人教版(新教材)高中物理選擇性必修3教學(xué)設(shè)計1：第1課時 光電效應(yīng) 教案

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第1課時光電效應(yīng)一、教學(xué)目標(biāo)（一）知識與技能1．通過實驗了解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律。2．知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。（二）過程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。（三）情感、態(tài)度與價值觀領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學(xué)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。二、教學(xué)重點難點重點：光電效應(yīng)的實驗規(guī)律難點：愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義三、教學(xué)過程（一）導(dǎo)入新課〖教師講解〗光究竟是什么？讓我們再次回顧歷史上對光的本性之爭。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，由于牛頓在學(xué)術(shù)界的地位，而波動說又缺少有力的實驗事實，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理論，光的波動理論似乎很完美了。既然如此，為什么本節(jié)又要談?wù)摗肮獾牧Ｗ有浴蹦?？讓我們先做一個實驗。實驗演示：教師介紹實驗器材，然后演示，引導(dǎo)學(xué)生觀察電流表的指針偏轉(zhuǎn)情況。用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗電器相連），使驗電器張角增大到約為30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。學(xué)生：認(rèn)真觀察實驗。啟發(fā)猜想：為什么用紫外線照射鋅板會引發(fā)驗電器的指針偏轉(zhuǎn)？（學(xué)生會提出多種猜想）引導(dǎo)分析：鋅板本身是電中性的，現(xiàn)在它帶了正電，說明在紫外線的照射下鋅板中的自由電子跑了?！冀處熖釂枴綖槭裁丛谧贤饩€的照射下鋅板中的自由電子會跑出來呢？引導(dǎo)分析：讓學(xué)生結(jié)合以前的知識回想電子在核外運動的運動情況；光波是一種電磁波，它要形成電場，電子處在電場中要受到電場力的作用。啟發(fā)猜想：改用其他的光（比如紅光）來照射會不會照射出電子？或用其他的材料做實驗會不會照射出電子？學(xué)生根據(jù)已有的知識，猜想一定會發(fā)生與剛才相同的現(xiàn)象，然而這是做實驗卻沒有電子跑出來。激起學(xué)生的認(rèn)知沖突，學(xué)生急于想弄懂：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)的實驗規(guī)律〖教師講解〗我們剛才做的實驗是科學(xué)史上一個非常重要的實驗，這個實驗的焦點在于“為什么用紅光照射鋅板打不出電子”，科學(xué)家將實驗裝置進行了改進，得到了很多出人意料的規(guī)律，下面我們一起來學(xué)習(xí)：（板書）光電效應(yīng)的實驗規(guī)律讓學(xué)生閱讀總結(jié)：光電效應(yīng)現(xiàn)象（板書）在光(包括不可見光)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)射出來的電子叫做光電子。引導(dǎo)學(xué)生分析實驗裝置（教科書圖），介紹實驗原理。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。光電子在電場作用下形成光電流。〖教師提問〗為什么要加正向電壓？不加正向電壓電路中有電流嗎？分析解答：光束照在陰極K上會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，但只有極少的電子能到達陽極A，電路中電流很小。加了正向電壓后，大量的電子在電場力的作用下向陽極運動，形成較大電流。（加正向電壓的目的是放大實驗效果，增強實驗“可見性”）?！冀處熖釂枴奖３止庹諚l件不變，逐漸加大兩極之間的電壓，大家分析會怎樣變化？引導(dǎo)分析：學(xué)生根據(jù)電場力知識會得到電流增大的結(jié)論。有的學(xué)生會分析出電流會增大到一個極限值。（看完后做演示實驗）教師解答：同學(xué)們的分析會與實驗結(jié)果一致嗎？我們一起來閱讀教科書的實驗結(jié)果引導(dǎo)看書：存在飽和電流。（板書）存在飽和電流：對于一定顏色（頻率）的光，入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多?！冀處熤v解〗當(dāng)所加電壓為0時，電流并不為0。只有施加反向電壓，也就是陰極接電源正極，陽極接電源負極，在光電管兩極間形成使電子減速的電場，這時電流才可能為0，使光電流為0的反向電壓成為遏止電壓。