42光电效应（教学设计）高中物理（人教版2019选择性）

第2节光电效应教学设计备课人学科物理课题4.2光电效应教学内容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。本节内容是对学生物理兴趣培养的好素材。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。教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图新课导入把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。这个现象说明了什么问题？观看视频。了解光电效应现象。用视频播放学生未曾见过的现象，吸引学生注意力，引出新课。新课教学一.光电效应的实验规律1、实验目的研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系。2、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。阴极K与阳极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。观看视频：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。光电效应的产生条件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。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。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）5、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。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②光的频率发生变化时，遏止电压也会发生变化。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转。更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10－9s（这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”）。【例题】在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（A）A.验电器的指针带正电B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应【例题】图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（AC）A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大D.只要增大电压，光电流就会一直增大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。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。总结什么是光电效应规律，知道什么是光电子。以问题的形式讲解新知识，促进学生的交流，增强学生学习的自主性。对学生的回答内容进行点评和归纳，总结出更符合问题题意的答案。根据思考问题总结实验规律。通过对光电子的受力和运动情况分析，明确什么是遏止电压。通过实验现象总结实验规律。了解光电效应的瞬时性。二、光电效应解释中的疑难思考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?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。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109S。以上三个结论都与实验结果相矛盾的，所以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。完成课堂练习。引出“逸出功”的概念。让学生了解实验结论与经典波动理论的不符之处，引导学生学习下一课时新内容。对学生的回答进行点评总结，帮助学生更好的理解本节课的重难点。培养科学态度与责任的核心素养。三、爱因斯坦的光量子假设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。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：或——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，就是光电效应的截止频率。②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，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=hvW0,可以消去E,从而得到Uc与v、W0的关系，即对于确定的金属，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，Ucv图像是一条斜率为h/e的直线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。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。小试牛刀【例题】如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5eV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0.6V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为(A)A.1.9eVB.0.6eVC.2.5eVD.3.1eV【例题】(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，图线与横轴的交点坐标为(4.27,0)，与纵轴的交点坐标为(5.5,0.5)。由图可知(AC)A．该金属的截止频率为4.27×1014HzB．该金属的截止频率为5.5×1014HzC．该图线的斜率表示普朗克常量D．该金属的逸出功为0.5eV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。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。结合能量守恒定律分析光电效应方程，培养学生应用能量守恒定律解决问题的科学思维方式。以小组讨论的形式，总结得到遏止电压和频率、逸出功的关系。提高学生交流合作的能力。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。巩固所学知识四、康普顿效应和光子的动量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。说明能量有损失，导致波长变长。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。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：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=mc2光子能量：E（ε）=hν联立可得式中h为普朗克常量,λ为光波的波长波长变长的解释：P↓——λ↑【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（）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，但频率保持不变理解光的散射和康普顿效应完成课堂练习巩固所学知识五、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(waveparticledualism)。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【例题】关于光的本性，下列说法正确的是（C）A.关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性B.光具有波粒二象性是指∶既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子C.光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性D.光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说真正有机地统一起来的理解光的粒子性和波动性分别表现在哪些方面。完成课堂练习让学生从粒子性和波动性理解光的波粒二象性。课堂总结一、光电效应光电效应，光电子二、光电效应的规律。1、饱和电流2、遏止电压3、截止频率4、具有瞬时性三、爱因斯坦的光量子假设四、康普顿效应和光子的动量五、光的波粒二象性总结知识。帮助学生总结所学知识，建立知识框架。板书设计一、光电效应的实验规律1.光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这种电子常称为光电子。2.实验规律：①存在截止频率：vc②存在饱和电流：IC③存在遏止电压：Uc④光电效应具有瞬时性<109s二、光电效应经典解释中的疑难1.光的电磁理论①逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值。②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。光的电磁理论与光电效应的矛盾爱因斯坦的光电效应理论1.光量子理论：光本身就是由一个个不可