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視頻標(biāo)簽：光電效應(yīng)
所屬欄目：高中物理優(yōu)質(zhì)課視頻
視頻課題：新人教版高中物理選修三 17.2光的粒子性《光電效應(yīng)》江蘇省優(yōu)課
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新人教版高中物理選修三 17.2 光的粒子性《光電效應(yīng)》江蘇省優(yōu)課
《光電效應(yīng)》
一、概述
·本課題為普通高中物理選修（3-5）第五章波和粒子第一節(jié)，高三理科班課程,學(xué)時一課時。 ·學(xué)習(xí)光電效應(yīng)現(xiàn)象及其解釋理論——光電效應(yīng)方程。
·本課教材蘊含著十分豐富的教學(xué)內(nèi)容：在知識方面，本課作為后牛頓物理兩大支柱之――量子理論的入門，涉及到量子物理最基礎(chǔ)的內(nèi)容，也是經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)的重要銜接；同時本節(jié)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)新意識等人文精神教育的題材．教材在知識陳述上較為淺顯直接，而關(guān)于這些知識的“背景”，則是相當(dāng)豐滿、承賦人文，為實施“科學(xué)的人文教育價值”提供了很大的空間． 二、教學(xué)目標(biāo)分析 知識和能力:
1. 了解光電效應(yīng)研究史實．了解光子的概念，了解并識別光電效應(yīng)現(xiàn)象． 2. 能表述光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律，會用光子說解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律． 3. 理解光電效應(yīng)方程的各個物理量的含義及其對光電效應(yīng)的解釋． 過程和方法：
1. 經(jīng)歷“探究光電效應(yīng)的規(guī)律”過程，獲得探究活動的體驗． 2. 嘗試發(fā)現(xiàn)波動理論面對光電效應(yīng)的規(guī)律遇到的困難． 3. 領(lǐng)略“觀察、實驗——提出假說——實驗驗證——新的假說„„”的物理學(xué)研究正確方法． 情感態(tài)度和價值觀：
1. 體驗探究自然界規(guī)律的艱辛與喜悅．
2. 陶冶崇尚科學(xué)、仰慕科學(xué)家，欣賞物理學(xué)的奇妙與和諧的情愫． 3. 學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅持真理、勇于創(chuàng)新和實事求是的科學(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． 三、學(xué)習(xí)者特征分析
學(xué)生已經(jīng)在3-5第二章學(xué)習(xí)過原子結(jié)構(gòu)和氫原子光譜與能級結(jié)構(gòu)，對原子微觀結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識。知道原子的電離過程本質(zhì)。 高三理科班學(xué)生對原子的微觀機理有一定的興趣，但是，微觀世界的抽象性會成為學(xué)生理解過程的主要障礙。 急于求成、重視結(jié)論型陳述、輕視物理探究史實和邏輯推理是不少理科生學(xué)習(xí)原子物理相關(guān)理論的通病，這也是這一部分知識遺忘率高的原因。 教學(xué)過程: 一、引言:
師:前幾節(jié)課我們了解了人們在研究光的本性過程提出的幾種有代表性的學(xué)說。（簡單回顧光的微粒說和波動說的發(fā)展過程）自從麥克期韋提出光的電磁說，赫茲又用實驗證實了麥克斯韋的理論后，光的波動理論發(fā)展到了完美的地步。可是，光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)又給光的波動理論帶來了前所未有的困難。今天我們就來通過實驗研究光電效應(yīng)的規(guī)律，并且通過分析光電效應(yīng)的規(guī)律弄清為什么波動理論無法解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。 評: 點明課題，強調(diào)已經(jīng)十分完美的理論又受到新的實驗事實的挑戰(zhàn)，引起學(xué)生的懸念，激發(fā)求知欲。 二、新課進行。 1、介紹實驗裝置。
師: 下面給大家介紹一下光電效應(yīng)實驗裝置。(分別介紹鋅板、銅網(wǎng)、高壓電源、檢流裝置，一邊介紹，一邊在黑板上畫出整個裝置的示意圖)
評: 介紹裝置后畫出裝置示意圖，將具體的較復(fù)雜的實驗裝置變?yōu)楹喢鞯陌瀹嫞怀隽嗽恚兄诤竺鎸嶒炇聦嵉倪M一步分析。
師: 現(xiàn)在我把高壓電源接通，檢流裝置接上，為什么檢流計不發(fā)生偏轉(zhuǎn)?
