高中物理《光电效应》优质课教案、教学设计

【教学设计】光电效应_物理
1、引入：幻灯片展示光电效应的三个诺贝尔物理学奖项。

（得主照片与简介）
光电效应最先由赫兹发现，他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905 年诺贝尔物理学奖，爱因斯坦提出光子说从理论上成功解决光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖，美国物理学家密立根通过精确实验验证了爱因斯坦理论，并获1923年诺贝尔物理学奖。

光电效应的科学之光经众多物理学奖前赴后继，三十年努力求索，在物理学史上成为绚丽夺目的篇章……（通过展示光电效应的三个物理学奖项引起学生对光电效应一探究竟的学习动机）(2’)
2、视频演示实验：
X 光照射锌板演示光电效应现象。

观察现象，通过阶梯形、逻辑性提问引发思考。

提问如下：
1 ：这个是什么仪器？（指着验电器问）
2 ：这个仪器有什么用？
3 ：现在验电器金属箔张开说明了什么？
4：那么验电器为什么带电呢？
与之前弧光灯不照射金属箔不张开对比，引导学生分析出正是因为弧光灯的照射，锌板发射出电子自身带上了正电。

（此处可设问这种现象与静电感应有何区别？）
引导学生用自己的话描述光电效应现象，从而引出光电效应概念：物体在光的照射下发射电
子的现象叫光电效应，发射出来的电子叫光电子。

（学生将了解并可以识别光电效应）光电
效应是一个奇特的现象，有很多科学家对这个现象进行了研究，包括上面三位诺贝尔物理
学奖得主，那么，如果是你，你会怎么去探究光电效应的规律呢？(5’)
提问：我们从初中开始以及高中三年学过的实验探究的方法有哪些？（控制变量法，对比试验，转化法等）
引导学生分析，要探究光电效应，首先需要让光电效应再生，也就是需要光电效应的发生装置（比如上述弧光灯照射锌板就是一个发生装置，但要定量探究还须改进）——>光电效应
现象看不到摸不着，必须转化为可测量的量去研究它(转化法)——>光电效应既然有电子发射出来，那么可以从电子的角度去研究，与电子有关的量有什么呢，比如电流，如果要研究电流，
就必须要有一个电路。

好了，这是我们的推断，那么接下来我们去看看由于对光电效应卓有成效
地研究而获得诺贝尔物理学奖的勒纳德是怎么样探究的。

（直接原因分析法）
3、勒纳德实验探究光电效应规律。

幻灯片展示勒纳德研究光电效应规律的实验装置：（书上的实验电路图就是这个的简化）
针对实验电路图，简单介绍实验仪器：
光电管——产生光电效应现象
装置其余部分——定量测定由于光电效应产生的电流（与我们刚才的推断是一样的，学生会由于与物理学家的历史共鸣获得一种喜悦感）并
进行如下提问：
1 此电路图采用何种接法？（分压法）
2分压法有什么优点？（可以控制用电器两端电压从零开始变化，电压调节范围大）（这里回顾选修3-1 恒定电流的知识，引导学生明白物理知识间的联系与物理探究所需的知识储备）
提问：
①不同颜色的光，即不同频率的光照射灵敏电流计的示数是否会变化呢？
②有的话要用到哪种探究方法？（控制变量法）
③在这个装置中加在光电管两端的电压是否会影响灵敏电流计的示数呢？
4 视频展示实验操作及其实验现象实
验操作（1）：
用一定的频率和强度的单色光照射阴极K，滑动变阻器从最左端慢慢向右滑动（即从零开始改变加在A 和K 两极间的电压U），测量光电流I 的变化并记录数据。

实验现象①：随着电压的增大光电流也增大，但是电压增大到一定值的时候，光电流达到
一个最大值。

根据这个实验现象，引导学生画出光电管的伏安特性曲线。

如图2（横轴为虚线是因为曲线是否过原点还未确定）
图2
实验现象②：滑动变阻器触点在最左端，即U=0 时，光电流并不为0，而且还是同向偏转。

引导学生根据此现象修正图2 得到图3（这里故意将这两个实验现象分开展示，是因为学生总是先注意到曲线的趋势再关心曲线的一些特殊点，也起到对于曲线是否过原点的强调作用）：
图3
根据实验现象提问，引导学生进行分析与解释：
1 为什么U=0 的时候光电流并不为0？
引导学生分析原因，电流形成的原因是电荷的定向移动（这里是光电子），说明了当U=0时，有光电子从K 板（阴极）运动到了A 板（阳极）→说明离开K 板（阴极）时，光电子具有动能（此处不讲速度，是因为大量光电子离开阴极表面的速度沿各个方向，且在
两极之间作平抛或者斜抛或者直线运动，从能量角度研究比较方便）。

