光電效應(yīng)光子教案

1、光電效應(yīng)光子教案【教材】全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書 ? 物理第三冊(cè) 必修加選修 第二十二章第一節(jié)?！窘虒W(xué)時(shí)間】一課時(shí)?！窘虒W(xué)目標(biāo)】1. 知識(shí)與技能了解并識(shí)別光電效應(yīng)現(xiàn)象。能表述光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律。了解光子的概念，會(huì)用光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律。理解光電效應(yīng)方程。粗略了解光電效應(yīng)研究史實(shí)。2. 過(guò)程與方法觀察赫茲實(shí)驗(yàn)中的放電現(xiàn)象，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。經(jīng)歷“探究光電效應(yīng)規(guī)律的過(guò)程，獲得探究活動(dòng)的體驗(yàn)。嘗試發(fā)現(xiàn)波動(dòng)理論面對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律遇到的困難。領(lǐng)略“觀察、實(shí)驗(yàn)提出假說(shuō)一一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新的假說(shuō)的物理學(xué)研究方 法。3. 情感態(tài)度與價(jià)值觀體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅。陶冶崇尚科學(xué)、仰慕科學(xué)家，欣賞物理學(xué)的奇妙與

2、和諧的情愫。學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，培養(yǎng)判斷 有關(guān)信息是否科學(xué)的意識(shí)?！窘虒W(xué)用具】1. 實(shí)驗(yàn)裝置赫茲實(shí)驗(yàn)裝置 ; 光電效應(yīng)現(xiàn)象演示裝置。2. 多媒體課件 ; 資料文字 ; 赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意動(dòng)畫 ; 研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意動(dòng)畫 ; 光電效 應(yīng)的波動(dòng)說(shuō)描述與光子說(shuō)描述動(dòng)畫 ;密立根證實(shí)光電方程實(shí)驗(yàn)示意動(dòng)畫 ; 普朗克、愛(ài)因斯坦、 密立根資料圖片動(dòng)畫 ;【設(shè)計(jì)理念】本課教材蘊(yùn)含著十分豐富的教學(xué)內(nèi)容：在知識(shí)方面，本課作為后牛頓物 理兩大支柱之一量子理論的入門，涉及量子物理最根底的內(nèi)容，同時(shí)，還有著厚重的 物理學(xué)科文化積淀，有物理學(xué)史、科學(xué)方法、辯證唯物主義思想、創(chuàng)

3、新意識(shí)等人文精神教 育的題材。教材在知識(shí)陳述上較為淺顯直接，而關(guān)于這些知識(shí)的“背景，那么是相當(dāng)飽滿、 承賦人文，為實(shí)施“科學(xué)的人文教育價(jià)值提供了很大的空間。基于教材特點(diǎn)，本教案設(shè) 計(jì)“以人為本，突出從赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律，愛(ài)因斯坦提出光 子說(shuō)解釋光電效應(yīng)規(guī)律，到密立根實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光電效應(yīng)方程，物理學(xué)家們上下求索三十年的 歷程，在讓學(xué)生學(xué)到量子論根底知識(shí)與根本技能、開展微觀思維方法的同時(shí)，獲得物理課 程文化的浸潤(rùn)與陶冶，表達(dá)物理教育在個(gè)性品質(zhì)、好奇求知、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)美及責(zé)任心 等方面的價(jià)值導(dǎo)向。本課總體設(shè)計(jì)思想是：課堂教學(xué)以光電效應(yīng)三十年精彩歷程為線索，通過(guò)充分展示圍 繞“光電

4、效應(yīng)所發(fā)生的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、研究規(guī)律、提出假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這樣一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò) 程，在科學(xué)過(guò)程展示中推出學(xué)科知識(shí)，滲透科學(xué)思想方法，借助多媒體課件播放、實(shí)驗(yàn)裝 置重現(xiàn)現(xiàn)象及教師解說(shuō)，著力于撼動(dòng)青年學(xué)生崇尚科學(xué)的情感，弘揚(yáng)深厚的物理課程文化?！窘虒W(xué)過(guò)程】全課以以下四個(gè)標(biāo)題作引導(dǎo)，按歷史的開展順序展開教學(xué)活動(dòng)。 動(dòng)畫顯示課題后，教師引入主題 引入本課要學(xué)習(xí)的光電效應(yīng)，在量子理論的開展中有著特殊的意義。人類對(duì)光的本性 的認(rèn)識(shí)，到麥克斯韋提出光是一種電磁波，光的波動(dòng)說(shuō)似乎已完美無(wú)缺了。然而，就是在 證實(shí)電磁波存在的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了光具有粒子性的重大事實(shí)，這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象。 光電效應(yīng)及其規(guī)律的研究，使人類對(duì)物