（板書）遏止電壓及其公式根據(jù)動能定理，有〖教師提問〗對剛才的實驗，加了遏止電壓后，如果再增大入射光的強度，電路中會有光電流嗎？減弱光的強度，遏止電壓會減小嗎？引導(dǎo)分析：學(xué)生按照經(jīng)典理論解釋一定會有光電流，因為入射光越強，電子吸收到的能力就越多，電子跑出來的動能也越大，剛才的這個電壓就不能遏止住了，減弱光的強度，遏止電壓肯定會減小?！冀處熃忉尅酵瑢W(xué)們分析的很好，但科學(xué)家經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，此時無論是入射光的強度增大到多大，都沒有光電流產(chǎn)生。而且實驗發(fā)現(xiàn)只要是同一頻率的光都有相同的遏止電壓，與光的強度無關(guān)。如果改變光的頻率，遏止電壓也會隨之改變。（板書）光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強弱無關(guān)。引導(dǎo)看書：截止頻率（板書）截止頻率：當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不能發(fā)生光電效應(yīng)，不同金屬截止頻率不同?！佳菔緦嶒灐接貌煌臑V光片，觀察現(xiàn)象實驗結(jié)果是射出的光電子的能量與入射光的強度無關(guān)，只與頻率有關(guān)。剛才的分析認(rèn)為，有光電流是因為光的能量在電子身上疊加，進一步說明入射光的能量并沒有在電子身上疊加，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。引導(dǎo)猜測：電子是怎樣吸收入射光的能量的呢？當(dāng)年愛因斯坦等大量科學(xué)家也在做這樣類似的猜測。〖教師提問〗如果入射光的頻率超過截止頻率，做兩次實驗，第一次用很弱的光照射，第二次用很強的光照射，請問那一次光電子從鋅板跑出來的時間長些？引導(dǎo)分析：學(xué)生會根據(jù)積累效應(yīng)分析；如果入射光很弱，光子積累到跑出來的能量需要更多時間。但實驗的結(jié)果又是怎樣的呢？演示實驗（板書）光電效應(yīng)具有瞬時性：發(fā)生光電效應(yīng)幾乎不需要反應(yīng)時間。2．光電效應(yīng)解釋中的疑難引導(dǎo)看書：光電效應(yīng)解釋中的疑難（板書）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)自己已有的知識對光電效應(yīng)可能發(fā)生的現(xiàn)象進行了猜測和分析，我們發(fā)現(xiàn)我們的推測與實驗大相徑庭，是我們學(xué)的知識錯了還是面對新的實驗事實應(yīng)該建立新的理論呢？我們來看科學(xué)家是怎樣面對的？3．愛因斯坦的光電效應(yīng)方程引導(dǎo)學(xué)生看書：愛因斯坦的光電效應(yīng)方程〖教師講解〗愛因斯坦一輩子很少做實驗，他是一個偉大的物理學(xué)家，但他非常尊重實驗事實，當(dāng)理論與實驗事實相矛盾時他傾向?qū)嶒?，為了解釋光電效?yīng)實驗規(guī)律，他接受并發(fā)展普朗克都惶惑的能量子觀點，提出光子說，從而成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。（板書）光子：光本身是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光子能量為hν，其中h為普朗克常量，這些能量子叫做光子。（板書）愛因斯坦光電效應(yīng)方程：hν=Ek+W0（其中Ek為電子從金屬表面逸出的最大初動能，hν為一個光子的能量，W0為逸出功，與頻率的關(guān)系是vc（1）內(nèi)容：光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為hν的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為ν的光是由大量能量為E=hν的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運動。（2）愛因斯坦光電效應(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)楣怆娮右莩龊蟮膭幽蹺k。由能量守恒可得出：hν=Ek+W0W0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能。（3）愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋：①光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。②電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。③從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關(guān)系④從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動能為零時，可得極限頻率：v愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因為它完全違背了光的波動理論。隨堂練習(xí)1．