電子.但奇怪的事情發(fā)生了.請(qǐng)看,我剛才做實(shí)驗(yàn)時(shí)是用紫外線燈照射鋅板，現(xiàn)在我改用白熾燈來(lái)做實(shí)驗(yàn)，看看會(huì)發(fā)生什么結(jié)果呢？ 實(shí)驗(yàn)演示：白熾燈照射時(shí)，驗(yàn)電器指針張角無(wú)變化. ［教師］研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)各種金屬都存在極限頻率和極限波長(zhǎng)，若入射光的頻率低于極限頻率，無(wú)論光多么強(qiáng)，照射時(shí)間多么長(zhǎng)，都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，反之若入射光的頻率高于極限頻率，即使光不強(qiáng)，也會(huì)發(fā)生光電效應(yīng).這一現(xiàn)象與波動(dòng)理論發(fā)生了矛盾.引導(dǎo)學(xué)生看課本中幾種金屬的極限頻率ν0和極限波長(zhǎng)λ0. 解釋極限頻率和極限波長(zhǎng) 極限頻率ν0——使某一金屬發(fā)生光電效應(yīng)的入射光最低頻率 極限波長(zhǎng)λ0——由c=λν得λ0=. （四）光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性 引導(dǎo)學(xué)生看書(shū)本相關(guān)內(nèi)容. （五）波動(dòng)理論在此遇到的困難——對(duì)極限頻率的存在和光電子發(fā)射的瞬時(shí)性都無(wú)法解釋 （六）光子 1.引導(dǎo)學(xué)生先看閱讀材料《熱輻射和普朗克的量子說(shuō)》. 2.教師進(jìn)一步幫助學(xué)生體會(huì)微觀世界中的量不連續(xù)的圖景. a.類比：如圖21—1甲、乙 乙 甲 圖21—1 b.以前有沒(méi)有接觸過(guò)類似的只能是分立值的物理量？ 答：電量q=ne(n=1、2、3…） e=1.610-19 C c.量子——能量子——一份能量：E=hν h=6.6310-34 Js——普朗克常量 ν：電磁波的頻率 3.光子 a.在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱光子，其能量E=hν(可以在這兒指出光波和電磁波的統(tǒng)一性）,ν為光的頻率. b.愛(ài)因斯坦提出的光子概念截然不同于早期以牛頓為代表的光的微粒說(shuō).這里光子不再是小球那樣的實(shí)物粒子.我們也叫它能量包.要注意體會(huì). c.據(jù)E=hν,每個(gè)光子的能量只決定于光的頻率.頻率一定，光的強(qiáng)度大，意味著光子數(shù)目多. （七）光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋 1.金屬中的電子對(duì)于光子的吸收十分迅速，若ν＞ν0.則電子幾乎不需要時(shí)間就可以發(fā)射出來(lái)，這就是光電效應(yīng)的瞬時(shí)性. 2.若ν＜ν0，則電子吸收光子能量后不能發(fā)射且在與其他粒子相互作用中又迅速地消耗掉.幾乎不需時(shí)間，所以電子能量不可能像波動(dòng)理論所預(yù)測(cè)的那樣，可以是2hν、3hν…等的積累.這就是為什么存在極限頻率的原因. 注：一個(gè)電子一次只能吸收一個(gè)光子的能量. （八）光電效應(yīng)方程 1.逸出功W——使電子脫離某種金屬所做功的最小值. 理解：a.需克服阻力做功最少 b.脫離金屬時(shí)的動(dòng)能為零，即恰脫離 c.W=hν0ν0為極限頻率 2.光電效應(yīng)方程： 光子頻率ν＞ν0，同樣吸收能量hν的電子.所需做的功最小為逸出功的電子發(fā)射的動(dòng)能最大為Ekm. 據(jù)能量守恒原理：Ekm=hν-W Ekm由ν、W決定 （九）課堂鞏固訓(xùn)練 1.計(jì)算波長(zhǎng)是0.1220 μm的紫外線的光子的能量. 2.用上題中紫外線照射逸出功是3.010-19 J的銫時(shí)，所發(fā)射的光電子的最大初動(dòng)能是多少？ 3.某金屬在一束黃光照射下，正好有電子逸出，在下述情況下，逸出電子的多少和電子的最大初動(dòng)能會(huì)發(fā)生什么變化. (1)增大光的強(qiáng)度而不改變光的頻率; (2)用一束強(qiáng)度更大的紅光代替黃光; (3)用強(qiáng)度相同的紫光代替黃光. 參考答案：1.1.63010-18 J 2.1.33010-18 J 3.