5、質(zhì)世界的觀念發(fā)生了變革：大自然在微觀層次上是 不連續(xù)的，即“量子化的，而不是牛頓物理假設(shè)的在一切層次上都是連續(xù)的! 光電效應(yīng)最先由赫茲發(fā)現(xiàn)，他的學(xué)生勒納德對(duì)光電效應(yīng)的研究卓有成效并獲 1905 年諾貝爾物理學(xué) 獎(jiǎng)，愛(ài)因斯坦提出光子論從理論上成功解決了光電效應(yīng)面臨的難題并因此獲1921 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，美國(guó)物理學(xué)家密立根通過(guò)精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論，并獲1923 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)的科學(xué)之光經(jīng)眾多物理學(xué)家前赴后繼，三十年努力求索，在物理 學(xué)史上成為絢麗奪目的篇章。讓我們翻開這炫目的一頁(yè)，沐浴科學(xué)的陽(yáng)光吧 ! 屏幕切換顯示四個(gè)標(biāo)題 一、赫茲意外發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)介紹赫茲實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫顯示赫茲實(shí)驗(yàn)

6、示意圖如圖 1 所示。 1885 年，赫茲用如圖 1 所示的裝 置來(lái)證實(shí)電磁波的存在：電磁波發(fā)生器是在兩根銅棒上各焊接一個(gè)磨光的黃銅球，另一端 各連接一塊正方形鋅板，它們共軸放置，兩球間留有一空隙，它們相當(dāng)于一個(gè)電容器，與 感應(yīng)圈連接，構(gòu)成了 LC 電路，感應(yīng)圈使兩黃銅球聚集大量電荷，從而在空隙間產(chǎn)生電火 花，形成高頻振蕩電流，輻射高頻電磁波。與這個(gè)回路相距一定距離有電磁波接收器，是 用一根粗銅導(dǎo)線彎成一開口的圓環(huán)，開口端各焊一黃銅球，之間有可作微調(diào)的空隙，這個(gè)接收器實(shí)際上也是一個(gè) LC電路。調(diào)節(jié)間隙改變接收電路的固有頻率可與發(fā)射過(guò)來(lái)的電磁 波產(chǎn)生共振，從而在接收器的空隙間觀察到電火花。介紹赫

7、茲的發(fā)現(xiàn)并演示利用電火花實(shí)驗(yàn)裝置，赫茲測(cè)量了電磁波速、進(jìn)行了研究電磁 波的反射、聚焦、折射、衍射、干預(yù)、偏振等各種波現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，大量反復(fù)地實(shí)驗(yàn)不但證 實(shí)了麥克斯韋電磁波理論，同時(shí)意外地發(fā)現(xiàn)了說(shuō)明光具有粒子性的一個(gè)重要現(xiàn)象：當(dāng)發(fā)射 器間隙的火光被阻隔時(shí)，原來(lái)接收間隙的火花變暗如圖 3所示 ，而用其他任何火花的光照射到接收器銅球，也能促使間隙發(fā)生電火花，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象中直接起作用的 是火光中的紫外線，當(dāng)火花的光照到間隙的負(fù)極時(shí)，作用最強(qiáng)，這種情況下接收器間隙發(fā) 生的電火花實(shí)際上是紫外線的照射使一極銅球上飛出電子到另一極銅球所形成，赫茲稱之 為“紫外光對(duì)放電現(xiàn)象的效應(yīng)，也就是光電效應(yīng)。演示光