生:(集體) 電路還處于斷開狀態(tài)。 師: 哪一部分?jǐn)嚅_?
生: 鋅板和銅網(wǎng)之間。中間是空氣，不能導(dǎo)電。
師: 對。現(xiàn)在讓我們用紫外線照射鋅板，大家注意觀察。(介紹紫外線燈，用紫外照射鋅板，檢流計指針偏轉(zhuǎn))
師: 剛才用紫外線照射鋅板時，看到了什么現(xiàn)象?為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象? 生: 看到檢流計指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明電路中出現(xiàn)了電流。 師: 這電流可能是哪種原因產(chǎn)生的?
生: 可能是紫外線使空氣電離，也可能是紫外線使鋅板飛出了電子。
師: 對。這兩種可能性都有。但是，如果我們用銅板代替鋅板，則指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣，排除了哪種可能性?
生:(集體)排除了空氣被電離的可能性。
師: 這樣，我們就知道，鋅板在紫外線的照射下，飛出了電子，這種物體在光照下有電子飛出的現(xiàn)象叫光電效應(yīng);在光照下從物體中飛出的電子叫光電子，電路中的電流叫光電流。(投影:光電效應(yīng)，光電子，光電流)(板畫:光電效應(yīng)的形成過程)
評: 這一階段介紹什么是光電效應(yīng)。從演示入手，引導(dǎo)學(xué)生觀察并分析實驗現(xiàn)象，為下面的研究光電效應(yīng)規(guī)律作準(zhǔn)備。
師: 下面我們進一步研究光電效應(yīng)有哪些規(guī)律。
(用應(yīng)急燈的可見光照射鋅板，而后用X射線照射鋅板) 剛才分別用可見光和X射線照射鋅板，大家看到了什么現(xiàn)象?
生:(集體)用可見光照射時無電流，用X射線照射時有電流。 師: 這又說明了什么呢?
生: 可見光頻率較低，不能發(fā)生光電效應(yīng)，X射線頻率較高，可以發(fā)生光電效應(yīng)。 師: 對。我們知道，可見光，紫外線，X射線都是電磁波，只是頻率高低不同�？茖W(xué)家們還用不同頻率的各種電磁波照射同一種金屬板，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率低到一定程度后，不論怎樣增大入射光強度，怎樣延長照射時間，都無法發(fā)生光電效應(yīng)。這一頻率界限就叫極限頻率。 (投影:二、規(guī)律:任何一種金屬，都存在極限頻率V。，只有當(dāng)入射光V>V。，才能發(fā)生光電效應(yīng)。)
師:科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，發(fā)生光電效應(yīng)時，若將高壓電源去掉，檢流計中仍能發(fā)現(xiàn)有電流通過。這說明什么呢?
生:飛出的電子不需要加速電壓，能從鋅板飛向銅網(wǎng)。
師: 對。這也說明飛出的電子具有一定的初速度，具有一定的初動能。光電子的這一初動能是從哪里來的呢? 生:從入射光中獲得。
師:對�？茖W(xué)家用不同的光(不同頻率，不同光強)照射同一金屬。發(fā)現(xiàn):光電子的最大初動能E晝km晞與入射光強度無關(guān)，只與入射光頻率有關(guān)，并且隨入射光頻率的增大而增大。(投影:2、光電子的最大初動能E與入射光強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大)，這是光電效應(yīng)的第二條規(guī)律。 師: 下面再讓我們看一看，在能發(fā)生光電效應(yīng)的情況下，從光照開始到光電效應(yīng)發(fā)生，需要的時間長短。(用X射線照射鋅板，讓X射線不斷地斷、續(xù)照射，檢流計指針的偏轉(zhuǎn)也斷、續(xù)發(fā)生)剛才大家看到的現(xiàn)象說明了什么問題? 生:光電效應(yīng)發(fā)生非�？臁�
師:對�？茖W(xué)家用儀器測出了光電效應(yīng)的發(fā)生時間，在10-9秒以下。在這段時間中，光只能通過約20-30厘米的距離。可以說光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的。 投影(3、光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的。)
