资源简介

学校 课题 光电效应
年级 高二 学科 物理
教材分析 本节由光电效应的实验规律、光电效应解释中的疑难和爱因斯坦的光电效应理论三部分组成，内容较多，难度较大，也很抽象。本节知识是本章的重点内容，也是认识光的粒子性的重要依据。爱因斯坦接受量子论，用量子思想对光电效应的解释是科学转折的重大信 号，更多科学家开始关注普朗克提出的量子观点，并开创了新的局面。由光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性三部分组成。光电效应和康普顿效应进一步揭开了光的粒子性。通过科学家们对光的本性的历史过程简单回顾，结合实验结论说明光的波粒二象性，让学生对光的本质有一个较为全面的认识。
学情分析 学生在第一节已经了解了普朗克的量子化观点，在必修三的课本中也已经了解了光子的概念，这对本节课的学习有一定的帮助。同时经典物理观念和某些生活经验会影响学生接受量子思想。通过实验了解了什么是光电效应，并且探究了光电效应的实验规律，利用爱因斯坦的光电效应理论初步进行了解释，这些为本节课的学习奠定了基础。
教学目标 物理观念：知道光电效应现象、光电效应的实验规律以及用爱因斯坦理论解释光电效应。形成光量子初步的物理观念，通过学习康普顿效应解释一些天空为什么是蓝的现象，能应用光的波粒二象性解决一些实际问题。 科学思维：培养学生辩证思维能力，运用爱因斯坦理论对光电效应的实验规律进行解释。运用光量子假说成功解释光电效应和康普顿效应，形成光具有能量和动量的思维观念。 科学探究：通过观察光电效应的实验过程培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。通过光量子假说分析光电效应的实验规律和康普顿效应。 科学态度与责任：感受微观世界的奇妙和谐，培养学生对科学的好奇心和求知欲，能够体验探索自然规律的艰辛与喜悦。通过物理学史的学习，使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，培养学生类比思想，以及严谨的科学思维。
教学重难点 教学重点：光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应。 光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。 教学难点：光电效应的实验规律和用爱因斯坦理论解释光电效应。 光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。
教学 准备 PPT，教学视频等
教学环节 教学内容 教师活动 学生活动 智慧课堂应用及分析 1.功能选择 2.应用价值 3.评价体现 时长
光电 效应 的实 验规 1、光电效应的实验装置 ⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 ⑵K在受到光照时能够发射光电子 教师解释 实验装置 : 阴极K与 1、抢答环节。活跃气氛 1 5 分 钟
律 ⑶阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。 阳极A之 间电压U 的大小可 以调整， 电源的正 负极也可 以对调。 右图中所 加的电压 为正向电 压，即A 极的电势 高于K极 的电势。 光电子从 阴极K逸 出后，在 AK之间 被电场加速。 教师总结 : ①当入射 光频率 ν > νc 时，电子才能 逸出金属表面； ②当入射 光频率 ν < νc 时，无论光强 多大也无 电子逸出 金属表面 。 根据视频中演示的现象 ， 理解什么是光电效应 。 。 观看视频 分析讨论问题。
观看视频：
2、存在截止频率（极限频率）ν （1）当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了，νc称为截止频率或极限频率。即入射光的频率必须高于截止频率νc才能发生光电效应。 （2）不同金属的截止频率νc 不同，即截止频率与金属自身的性质有关 光电效应的产生条件 3、 存在饱和电流
在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。 实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强,饱和电流越大。这说明，对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。（饱和电流与入射光的强度有关其实是与光子数有关） 4、存在遏止电压Uc 拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时 ,动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功： 反向电压增加，光电流减小。光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。 U=0时，I≠0，因为电子有初速度加反向电压，如右图所示： 、 光电子作减速运动。若速率最大的记为vc (
1
2
) (
2
c
) me vc eU 则I=0，式中UC为遏止电压 使光电流减小到0的反向电压UC称为遏止电压。 6、光电效应具有瞬时性 实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的截止频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏 教师解释 : 这说明， 在一定的 光照条件 下，单位 时间内阴 极K发射 的光电子 的数目是 一定的， 电压增加 到一定值 时，所有 光电子都 被阳极A 吸收，这 时即使再 增大电压 ,电流也 不会增大 。 教师总结 : ①对于同 一种颜色 （频率） 的光，无 论光的强 弱如何， 遏止电压都一样 @光 的 频 率发生变 化时 ，遏 止电压也 根据思考 问题总结 实验规律 。 结合带电 粒子在电 场中的受 力情况分 析光电子 的受力情况。 了解光电 效应的瞬时性。
转。 更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9 s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。 会发 生变化。 ③这表明光电子的能量（动能）只与入射光的频率有关 。而与入射光的强弱无关
光电效应经典解释中的疑难 思考7：人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时， 电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢 使电子脱离某种金属所做功的最小值， 叫做这种金属的逸出功。 当光照射金属表面时， 电子会吸收光的能量 。若电子吸收的能量超过逸出功， 电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 这些结论与实验相符。 ①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压UC应与光的强弱有关。 ②不管光的频率如何，只要光足够强， 电子都可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。 ③如果光很弱，按经典电磁理论估算， 电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于10 -9 S。 以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以 教师解释 ：温度不很高时 ，电子不能大量逸出 , 是 由于受到金属表面层的引力作用 , 电子要从金属中挣脱出来 , 必须克服这个引力做功。 思考讨论问题。 阅读材料 ,了解实 验结论与 经典波动 理论的不 符之处。 完成课堂 5分钟
无法用经典的波动理论来解释光电效应。 【例题】对光电效应现象的理解，下列说法正确的是（ B ） A. 当某种单色光照射金属表面时，能产生光电效应，如果入射光的强度减弱，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B.若发生了光电效应且入射光的频率一定时 , 光强越强，单位时间内逸出的光电子数就越多 C.无论光强多强， 只要光的频率小于截止频率就能产生光电效应 D. 以上说法都不正确 教师讲解 练习。 3、学生选择作答 ， 突出大数据 ， 辅助教学