8、電效應(yīng)現(xiàn)象動(dòng)畫顯示光電效應(yīng)演示儀原理如圖 4 所示，課堂演示，引導(dǎo)學(xué)生觀 察在紫外線照射下，電流計(jì)指示電路中出現(xiàn)了電流。歸納什么是光電效應(yīng) 文字顯示 在光的照射下物體發(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。二、勒納德研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律引入赫茲的發(fā)現(xiàn)吸引了許多人去深入研究光電效應(yīng)成因與規(guī)律，其中德國(guó)物理學(xué)家、 赫茲的助手勒納德的研究卓有成效。對(duì)光電效應(yīng)的研究方向就是弄清其發(fā)生的條件。介紹勒納德實(shí)驗(yàn)研究原理動(dòng)畫顯示勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。當(dāng)入射光照射到光潔的金屬陰極 K外表，就有光電子發(fā)射出來(lái)，假設(shè)有光電子到達(dá)陽(yáng)極 A, 電路中就有電流，所以可通過(guò)電流計(jì)了

9、解用各種光照射陰極K以及對(duì)兩極加不同電壓時(shí)的光電流，從中摸索規(guī)律。介紹勒納德實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果勒納德通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出光電效應(yīng)現(xiàn)象的重要規(guī)律： 文字顯示 1. 對(duì)各種金屬都存在著極限頻率和極限波長(zhǎng)，低于極限頻率的任何入射光強(qiáng)度再大、 照射時(shí)間再長(zhǎng)都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。2. 光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。3. 只要入射光頻率高于金屬的極限頻率，照到金屬外表時(shí)光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的， 不超過(guò) 10-9s 。4. 發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。光電效應(yīng)規(guī)律性的演示用如圖 4 所示的光電效應(yīng)演示儀演示 (1) 用紅光、藍(lán)光照射鋅 板時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生光電流 ;(

10、2) 用玻璃隔斷紫外線時(shí)，光電流消失 ;(3) 光電流到達(dá)飽和后，改 變電壓，光電流不變，改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度，光電流增大。設(shè)問(wèn) 1. 用光的電磁波理論如何解釋光電效應(yīng)的發(fā)生 ?2. 波動(dòng)理論可以解釋光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)的規(guī)律嗎 ?討論與總結(jié)請(qǐng)全班同學(xué)議論，由學(xué)生嘗試定性解釋光電效應(yīng)后，教師概括輔以如圖 6 所示動(dòng)畫顯示：光到達(dá)金屬外表時(shí)，連續(xù)的電磁波能量分布在其外表，振動(dòng)的電磁場(chǎng)不斷 地“搖晃金屬外表的電子，一些結(jié)合最松散的電子被搖下來(lái)。由學(xué)生提出現(xiàn)有理論與觀察事實(shí)的矛盾后，教師整理為兩大困難，并以文字顯示。矛盾波動(dòng)理論解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)之一之二到達(dá)金屬外表的光能量連續(xù)地分布，對(duì)某個(gè)電子只能吸收其中很少一局部

11、，應(yīng)有 一段時(shí)間積累到足夠的能量方能從金屬外表掙脫。光波的振幅表征光能量大小，強(qiáng)光對(duì)金屬作用足夠長(zhǎng)時(shí)間，有足夠能量應(yīng)該可以使電 子從金屬外表掙脫。光電效應(yīng)是否產(chǎn)生存在極限頻率(波長(zhǎng)) 而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，光電子最大初動(dòng)能也只與入射光頻率成正相關(guān)。假設(shè)能發(fā)生光電效應(yīng)，即使光很弱，也是瞬間發(fā)生的三、愛(ài)因斯坦提出光子論圓滿解釋引入觀察與理論的互動(dòng)就是科學(xué)，觀察是科學(xué)進(jìn)程的開端，觀察激發(fā)思考導(dǎo)致理論以 解釋觀察結(jié)果，而理論又在新的觀察中受到檢驗(yàn)、引發(fā)新的理論，對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行解釋或 統(tǒng)一。原來(lái)的電磁波理論與光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符合，促使人們改變認(rèn)識(shí)，構(gòu)建新的思 想框架來(lái)解釋觀察結(jié)果。 1905 年，愛(ài)因斯坦