(多選)如圖所示，電路中所有元件完好，但光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過。其原因可能是()A．入射光太弱B．入射光波長太長C．光照時間太短D．電源正、負極接反〖答案〗BD〖解析〗金屬存在截止頻率，超過截止頻率的光照射金屬時才會有光電子射出，射出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大，最大初動能小時不能克服反向電壓到達陽極，也不會有光電流，與光照強弱無關(guān)，B正確，A錯誤；電路中電源正、負極接反，對光電管加了反向電壓，若該電壓超過了遏止電壓，也沒有光電流產(chǎn)生，D正確；光電效應(yīng)的產(chǎn)生與光照時間無關(guān)，C錯誤。2．關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律，下列說法中正確的是()A．發(fā)生光電效應(yīng)時，不改變?nèi)肷涔獾念l率，增大入射光強度，則單位時間內(nèi)從金屬內(nèi)逸出的光電子數(shù)目增多B．光電子的最大初動能跟入射光強度成正比C．發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的逸出不可認(rèn)為是瞬時的D．只有入射光的波長大于該金屬的極限波長，光電效應(yīng)才能產(chǎn)生〖答案〗A〖解析〗入射光頻率不變時，入射光的強弱不影響光電子的能量，只影響單位時間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目，只增大入射光的強度，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目將增多，A正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，光電子的最大初動能跟入射光強度無關(guān)，B錯誤；發(fā)生光電效應(yīng)的時間非常短，可認(rèn)為是瞬時的，C錯誤；發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于截止頻率，即只有入射光的波長小于該金屬的極限波長，光電效應(yīng)才能產(chǎn)生，D錯誤。3.(多選)某同學(xué)采用如圖所示的實驗裝置來研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)用某一頻率的光照射光電管的陰極K時，會發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，電流表中有電流通過。閉合開關(guān)S，在陽極A和陰極K之間加上反向電壓，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片逐漸增大電壓，直止電流表的示數(shù)恰好為零，此時電壓表的電壓值稱為遏止電壓?，F(xiàn)用頻率為ν的綠光照射陰極，測量到遏止電壓為U，已知電子電荷量為e，普朗克常量為h，則()A.逸出的光電子的最大初動能為eUB．陰極K的逸出功W0＝hν－eUC．如改用紫光照射，則光電子的最大初動能一定增大D．如改用紫光照射，則陰極K的逸出功一定增大〖答案〗ABC〖解析〗由于遏止電壓為U，電子逸出后，根據(jù)動能定理可得－eU＝0－Ek，即逸出的電子的最大初動能為Ek＝eU，A正確；根據(jù)公式hν＝W0＋Ek可得，陰極K的逸出功W0＝hν－Ek，由于eU＝Ek，則逸出功W0＝hν－eU，B正確；由于紫光的頻率大于綠光的頻率，逸出功不變，根據(jù)公式hν＝W0＋Ek可得，如改用紫光照射，光電子的最大初動能Ek一定增加，C正確；金屬的逸出功由金屬本身決定，與照射光的頻率無關(guān)，D錯誤。4.愛因斯坦因提出了光子概念并成功地解釋了光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，其中ν0為極限頻率。從圖中可以確定的是()A．逸出功與ν有關(guān)B．Ek與入射光強度成正比C．當(dāng)ν<ν0時，會逸出光電子D．圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān)〖答案〗D〖解析〗金屬的逸出功只和金屬的極限頻率有關(guān)，與入射光的頻率無關(guān)，A錯誤；光電子的最大初動能取決于入射光的頻率和金屬的逸出功，而與入射光的強度無關(guān)，B錯誤；只有當(dāng)ν>ν0時才會發(fā)生光電效應(yīng)，C錯誤；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0和W0＝hν0(W0為金屬的逸出功)可得，Ek＝hν－h(huán)ν0，可見圖像的斜率表示普朗克常量，D正確。5．(多選)在光電效應(yīng)實驗中，某同學(xué)按如圖a方式連接電路，利用該裝置在不同實驗條件下得到了三條光電流I與A、K兩極之間電壓UAK的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)如圖b所示，則下列說法中正確的是()A.甲、乙兩光的光照強度相同B．丙光照射陰極時，極板的逸出功最大C．甲、乙、丙三光的頻率關(guān)系為ν甲＝ν乙<ν丙D．若把滑動變阻器的滑片P向右滑動，光電流不一定增大〖答案〗CD〖解析〗甲、乙兩光對應(yīng)的遏止電