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視頻標簽：光電效應
所屬欄目：高中物理優質課視頻
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》江蘇省優課
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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》江蘇省優課
《光電效應》
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，高三理科班課程,學時一課時。 ·學習光電效應現象及其解釋理論——光電效應方程。
·本課教材蘊含著十分豐富的教學內容：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的內容，也是經典物理學與量子物理學的重要銜接；同時本節還有著厚重的物理學科文化積淀，有物理學史、科學方法、辯證唯物主義思想、創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，而關于這些知識的“背景”，則是相當豐滿、承賦人文，為實施“科學的人文教育價值”提供了很大的空間． 二、教學目標分析 知識和能力:
1. 了解光電效應研究史實．了解光子的概念，了解并識別光電效應現象． 2. 能表述光電效應現象的規律，會用光子說解釋光電效應現象的規律． 3. 理解光電效應方程的各個物理量的含義及其對光電效應的解釋． 過程和方法：
1. 經歷“探究光電效應的規律”過程，獲得探究活動的體驗． 2. 嘗試發現波動理論面對光電效應的規律遇到的困難． 3. 領略“觀察、實驗——提出假說——實驗驗證——新的假說„„”的物理學研究正確方法． 情感態度和價值觀：
1. 體驗探究自然界規律的艱辛與喜悅．
2. 陶冶崇尚科學、仰慕科學家，欣賞物理學的奇妙與和諧的情愫． 3. 學習科學家敢于堅持真理、勇于創新和實事求是的科學態度和科學精神，培養判斷有關
信息是否科學的意識． 三、學習者特征分析
學生已經在3-5第二章學習過原子結構和氫原子光譜與能級結構，對原子微觀結構有了一定的認識。知道原子的電離過程本質。 高三理科班學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生理解過程的主要障礙。 急于求成、重視結論型陳述、輕視物理探究史實和邏輯推理是不少理科生學習原子物理相關理論的通病，這也是這一部分知識遺忘率高的原因。 教學過程: 一、引言:
師:前幾節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說。（簡單回顧光的微粒說和波動說的發展過程）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，光的波動理論發展到了完美的地步。可是，光電效應的發現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的規律，并且通過分析光電效應的規律弄清為什么波動理論無法解釋光電效應現象。 評: 點明課題，強調已經十分完美的理論又受到新的實驗事實的挑戰，引起學生的懸念，激發求知欲。 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實驗裝置。(分別介紹鋅板、銅網、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，將具體的較復雜的實驗裝置變為簡明的板畫，突出了原理，有助于后面對實驗事實的進一步分析。
師: 現在我把高壓電源接通，檢流裝置接上，為什么檢流計不發生偏轉?
生:(集體) 電路還處于斷開狀態。 師: 哪一部分斷開?
生: 鋅板和銅網之間。中間是空氣，不能導電。
師: 對。現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)
師: 剛才用紫外線照射鋅板時，看到了什么現象?為什么會出現這種現象? 生: 看到檢流計指針發生了偏轉，說明電路中出現了電流。 師: 這電流可能是哪種原因產生的?
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，則指針不會發生偏轉，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象叫光電效應;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，光電子，光電流)(板畫:光電效應的形成過程)
評: 這一階段介紹什么是光電效應。從演示入手，引導學生觀察并分析實驗現象，為下面的研究光電效應規律作準備。
師: 下面我們進一步研究光電效應有哪些規律。
(用應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，不能發生光電效應，X射線頻率較高，可以發生光電效應。 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。科學家們還用不同頻率的各種電磁波照射同一種金屬板，發現，當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，都無法發生光電效應。這一頻率界限就叫極限頻率。 (投影:二、規律:任何一種金屬，都存在極限頻率V。，只有當入射光V>V。，才能發生光電效應。)
師:科學家還發現，發生光電效應時，若將高壓電源去掉，檢流計中仍能發現有電流通過。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。
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。科學家用不同的光(不同頻率，不同光強)照射同一金屬。發現:光電子的最大初動能E晝km晞與入射光強度無關，只與入射光頻率有關，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，只隨入射光頻率的增大而增大)，這是光電效應的第二條規律。 師: 下面再讓我們看一看，在能發生光電效應的情況下，從光照開始到光電效應發生，需要的時間長短。(用X射線照射鋅板，讓X射線不斷地斷、續照射，檢流計指針的偏轉也斷、續發生)剛才大家看到的現象說明了什么問題? 生:光電效應發生非常快。
