2020-2021学年高中物理 第五章 波与粒子 第1节 光电效应教案2 鲁科版选修3-5

光电效应
教学目标
知识与技能：
1、了解并识别光电效应现象；
2、能表述光电效应的规律；
3、理解光子说和光电效应方程。

过程与方法：
1、经历“探究光电效应的规律”过程，体验实验探究的方法；
2、尝试发现波动理论面对光电效应的规律遇到的困惑；
3、领略“观察、实验--提出假说--实验验证”的研究方法。

情感态度与价值观目标
1、体验探究自然界规律的艰辛、喜悦与方法；
2、陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐的情操；
3、学习科学家敢于坚持真理、勇于创新的科学态度和科学精神。

教学重点难点
1.教学重点是光电效应的规律的探究和理论解释，用光子说对光电效应的理论和规律
进行解释
2.难点是用光子说来解释光电效应的规律。

教具
锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪．多媒体
设计理念
因为做好实验探究和类比解释是学生理解光电效应的关键，所以课堂教学以围绕光电效应三十年精彩历程为线索，寻着“光电效应”现象的发现、探究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程，来展示学科知识，渗透科学思想方法，因此
以实验为基础，探究为手段，借助多媒体课件播放、实验装置重现、类比等方法来突出重点，突破难点。

教学过程
师：同学们好
生：老师您好
引入课题
师：人类对光的本性的认识，到麦克斯韦提出光是一种电磁波的理论，应该来说光的波动说似乎已经完美无缺了。

然而即使在证实电磁波存在的过程中，人们发现了光具有粒子性的重要事实，这就是光电效应现象。

光电效应最先是由赫兹发现的，他的学生勒纳德对光电效应的研究是卓有成效的，并成功解决了光电效应面临的难题并因此在1921年获得诺贝尔物理学奖，物理学家密立根通过精确实验验证了爱因斯坦理论，并于1923年也获得了诺贝尔物理学奖，光电效应的科学之光经众多物理学家几十年的前赴后继，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章，那么让我们翻开科学这炫目的一页，来沐浴科学的阳光。

板书一：光电效应现象
1.演示实验．将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面．把丝绸摩擦过的玻璃棒放在锌板附近，用紫外线灯照射锌板．边演示边提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化？这一现象说明了什么问题？引导学生分析并得出结论：光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．
2.实验改进，实验实际上效果是很不好的，还有改进的一个方法是先让这个铝箔带上电张开，然后铝箔与锌板连接，紫外线一照射，这样锌板带上正电，那么铝箔的张角就要稍微的增大，这种效果也会明显些，这是一种改进方式，还有一种改进的方案是在这个验电器上接一个铜网，那么锌板带上正电，铜网上就会大量的具体负电荷，然
后形成一个电场，然后锌板失去电子到铜网上，如果没有照射那么铝箔的张角变化至少在半分钟内无法出现，如果这时候用光线一照，张角就变化了。

板书二：光电效应规律的探究
首先变换光源，说明光电效应产生是有条件的，在此基础上，提出定量研究的问题并出示实验装置，利用此装置，让学生明确：如何调整入射光的频率？如何调整入射光的强度？测试仪的作用是什么？然后进行实验探究，可以分为这样几个步骤：第一，探究光电效应发生的条件。

功过改变碱金属和入射光的频率，得到发生光电效应的条件：入射光线的频率大于等于该金属的极限频率才能产生光电效应，不同金属极限频率不同。

第二，探究光电子动能的大小，通过改变阴极K和阳极A间的电压，得到金属的截止电压，由此分析得到光电子的初动能，并得出结论：光电子的最大出动能与入射光的强度无关，之随入射光的频率增大而增大。

第三，探究光电流的大小，在保证能够发生光电效应的前提下改变入射光的强度，从而得到：当入射光的频率大于极限频率时，保持频率不变，若入射光越强则光电流越大，同时得到结论4：光电子发射几乎是瞬时的。

板书三：光电效应与光的电磁理论的矛盾
师：通过以上实验研究出光电效应规律，你能用经典电磁理论解释光电效应吗？有困惑吗？
生：有
师：请思考讨论看书归纳总结出我们的波动理论与光电效应事实相矛盾。

（展示PPT:光电效应与光的电磁理论的矛盾）
第一，波动理论解释不了极限频率，认为光的强度由光波的振幅决定，跟频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应，但刚才的事实并非如
此。