12、用突破性的量子化思想對(duì)光電效應(yīng)做出了現(xiàn)在 為科學(xué)界普遍接受的解釋。介紹愛(ài)因斯坦光量子假說(shuō)教師介紹普朗克對(duì)電磁波輻射所作的量子化假設(shè)：振動(dòng)物體 的能量只能取特定的一組允許值。這種思想在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們多少注意，但愛(ài)因斯坦 敏銳地捕捉了這一思想閃光，并徹底貫穿到光的輻射與吸收問(wèn)題中。教師介紹光子說(shuō)，并顯示文字內(nèi)容：在空間傳播的光 ( 的能量)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，一份光子的能量 E=hv。用光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律作解釋用如圖 7 所示動(dòng)畫輔助描述光子說(shuō)下的光電效應(yīng)：光 子像下雨一樣落在金屬外表上，打出電子，就像機(jī)槍子彈從混凝土墻上打下混凝土塊一樣。解釋極限頻

13、率的存在 ;解釋光電效應(yīng)的瞬時(shí)性 ;給出逸出功概念，用光電效應(yīng)方程 屏幕展示 解釋光電子最大初動(dòng)能只與入射光頻率正相關(guān);解釋光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。小結(jié)在愛(ài)因斯坦提出光子模型后，用來(lái)解釋光電效應(yīng)變得出奇地簡(jiǎn)單明了，今天，我 們中學(xué)生運(yùn)用光電方程計(jì)算光電效應(yīng)已不是什么難題，但在上個(gè)世紀(jì)初，科學(xué)家對(duì)量子化 的物理卻極不適應(yīng)，愛(ài)因斯坦的獨(dú)創(chuàng)性、物理洞察力和對(duì)簡(jiǎn)潔解釋的追求使他在忙碌的 1905 年發(fā)表了相對(duì)論，成功解釋了光電效應(yīng)，建樹起近代物理學(xué)研究的兩座豐碑。四、密立根精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)光電效應(yīng)方程引入至此，研究光電效應(yīng)的科學(xué)活動(dòng)并未完成，愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)與光電方程作為 假說(shuō)一一一種有根據(jù)的

14、猜想，一種嘗試性的未經(jīng)確認(rèn)的看法，要上升為理論，要為人們認(rèn) 同一一當(dāng)時(shí)對(duì)這一假說(shuō)的疑心超過(guò)了狹義相對(duì)論，甚至包括普朗克本人也持反對(duì)態(tài)度，還 必須經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。許多物理學(xué)家都想方設(shè)法用實(shí)驗(yàn)測(cè)量普朗克恒量h,驗(yàn)證光電效應(yīng)方程。簡(jiǎn)介密立根的工作一直對(duì)光子假設(shè)持有保存的美國(guó)物理學(xué)家密立根,設(shè)計(jì)了高精確度 的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 8 所示,經(jīng)過(guò)十年的試驗(yàn),不斷解決一些技術(shù)難點(diǎn),終于驗(yàn)證了光電方程 的直線性，并測(cè)出普朗克恒量 h=6.56 X 10-34j ? s,在事實(shí)面前，密立根服從真理，宣布 愛(ài)因斯坦假說(shuō)得到證實(shí)。科學(xué)就是嚴(yán)峻的疑心態(tài)度和對(duì)新思想的開放態(tài)度的混合,科學(xué)常 常會(huì)發(fā)生這種情況：科學(xué)家說(shuō)：“那確實(shí)是個(gè)好論據(jù),我錯(cuò)了。然后真的改變想法,揚(yáng) 棄舊觀點(diǎn),科學(xué)就是這樣進(jìn)步的。全課總結(jié)本課學(xué)習(xí),我們了解了光電效應(yīng)現(xiàn)象,了解了進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)的方法。光電效 應(yīng)把我們帶進(jìn)了量子化的物理學(xué),光電效應(yīng)告訴我們理解微觀世界要有新的觀念,光電效 應(yīng)引領(lǐng)了近代物理學(xué)的開展,對(duì)哲學(xué)、文化和技術(shù)的影響深遠(yuǎn)。讓我們懷著對(duì)量子理論先 驅(qū)們的崇敬心情,從科學(xué)回到生活。播放音樂(lè)與三位物理學(xué)家資料畫像,如圖 9 所示。 課件簡(jiǎn)介 本課件采用 PowerPointXP-F1ashMX 制作,充分發(fā)揮 PowerPoint 媒體展示 功能與 FIashMX 的