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2019-2020年高中物理 4.2 光電效應與光量子假說教案 教科版選修3-5 一、教學目標 1．應該掌握的知識方面． （1）光電效應現(xiàn)象具有哪些規(guī)律． （2）人們研究光電效應現(xiàn)象的目的性． （3）愛因斯坦的光子說對光電效應現(xiàn)象的解釋． 2．培養(yǎng)學生分析實驗現(xiàn)象，推理和判斷的能力方面． （1）觀察用紫外線燈照射鋅板的實驗，分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因． （2）觀察光電效應演示儀的實驗過程，掌握分析現(xiàn)象所得到的結(jié)論． 3．結(jié)合物理學發(fā)展史使學生了解到科學理論的建立過程，滲透科學研究方法的教育． 二、重點、難點分析 1．光電效應現(xiàn)象的基本規(guī)律、光子說的基本思想和做好光電效應的演示實驗是本節(jié)課的重點。 2．難點是 （1）對光的強度的理解， （2）發(fā)生光電效應時，為什么光電子數(shù)只與入射光的強度成正比． （3）光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，而與入射光的強度無關。 三、教具 鋅板、驗電器、紫外線燈、白熾燈、絲綢、玻璃棒、光電效應演示儀． 四、主要教學過程 （一）新課的引入 光的波動理論學說雖然取得了很大的成功，但并未達到十分完美的程度．光的有些現(xiàn)象波動說遇到了很大的困難，請觀察光電效應現(xiàn)象． （二）教學過程的設計 1．演示實驗． 將鋅板與驗電器用導線連接，用細砂紙打磨鋅板表面．把絲綢摩擦過的玻璃棒放在鋅板附近，用紫外線燈照射鋅板． 邊演示邊提問：紫外線燈打開前后，驗電器指針有什么變化？這一現(xiàn)象說明了什么問題？ 引導學生分析并得出結(jié)論：光線照射金屬表面，金屬失去了電子導致驗電器指針張開一角度． 明確指出光電效應是光照射金屬表面，使物體發(fā)射電子的現(xiàn)象．照射的光可以是可見光，也可以是不可見光．發(fā)射出的電子叫光電子． 說明：這個實驗如果按照課本上的裝置進行效果很不理想，因為紫外線照射鋅板飛出電子時鋅板帶正電，在鋅板附近形成電場又將電子吸附回去．鋅板電勢升到很小的值就使逸出和返回的電子達到動態(tài)平衡，很難使驗電器指針明顯地張開． 2．進一步研究光電效應． 以上實驗改用很強的白熾燈照射，卻不能發(fā)生光電效應．向?qū)W生提出問題：光電效應的發(fā)生一定是有條件的，存在著一定規(guī)律．有什么規(guī)律呢？讓我們進一步研究． 向?qū)W生介紹光電效應演示儀．在黑板上畫一示意圖，如圖所示．S為抽成真空的光電管，C是石英窗口，光線可通過它照射到金屬板K上，金屬板A和K組成一對電極與外部電路相連接．光源為白熾燈，在光源和石英窗口C之間插入不同顏色的濾光片可以改變?nèi)肷涔獾念l率，光源的亮度可以通過另一套裝置調(diào)節(jié)． 觀察現(xiàn)象一： 在沒有光照射K時，電壓表有示數(shù)，電流表沒有示數(shù)，說明什么？ 明確：AK之間有電場存在，但沒有光電子逸出，說明沒有發(fā)生光電效應． 提出問題：要發(fā)生光電效應，是不是用任何頻率的光線照射都行？是不是弱光線不行，只要光的強度足夠大就行？是不是只要有足夠大的電場電壓就行？ 觀察現(xiàn)象二： 保持AK間電壓一定，燈泡亮度一定，在窗口C前依次放上紅色、橙色、綠色濾光片，觀察到紅光照射金屬板K時沒有光電流，橙光和綠光照射時有光電流．用紅光照射時改變?nèi)肷涔獾牧炼群透淖冸妶鲭妷憾疾话l(fā)生光電效應．讓學生考慮原因． 結(jié)論一：入射光線的頻率大于等于該金屬的極限頻率0才能產(chǎn)生光電效應． 觀察現(xiàn)象三： 逐漸減小KA間的正向電壓，直到電壓為零時，電流表仍有示數(shù)，說明光電流依然存在．