人教版(新教材)高中物理选择性必修3教学设计1：第1课时 光电效应 教案

人教版（新教材）高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1第1课时光电效应一、教学目标（一）知识与技能1．通过实验了解光电效应的实验规律。2．知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。（二）过程与方法经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。（三）情感、态度与价值观领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。二、教学重点难点重点：光电效应的实验规律难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义三、教学过程（一）导入新课〖教师讲解〗光究竟是什么？让我们再次回顾历史上对光的本性之争。最初，牛顿认为光是一种微粒，惠更斯认为是一种波，二者都各自能解释一些现象，由于牛顿在学术界的地位，而波动说又缺少有力的实验事实，人们倾向于光是一种粒子的看法。直到发现了光的干涉、衍射这一波特有的现象之后，人们才开始从波的角度研究光。麦克斯韦提出光是一种电磁波，并建立了完善的电磁场理论，光的波动理论似乎很完美了。既然如此，为什么本节又要谈论“光的粒子性”呢？让我们先做一个实验。实验演示：教师介绍实验器材，然后演示，引导学生观察电流表的指针偏转情况。用弧光灯照射擦得很亮的锌板，(注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。学生：认真观察实验。启发猜想：为什么用紫外线照射锌板会引发验电器的指针偏转？（学生会提出多种猜想）引导分析：锌板本身是电中性的，现在它带了正电，说明在紫外线的照射下锌板中的自由电子跑了。〖教师提问〗为什么在紫外线的照射下锌板中的自由电子会跑出来呢？引导分析：让学生结合以前的知识回想电子在核外运动的运动情况；光波是一种电磁波，它要形成电场，电子处在电场中要受到电场力的作用。启发猜想：改用其他的光（比如红光）来照射会不会照射出电子？或用其他的材料做实验会不会照射出电子？学生根据已有的知识，猜想一定会发生与刚才相同的现象，然而这是做实验却没有电子跑出来。激起学生的认知冲突，学生急于想弄懂：为什么用紫光能照射出电子而用红光就不能照射出电子呢？（二）新课教学1、光电效应的实验规律〖教师讲解〗我们刚才做的实验是科学史上一个非常重要的实验，这个实验的焦点在于“为什么用红光照射锌板打不出电子”，科学家将实验装置进行了改进，得到了很多出人意料的规律，下面我们一起来学习：（板书）光电效应的实验规律让学生阅读总结：光电效应现象（板书）在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电子的现象叫做光电效应。发射出来的电子叫做光电子。引导学生分析实验装置（教科书图），介绍实验原理。如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出光电子。光电子在电场作用下形成光电流。〖教师提问〗为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？分析解答：光束照在阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验“可见性”）。〖教师提问〗保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析会怎样变化？引导分析：学生根据电场力知识会得到电流增大的结论。有的学生会分析出电流会增大到一个极限值。（看完后做演示实验）教师解答：同学们的分析会与实验结果一致吗？我们一起来阅读教科书的实验结果引导看书：存在饱和电流。（板书）存在饱和电流：对于一定颜色（频率）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。〖教师讲解〗当所加电压为0时，电流并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极，阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，这时电流才可能为0，使光电流为0的反向电压成为遏止电压。（板书）遏止电压及其公式根据动能定理，有〖教师提问〗对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？引导分析：学生按照经典理论解释一定会有光电流，因为入射光越强，电子吸收到的能力就越多，电子跑出来的动能也越大，刚才的这个电压就不能遏止住了，减弱光的强度，遏止电压肯定会减小。〖教师解释〗同学们分析的很好，但科学家经过实验研究发现，此时无论是入射光的强度增大到多大，都没有光电流产生。而且实验发现只要是同一频率的光都有相同的遏止电压，与光的强度无关。如果改变光的频率，遏止电压也会随之改变。（板书）光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。引导看书：截止频率（板书）截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属截止频率不同。〖演示实验〗用不同的滤光片，观察现象实验结果是射出的光电子的能量与入射光的强度无关，只与频率有关。刚才的分析认为，有光电流是因为光的能量在电子身上叠加，进一步说明入射光的能量并没有在电子身上叠加，引发学生的认知冲突。引导猜测：电子是怎样吸收入射光的能量的呢？当年爱因斯坦等大量科学家也在做这样类似的猜测。〖教师提问〗如果入射光的频率超过截止频率，做两次实验，第一次用很弱的光照射，第二次用很强的光照射，请问那一次光电子从锌板跑出来的时间长些？引导分析：学生会根据积累效应分析；如果入射光很弱，光子积累到跑出来的能量需要更多时间。但实验的结果又是怎样的呢？演示实验（板书）光电效应具有瞬时性：发生光电效应几乎不需要反应时间。2．光电效应解释中的疑难引导看书：光电效应解释中的疑难（板书）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。