2 那么怎样才能使得光电流变为0 呢？
引导学生分析，光电流变为0→光电子无法到达（A 板）阳极→光电子到达阳极前动能已经变为了0，临界条件是恰好变为0→加上反向电压。

（这一步分析顺理成章，得出加反向电压这个操作并不突兀，有助于学生创新思维的锻炼，而且所谓创新并非天马行空，
而是有坚实的依据与严密的逻辑，体现了直接原因推理法的有效性）
承接刚才的分析展示实验操作（2）：
滑动变阻器触点回到最左端，两个单刀双掷开关分别打到另一触点（即加上反向电压），调节滑动变阻器，待电流计示数为零时，记录电压表示数Uc。

实验现象③：在同一频率同一强度的光照射下，当反向电压为调节到一定值Uc 时（遏止电压），光电流恰好为零，且继续增大电压，光电流仍为0。

引导学生根据实验现象修正伏安特性曲线，如图4：
图4
提问：好，现在完成了在同一频率同种强度光照射下的光电管的伏安特性曲线，下面该做什么呢？（控制变量法）
采用不同频率不同强度的单色光照射重复上述实验操作，并汇出光电管的伏安特性曲线，如图5，6，且得到遏止电压与入射光频率间的关系，如图7：
图5 不同光强不同频率图6
图7 入射光频率与遏止电压的线性关系
引导学生用语言描述图5，6，7 所蕴含的信息。

（学生对于物理图像的信息提取能力、语言表达能力得到练习与强化）
评价学生的描述。

我们来看下勒纳德总结出的光电效应四大实验规律（幻灯片展示）：
（1）、存在饱和电流。

饱和电流强度与入射光强度成正比。

（2）、存在遏止电压。

光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光光强无关。

（3）、存在极限频率。

对于每一种金属，只有当入射光频率υ大于一定的频率υc时，才会产生光电效应。

频率υc 成为极限频率。

（4）、光电效应具有瞬时性，这段时间不超过10-9s。

提问：
1，为什么饱和光电流强度与入射光强度成正比？
2，为什么光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光光强无关?
3，为什么存在极限频率？
4，为什么光电效应发生极短?
5、爱因斯坦对光电效应规律的理论解释（这部分鼓励学扮演爱因斯坦尝试利用光子说与光电效应方程进行理论解释，随后表格展示四大规律的解释）：
光电效应的图像：
图8
任何物理理论的建立都必须经过实验的验证，那么是谁第一个验证了爱因斯坦的光电方程
呢？
6、密立根精确实验验证光电效应方程（幻灯片展示）
1916 年，美国物理学家密立根（liKan,美，1868－1953）的精确实验证实了爱
因斯坦的光电方程。

非常有趣的是密立根的精确的实验验证了爱因斯坦光电方程的正确性，却是完全与他预料的相反，密立根一直对爱因斯坦的光电子假设持保留态度。

他说：“经过十年之久的试验、变换和学习，有时甚至还要出差错，在这之后，我把一切努力从一开始就针对光量子发射能量的精密测量，测量它随温度、波长、材料（接触电势差）改变的函数的关系。

与我自己的预料相反，这项工作终于在1914 年成了爱因斯坦方程式在很小实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测普朗克常量h，所得精度大约为
0.5%，这是当时所能得到的最佳值”。

密立根在事实面前服从真理，反过来宣布爱因斯坦的光电方程完全得到证实，这是很值得后人学习的。

由于他对光电效应及测量基元电荷的出色研究，因而获得了1923 年诺贝尔物理学奖。

（此处幻灯片展示密立根实验装置，并作简要介绍，学生扮演密立根朗读
他的台词，将体会到物理学家追求真理的艰辛与毅力，感受他们坚定的唯物主义观念）
7、当堂检测
10 分钟同桌相互批改
8、课堂小结。