師:對。科學家用儀器測出了光電效應的發生時間，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。可以說光電效應的發生幾乎是瞬時的。 投影(3、光電效應的發生幾乎是瞬時的。)
師: 在上面研究的光電效應的第二條規律中，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，檢流計指針偏轉幅度相應地發生變化)這個現象說明什么? 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系，這是光電效應的和4條規律。(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，一步一步地引導學生觀察、分析，盡量讓學生自己通過觀察、分析獲得知識。
師: 剛才我們通過對實驗現象的觀察、分析，得出了光電效應的規律。歷史上科學家們通過大量的實驗，總結出了光電效應的4條規律，下面大家看課本，熟悉這4條規律。 生:(看書)
師:下面提幾個問題。(問題是:(1)某光恰能使鋅發生光電效應，那么能使課本中表格內哪些金屬發生光電效應?(2)表中哪種金屬最易發生光電效應?(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:上面的學生看書，緊接著教師的提問，達到了鞏固對4條規律的理解的目的。 師:（提出新問題）為什么說光的波動理論無法解釋光電效應的規律？從光電效應的發生過程來看，電子吸收入射光能量后才能掙脫原子核的束縛，所以我們應從能量的角度來分析光效應。光的波動理論是這樣描述光的能量的:(1)能量是連續的；(2)振幅（光強）越大，光能越大，光的能量與頻率無關。大家想一想，波動理論為什么無法解釋光電效應的規律?我們先來分析第一條規律:存在極限頻率。 (提問學生)
生:按波動理論，光強越大，光能越大，就應該能發生光電效應，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，就應該發生光電效應，不應存在極限頻率。 (投影: 波動理論的困難: 1、不應存在極限頻率) 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。(投影:2、光電子最大初動能E km應與光強有關，與V無關)
師:光電效應幾乎是瞬時發生的。也就是說，不論入射光強多么弱，只要V>V。，就立即能發生光電效應。這用波動理論能解釋嗎?
生:不能。按波動理論，光太弱時不能發生光電效應。
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。事實上光電效應幾乎瞬時發生說明一旦發生光電效應，幾乎不需要能量的積累過程。(投影: 3、弱光照射時應有能量積累過程，不應瞬時發生)
師: 光電效應的第4條規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下，提出了光子學說。下面大家看課本:光子學說怎么回事。
評:這部分內容主要從波動理論的主要觀點出發，引導學生認識到波動理論的缺陷，為后面引入光子學說做鋪墊。)
師:光子說與波動理論的主要區別是什么?
生:光子說認為能量是一份一份的，與頻率有關，而波動 說認為能量是連續的，與頻率無關。
師：物理研究史上勒納德卻從光電流的角度對光電效應做了很深入的研究，得出了光電效應的四條規律，因此獲得1905年的諾貝爾物理學獎。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是：光電效應的條件是什么？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象。（紫光燈照射鋅板） 生：靈敏電流計指針偏轉，有光電流產生。 師：紫光燈一打開，電流計指針就„„ 生：偏轉
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生光電效應呢？ 生：不能。
師：紫光燈燈光中能使鋅板發生光電效應的成分是„„ 生：紫外線。
師：再仔細觀察光電流的大小。（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生光電效應；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，實驗發現只有高于一定頻率的電磁波才能使鋅板發生光電效應。即產生光電效應的條件是„„ 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：知道了光電效應產生條件，我們再來關注它的時效性。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：很短的時間內就發生的。
師：更精確的研究表明，光電子發射經過的時間至多為10的負九次方秒。光電效應中的光電子到底從哪里來？ 生： 原子核外的電子。
師：光電效應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。現在我們通過實驗錄像來總結影響最大初動能的因素。（實驗錄像） 生：（觀察后總結）光電子的最大初動能與入射光強無關，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別，讓我們來看看勒納德對光電流強度決定因素的研究結果。
生：通過實驗，我們了解到當存在光電流時，飽和光電流強度與入射光的強度成正相關關系 師：在勒納德的四個結論中，我們很顯然的找到了兩個實驗事實用經典波動理論不能解釋，同學們可以嘗試尋找這兩個矛盾。（學生議論，回答）
生：（回答） 師：由于光電效應的瞬時性和極限頻率的存在不能用經典波動理論來解釋，許多物理學家投入到這項研究中，其中愛因斯坦在量子化概念的基礎上，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→光子說對光電效應地解釋→光電效應方程） （討論回答：為什么存在極限頻率？ 為什么光電效應發生時間極短？ 為什么不考慮多個光子能量積累？ 生：（由多個學生相互補充回答完畢）
師：（對愛因斯坦光電效應方程的理解，例題講解） 簡介密立根精確實驗證實光電效應方程的歷史
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