師: 在上面研究的光電效應(yīng)的第二條規(guī)律中，我們知道入射光強不影響光電子的最大初動能，那么入射光強可以對什么發(fā)生影響呢?(把紫外線管靠近鋅板，改變紫外線管與鋅板的距離，檢流計指針偏轉(zhuǎn)幅度相應(yīng)地發(fā)生變化)這個現(xiàn)象說明什么? 生:說明入射光強度增大時，光電流強度也增大。
師:對。精確的實驗表明，光電流強度與入射光強度成正比關(guān)系，這是光電效應(yīng)的和4條規(guī)律。(投影:4、光電流隨入射光強度的增大而增大。)
評: 從演示實驗入手，一步一步地引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析，盡量讓學(xué)生自己通過觀察、分析獲得知識。
師: 剛才我們通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析，得出了光電效應(yīng)的規(guī)律。歷史上科學(xué)家們通過大量的實驗，總結(jié)出了光電效應(yīng)的4條規(guī)律，下面大家看課本，熟悉這4條規(guī)律。 生:(看書)
師:下面提幾個問題。(問題是:(1)某光恰能使鋅發(fā)生光電效應(yīng)，那么能使課本中表格內(nèi)哪些金屬發(fā)生光電效應(yīng)?(2)表中哪種金屬最易發(fā)生光電效應(yīng)?(3)為什么各種金屬的極限頻率不同?)
生:(分別回答上述三個問題。)
評:上面的學(xué)生看書，緊接著教師的提問，達到了鞏固對4條規(guī)律的理解的目的。 師:（提出新問題）為什么說光的波動理論無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律？從光電效應(yīng)的發(fā)生過程來看，電子吸收入射光能量后才能掙脫原子核的束縛，所以我們應(yīng)從能量的角度來分析光效應(yīng)。光的波動理論是這樣描述光的能量的:(1)能量是連續(xù)的；(2)振幅（光強）越大，光能越大，光的能量與頻率無關(guān)。大家想一想，波動理論為什么無法解釋光電效應(yīng)的規(guī)律?我們先來分析第一條規(guī)律:存在極限頻率。 (提問學(xué)生)
生:按波動理論，光強越大，光能越大，就應(yīng)該能發(fā)生光電效應(yīng)，而事實不是這樣。 師:對。按波動理論，不論什么頻率的光，只要光強足夠大，就應(yīng)該發(fā)生光電效應(yīng)，不應(yīng)存在極限頻率。 (投影: 波動理論的困難: 1、不應(yīng)存在極限頻率) 師: 波動理論能解釋光電子的最大初動能與入射光強無關(guān)嗎?
生:不能。按波動理論，入射光強越大，光能越大，飛出的光電子初動能就應(yīng)越大。 師:對。事實是光電子的最大初動能僅與入射光頻率有關(guān)。(投影:2、光電子最大初動能E km應(yīng)與光強有關(guān)，與V無關(guān))
師:光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的。也就是說，不論入射光強多么弱，只要V>V。，就立即能發(fā)生光電效應(yīng)。這用波動理論能解釋嗎?
生:不能。按波動理論，光太弱時不能發(fā)生光電效應(yīng)。
師:光太弱時，按波動理論，要達到使光電子飛出的能量，要有一個能量積累過程。事實上光電效應(yīng)幾乎瞬時發(fā)生說明一旦發(fā)生光電效應(yīng)，幾乎不需要能量的積累過程。(投影: 3、弱光照射時應(yīng)有能量積累過程，不應(yīng)瞬時發(fā)生)
師: 光電效應(yīng)的第4條規(guī)律能用波動理論解釋嗎? 生:(集體)能。
師:從剛才的分析中，我們知道，光的波動理論在解釋光電效應(yīng)時遇到了巨大的困難。后來，愛因斯坦在普朗克量子化理論的啟發(fā)下，提出了光子學(xué)說。下面大家看課本:光子學(xué)說怎么回事。
評:這部分內(nèi)容主要從波動理論的主要觀點出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到波動理論的缺陷，為后面引入光子學(xué)說做鋪墊。)
師:光子說與波動理論的主要區(qū)別是什么?