第二，波动理论解释不了光电子的最大初动能只与光的频率有关而与光的强度无关。

第三，波动理论还解释不了光电效应发生的时间极短。

师：面对这样的矛盾促使人们改变认识，构建新的思想框架来明了观察结果，或者说是创立新的理论知识，那么在1905年，爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电效应作出了圆满的解释。

这时候可以介绍爱因斯坦的光量子假说，介绍普朗克对电磁波辐射所做的量子化假说在刚开始的时候并没有引起人们多少注意，但是爱因斯坦敏锐地捕捉了这一思想闪光，并彻底贯穿到光的辐射与吸收和传播问题中。

那么究竟爱因斯坦的光子说是怎么回事呢？这时候可以让学生阅读光子说，了解光子说的内容。

光子说的核心就是在空间传播的光，它的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，一份光子的能量E=hv。

知道爱因斯坦的光子假说，现在你能解释刚才的困惑吗？试试看，这时可以让学生做充分的思考与讨论，用光子学说解释光电效应，这可能是学生第一次用量子化的观点解释微观现象，因此学生会感到抽象难懂，这里我们可以用宏观的现象来对连续性和量子化做一个类比，比如说用我们走的路----走的公路与梯子来类比，怎么来比呢？其实公路就是连续的，而梯子就是量子化的。

师：为什么一个电子只能吸收一个光子的能量？为什么光子的能量大于或等于使电子逃逸出来所做的功，电子才能跑出来变成光电子呢？电子能不能同时吸收几个光子的能量当积累到一定程度就跑出来?
生：不明白。

师：可以用这样一个来类比，人跳一个固定高度的台阶，这高度相当于金属的极限频率，当每次给我们的能量足够，每次给的能量大于或等于跳上台阶所需要增加的重力势能，一次就能跳上去。

但是如果我们每次给个能量小于人跳上台阶所需要增加的重力势能，跳的高度始终小于这个固定高度，则每次给我们的能量又以动能的形式释放出来，在进行第二次跳跃时，第一次给的能量已经释放，相当于只给了第二次的能量，这个能量还是小于跳跃台阶所需要增加的重力势能，所以最终是无论我们跳多少次，跳得多快，每次跳跃时都只具有一次所给的能量，都小于所需要的重力势能，都不能跳上去。

与此类似，当光子能量大于金属逸出功，则介质吸收一个光子后一下就能跑出来成为光电子，不吸收第二个；当光子能量小于金属逸出功，无论有多少光子打在电子商，电子都不会跑出来，最多就是打一下，跳一下又回到原来状态。

师：最后我们对爱因斯坦提出的光子说做一个小小的说明：爱因斯坦凭着敏锐的洞察力、超长的智力和超强的创新意识提出光子说理论，这就使得解释光电效应变得出奇地简单明了，但在当时，实验测量尚不精确，科学家对量子化的物理极不适应，因此并未得到当时的认可，甚至被说成是“冒昧的假设”，直到1907年美国物理学家密立根通过精确实验验证了爱因斯坦理论的正确性，因此建树起近代物理学研究的丰碑，也因此他于1921年获得了诺贝尔物理学奖。

教学反思
1.关于教学内容的处理。

我们教学内容的处理要从几个方面，一个方面是要从课程标准的要求出发，另一个方面也要从我们的学生学习实际出发。

因此我要说的观点是在我们确定这节课的教学目标以及选择组合我们的教学内容的时候，要基于两个方面，一个是基于我们的课程标准，要准确把握课程标准对我们这节课的教学要求，它的层次是比较富有的，另一个是要基于学生的实际情况出发，如果我们的学生成绩很好，我们也要从这个出发，把一些深一点的知识让学生知道，这对帮助学生深刻理解光电
效应规律是有好处的，但如果我们所教的学生的基础比较差，这时候我们不必用这么深刻的实验
2.光电效应与我们的现实生活和科技有那么多的联系，我们就可以举一些例子既增强我们的趣味性也达成我们现在重要的一个目标，也就是增强学生对实践的认识即在实践中能够应用我们的物理知识去解释一些生活的现象以及利用物理知识去解决实际的一些应用。

如果有这样的意识，就会在教学中给学生很丰富形象的阐述光电效应，学生就会感觉光电效应不是这么抽象。