〖教师总结〗同学们根据自己已有的知识对光电效应可能发生的现象进行了猜测和分析，我们发现我们的推测与实验大相径庭，是我们学的知识错了还是面对新的实验事实应该建立新的理论呢？我们来看科学家是怎样面对的？3．爱因斯坦的光电效应方程引导学生看书：爱因斯坦的光电效应方程〖教师讲解〗爱因斯坦一辈子很少做实验，他是一个伟大的物理学家，但他非常尊重实验事实，当理论与实验事实相矛盾时他倾向实验，为了解释光电效应实验规律，他接受并发展普朗克都惶惑的能量子观点，提出光子说，从而成功地解释了光电效应规律。（板书）光子：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光子能量为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子叫做光子。（板书）爱因斯坦光电效应方程：hν=Ek+W0（其中Ek为电子从金属表面逸出的最大初动能，hν为一个光子的能量，W0为逸出功，与频率的关系是vc（1）内容：光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν的光是由大量能量为E=hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。（2）爱因斯坦光电效应方程在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：hν=Ek+W0W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功Wk为光电子的最大初动能。（3）爱因斯坦对光电效应的解释：①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：v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。随堂练习1．(多选)如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是()A．入射光太弱B．入射光波长太长C．光照时间太短D．电源正、负极接反〖答案〗BD〖解析〗金属存在截止频率，超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出，射出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，最大初动能小时不能克服反向电压到达阳极，也不会有光电流，与光照强弱无关，B正确，A错误；电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，D正确；光电效应的产生与光照时间无关，C错误。2．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是()A．发生光电效应时，不改变入射光的频率，增大入射光强度，则单位时间内从金属内逸出的光电子数目增多B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比C．发生光电效应时，光电子的逸出不可认为是瞬时的D．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生〖答案〗A〖解析〗入射光频率不变时，入射光的强弱不影响光电子的能量，只影响单位时间内发出光电子的数目，只增大入射光的强度，单位时间内逸出的光电子数目将增多，A正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能跟入射光强度无关，B错误；发生光电效应的时间非常短，可认为是瞬时的，C错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，即只有入射光的波长小于该金属的极限波长，光电效应才能产生，D错误。3.(多选)某同学采用如图所示的实验装置来研究光电效应现象。当用某一频率的光照射光电管的阴极K时，会发生光电效应现象，电流表中有电流通过。闭合开关S，在阳极A和阴极K之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压，直止电流表的示数恰好为零，此时电压表的电压值称为遏止电压。现用频率为ν的绿光照射阴极，测量到遏止电压为U，已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，则()A.逸出的光电子的最大初动能为eUB．阴极K的逸出功W0＝hν－eUC．如改用紫光照射，则光电子的最大初动能一定增大D．如改用紫光照射，则阴极K的逸出功一定增大〖答案〗ABC〖解析〗由于遏止电压为U，电子逸出后，根据动能定理可得－eU＝0－Ek，即逸出的电子的最大初动能为Ek＝eU，A正确；根据公式hν＝W0＋Ek可得，阴极K的逸出功W0＝hν－Ek，由于eU＝Ek，则逸出功W0＝hν－eU，B正确；由于紫光的频率大于绿光的频率，逸出功不变，根据公式hν＝W0＋Ek可得，如改用紫光照射，光电子的最大初动能Ek一定增加，C正确；金属的逸出功由金属本身决定，与照射光的频率无关，D错误。4.爱因斯坦因提出了光子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是()A．逸出功与ν有关B．Ek与入射光强度成正比C．当ν<ν0时，会逸出光电子D．图中直线的斜率与普朗克常量有关〖答案〗D〖解析〗金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错误；光电子的最大初动能取决于入射光的频率和金属的逸出功，而与入射光的强度无关，B错误；只有当ν>ν0时才会发生光电效应，C错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和W0＝hν0(W0为金属的逸出功)可得，Ek＝hν－hν0，可见图像的斜率表示普朗克常量，D正确。5．(多选)在光电效应实验中，某同学按如图a方式连接电路，利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光)如图b所示，则下列说法中正确的是()A.甲、乙两光的光照强度相同B．丙光照射阴极时，极板的逸出功最大C．甲、乙、丙三光的频率关系为ν甲＝ν乙<ν丙D．若把滑动变阻器的滑片P向右滑动，光电流不一定增大〖答案〗CD〖解析〗甲、乙两光对应的遏止电