生:光子說認(rèn)為能量是一份一份的，與頻率有關(guān)，而波動 說認(rèn)為能量是連續(xù)的，與頻率無關(guān)。
師：物理研究史上勒納德卻從光電流的角度對光電效應(yīng)做了很深入的研究，得出了光電效應(yīng)的四條規(guī)律，因此獲得1905年的諾貝爾物理學(xué)獎。追尋勒納德的研究，我們來看看實驗原理。（屏幕顯示電路原理圖，簡介電路圖）
生：（觀察，思考） 師：勒納德研究的首要任務(wù)是：光電效應(yīng)的條件是什么？講臺上也擺放著一套光電流演示儀，先讓我們帶著這個問題來觀察實驗現(xiàn)象。（紫光燈照射鋅板） 生：靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)，有光電流產(chǎn)生。 師：紫光燈一打開，電流計指針就„„ 生：偏轉(zhuǎn)
師：用普通玻璃板擋在紫光燈與鋅板之間 生：（驚訝）光電流消失了。
師：普通的玻璃就可以阻擋紫外線，可見，可見光能否使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)呢？ 生：不能。
師：紫光燈燈光中能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)的成分是„„ 生：紫外線。
師：再仔細(xì)觀察光電流的大小。（改變紫光燈與鋅板之間的距離） 生：（驚訝）靠近時，光電流增大；遠(yuǎn)離時，光電流減小。
師：用普通玻璃板擋在紫光燈與鋅板之間，把紫光燈緊貼鋅板，有沒有光電流？ 生：（失望）沒有。
師：可見光不能使鋅板產(chǎn)生光電效應(yīng)；一定頻率的紫外線可以；倫琴射線也可以。從電磁波普的知識可知，這三者的頻率是依次增加，實驗發(fā)現(xiàn)只有高于一定頻率的電磁波才能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。即產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是„„ 生：入射光的頻率大于極限頻率。 師：或者入射光的波長„„ 生：小于極限波長
師：知道了光電效應(yīng)產(chǎn)生條件，我們再來關(guān)注它的時效性。實驗中不論是倫琴射線還是紫外線引起鋅板放出光電子都是„„ 生：很短的時間內(nèi)就發(fā)生的。
師：更精確的研究表明，光電子發(fā)射經(jīng)過的時間至多為10的負(fù)九次方秒。光電效應(yīng)中的光電子到底從哪里來？ 生： 原子核外的電子。
師：光電效應(yīng)中電子克服原子核對它的吸引所做的功不同，光電子的初動能會有差異，其中最大者叫作光電子的最大初動能。現(xiàn)在我們通過實驗錄像來總結(jié)影響最大初動能的因素。（實驗錄像） 生：（觀察后總結(jié)）光電子的最大初動能與入射光強無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大。 師：光電子定向移動形成光電流，但是我們知道光電流有強有弱，我們的實驗中就有區(qū)別，讓我們來看看勒納德對光電流強度決定因素的研究結(jié)果。
生：通過實驗，我們了解到當(dāng)存在光電流時，飽和光電流強度與入射光的強度成正相關(guān)關(guān)系 師：在勒納德的四個結(jié)論中，我們很顯然的找到了兩個實驗事實用經(jīng)典波動理論不能解釋，同學(xué)們可以嘗試尋找這兩個矛盾。（學(xué)生議論，回答）
生：（回答） 師：由于光電效應(yīng)的瞬時性和極限頻率的存在不能用經(jīng)典波動理論來解釋，許多物理學(xué)家投入到這項研究中，其中愛因斯坦在量子化概念的基礎(chǔ)上，大膽地提出光子說，在理論上解決了這兩個問題。
（普朗克量子說→光子說→光子說對光電效應(yīng)地解釋→光電效應(yīng)方程） （討論回答：為什么存在極限頻率？ 為什么光電效應(yīng)發(fā)生時間極短？ 為什么不考慮多個光子能量積累？ 生：（由多個學(xué)生相互補充回答完畢）
師：（對愛因斯坦光電效應(yīng)方程的理解，例題講解） 簡介密立根精確實驗證實光電效應(yīng)方程的歷史
視頻來源：優(yōu)質(zhì)課網(wǎng) www.jjlqy.cn
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