如果在KA間加一反向電壓，則光電流變小，增大反向電壓，使光電流剛好為零． 提出問題；為什么KA間沒有電場，仍然有光電流？也就是說仍然有光電子從K極板飛向A極板呢？在KA間加反向電壓，光電子在電場中受力方向如何？電場力對光電子做正功還是負功？光電子克服電場力做功和它的動能變化關系如何呢？ 根據(jù)學生回答的問題引導分析：KA間沒有電場仍有光電流說明光線照射金屬板逸出的光電子具有一定的動能，一部分光電子可以到達極板A形成光電流．金屬中的電子吸收光的能量獲得動能，只有達到某一值才能克服原子的束縛從金屬中飛出，因此稱為最大初動能，以表示。如果反向電壓達到U恰好光電流為零，則測得電壓U就可以求出光電子的最大初動能． 保持反向電壓和入射光的頻率不變，調(diào)亮燈泡，發(fā)現(xiàn)光電流仍然為零．此時將入射光的頻率增大，發(fā)現(xiàn)光電流增大，不再為零． 結(jié)論二：光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率增大而增大． 提出問題：入射光亮度高不就是能量大嗎，金屬中的電子獲得的能量大，初動能就應該增大，但為什么只與入射光頻率有關而與光強無關呢？ 解釋這一問題：頻率一定的光，每個光子的能量為h有關，頻率越大的光，光子的能量越大．因此電子吸收了高頻率的光子才能獲得較大的初動能．只有初動能足夠大的光電子才能克服反向電場的阻力到達極板A形成光電流．光的強度大只是光源每秒鐘發(fā)射出光子的數(shù)目多，但如果是頻率低的光子，每個光子的能量不大，電子吸收光子獲得的能量也就較?。徊贿^每秒入射的光子數(shù)目多，產(chǎn)生光電子的數(shù)目多，所以不提高入射光的頻率就無法使光電子的最大初動能增大． 觀察現(xiàn)象四：給光電管電極KA間加正向電場，以高于極限頻率的光入射，保持電壓不變，增加入射光的強度，發(fā)現(xiàn)光電流的強度增大． 提出問題：入射光的強度大是什么意思？光電流的強度大是什么意思？為什么它們之間有這樣的關系？ 根據(jù)學生的回答歸納：入射光頻率不變時光的強度大是指每秒鐘入射的光子頻率一定，數(shù)目較多，因此每秒鐘飛向極板A的光電子數(shù)多，由于到達的電子電量總和多，所以光電流較大． 結(jié)論三：當入射光的頻率大于極限頻率時，保持頻率不變，則光電流的強度與入射光的強度成正比． 指出學生中可能存在的疑問：光電流的強度應該與入射光的頻率有關．頻率高，光電子的最大初動能大，光電子運動得快，光電流大． 解釋這一問題：如果入射光頻率較高但強度不大，則說明每秒鐘入射的光子數(shù)少．盡管每個光電子初動能較大，但每秒鐘到達極板A的光電子電量總和不大，因而也就不能形成較強的光電流． 說明：根據(jù)前面的實驗還可以發(fā)現(xiàn)，光線照射金屬表面，光電子發(fā)射幾乎是瞬時的． 3．波動理論解釋不了光電效應 （1）波動理論解釋不了極限頻率，認為光的強度由光波的振幅決定，跟頻率無關，只要入射光足夠強，就應該能發(fā)生光電效應．但事實并非如此． （2）波動理論解釋不了光電子的最大初動能，只與光的頻率有關而與光的強度無關． （3）波動理論還解釋不了光電效應發(fā)生的時間之短． 4．介紹愛因斯坦的光子說． 本節(jié)總結(jié)：學習這一節(jié)要注意區(qū)分一些主要的概念：光的強度、光子的能量、光電子的最大初動能、光電流的強度等．入射光的強度是和光電流的強度聯(lián)系著的，每秒發(fā)射的光子數(shù)決定了每秒逸出的光電子數(shù)；入射光的頻率是和光電子的最大初動能聯(lián)系著的，每個光子的能量E=hν 人類對于自然現(xiàn)象的認識是螺旋式上升的，科學理論是在不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象、探索新的規(guī)律中發(fā)展和完善的．