爱因斯坦的光电效应理论 爱因斯坦从普朗克的能量子说中得到了启发 ,他提出： 1.光子： 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。 E h 2.爱因斯坦的光电效应方程 一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即： h Ek W0 或Ek h W0 (
1
2
)Ek 2 me vc ——光电子最大初动能W0 ——金属的逸出功 3.光子说对光电效应的解释 ①爱因斯坦方程表明，光电子的初动能Ek与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当hν>W0 时，才有光电子逸出， c 就是光电效应的截止频率。 @电子一次性吸收光子的全部能量，不需要 教师讲解 明确光子 的概念， 并知道其 能量的大小。 分析光电 子的能量 和逸出功 之间的关 系，总结 出光电效 应方程。 理解光子 说对光电 效应现象 的解释。 1 0分钟
积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时发生的。 ③光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子多，因而饱和电流大。 思考与讨论：爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能E与入射光的频率v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压U。那么，怎样得到截止电压U。与光的频率v和逸出功W0 的关系呢 利用光电子的初动能E = eUC。和爱因斯坦光电效应方程Ek= hv- W0,可以消去E,从而得到 Uc与v 、W0 的关系，即 UC v 对于确定的金属，其逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量。上式中的截止电压Uc 与光的频率v之间是线性关系， Uc-v图像是一条斜率为h/e的直线 4.光电效应理论的验证 美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理论的正确。 由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律,荣获1921年诺贝尔物理学奖。【例题】如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为 零。由此可知阴极 材料的逸出功为( A ) A.1.9 eV B.0.6eV 爱因斯坦 光子假说 圆满解释 了光电效 应，但当 时并未被 物理学家 们广泛承 认，因为 它完全违 背了光的 波动理论 。 教师讲解 小组讨论 遏止电压 与光子频 率、逸出 功之间的关系。 了解科学 探索发展 的过程。 完成课堂练习。 3、学生选择作答 ， 突出大数据 ， 辅助教学
C.2.5 eV D.3.1 eV
康普顿校园和光子的动量 1、康普顿效应 （1）光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用， 因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 （2）康普顿效应 在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中， 除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康 普 顿 效 应 。 2、光的散射经典解释 入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率 , 也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。 1923年，康普顿的学生， 中国留学生吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。 1925— 1926年，吴有训用银的X射线为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。 3、光子模型解释康普顿效应 光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长 λ和普朗克常量h有关： 爱因斯坦质能方程： E 。mc 2 教师解释 教师讲解 完成课堂练习 3、学生选择作答 ， 突出大数据 ， 辅助教学 5分钟
光子能量： E() h
m。 p =mc = = = 式中h为普朗克常量,λ为光波的波长. 【例题】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射 , 照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ B ） A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子， 因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量 C.X光散射后与散射前相比，速度变小 D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
光的波粒二象性 （一）人类对光的认识过程 众所周知，在麦克斯韦的电磁理论建立之后 ,人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动说被普遍接受，人们不再认为光是由粒子组成的。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。 （二）光的波动性和光的粒子性 动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的。 也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。当然，此时人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者。人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。换句话说， 光具有波粒二象性( wave-particle dualism)。 从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论 ,再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学,人类对光的认识构成了一部科学史诗。 【例题】对于光的行为，下列说法正确的是（ BD ） A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D.光的波粒二象性应理解为，在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下光的粒子性表现明显 教师总结 教师讲解 理解光的 粒子性和 波动性分 别表现在 哪些方面 。 完成课堂练习 3、学生选择作答 ， 突出大数据 ， 辅助教学 5分钟
板书设计 光电效应 一、光电效应的实验规律 1.光电效应： 2.实验规律：①存在截止频率：vc @存在饱和电流：IC
④光电效应具有瞬时性 二、光电效应经典解释中的疑难 三、爱因斯坦的光电效应理论 1.光子的能量：E = hν 2.光电效应方程：EK=hv-w0 四、康普顿效应和光子动量 1.康普顿效应： 2. 光子的动量p 五、光的波粒二象性
教学反思 光电效应的知识学生在生活中也有接触，如太阳能电池，太阳能路灯等。光电效应的实验规律的教学要突出实验规律的物理意义。注意结合必修的静电力做功的原理和光电效应的概念说明实验电路的工作原理，特别是电路中的电源的作用。教学的时候重点分析好截止频率，最大初动能与频率的关系。这些都将能够为更好的学习爱因斯坦光电效应方程做铺垫。介绍爱因斯坦光电效应方程完美地解释光电效应规律。

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