(1)逸出電子增多，最大初動(dòng)能不變 (2)不能產(chǎn)生光電效應(yīng) (3)逸出電子數(shù)目變少，最大初動(dòng)能增大 三、小結(jié) 1.注意體會(huì)光子的概念，光子與電子作用的特點(diǎn).不能把光子想象成彈性小球. 2.本節(jié)學(xué)習(xí)的重要規(guī)律和概念有：光電效應(yīng)現(xiàn)象中極限頻率的存在及光子說(shuō)對(duì)其解釋；波動(dòng)理論和量子理論的分歧主要在能量連續(xù)變化和能量分立化上，在解釋光電效應(yīng)時(shí)量子化是成功的，因而確立了光的粒子性，即光具有波粒二象性；注意體會(huì)這樣一些概念；光的強(qiáng)度、光子的能量、光電子的最大初動(dòng)能、逸出功、極限頻率. 3.對(duì)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程的理解要結(jié)合想象光電效應(yīng)的物理圖景. 四、布置作業(yè) 課本練習(xí)一（2）（4）（5） 五、板書(shū)設(shè)計(jì) 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計(jì) 1.用光的電磁說(shuō)不能解釋的現(xiàn)象是 A.光的干涉 B.光的衍射 C.光電效應(yīng) D.光的色散 2.讓一束紫外線投射到與驗(yàn)電器相連的鋅板上，下列說(shuō)法中正確的有 A.若原來(lái)不帶電，其箔片將張開(kāi) B.若原來(lái)帶負(fù)電，其箔片將張得更開(kāi) C.若原來(lái)帶正電，其箔片將張得更開(kāi) D.若原來(lái)帶負(fù)電，其箔片先合攏再?gòu)堥_(kāi) 3.一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng).則下列說(shuō)法中正確的是 A.若增加綠光的照射強(qiáng)度，則單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目不變 B.若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子將具有更大的動(dòng)能 C.若改用紫光照射，則逸出的光電子將具有更大的最大初動(dòng)能 D.若改用紫光照射，則單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目一定增加 4.一束光子能量為E的單色光.在某介質(zhì)中的波長(zhǎng)是λ，則此介質(zhì)對(duì)該單色光的折射率是________，此單色光在該介質(zhì)中的傳播速度是________. 5.如圖21—2是光電管使用的原理圖.光電管是一種能將光—電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的裝置.其內(nèi)部抽成真空或充有少量惰性氣體，涂在內(nèi)半壁的堿金屬作為陰極K，當(dāng)受到合適的光照射時(shí)會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)從而在電路中形成光電流.A為陽(yáng)極,若用頻率為ν0的可見(jiàn)光照射到陰極K上時(shí)，電流表中有電流通過(guò).則 圖21—2 A.若用紫外線照射陰極K，電流表中一定有電流通過(guò) B.若用紅外線照射陰極K，電流表中一定沒(méi)有電流通過(guò) C.若用頻率為ν0的可見(jiàn)光照射到陰極K上時(shí)，將滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭移到C端時(shí)，電流表中一定沒(méi)有電流通過(guò) D.若用頻率為ν0的可見(jiàn)光照射到陰極K上時(shí)，將滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭逐漸由圖示位置移到B端時(shí)，電流表示數(shù)可能不變 6.如圖21—3所示是一種光電計(jì)數(shù)裝置的原理圖，被計(jì)數(shù)的制品放在傳送帶上，光源安裝 圖21—3 在傳送帶的一側(cè)，光電計(jì)數(shù)裝置在傳送帶的另一側(cè).每當(dāng)傳送帶上 有一制品通過(guò)時(shí)，計(jì)數(shù)齒輪 過(guò)一齒，計(jì)數(shù)器自動(dòng)地把制品數(shù)目記下來(lái)，試說(shuō)明這種計(jì)數(shù)裝置的工作原理. 參考答案：1.C 2.ACD 3.C 4. 5.AD 6.略