第一节 光电效应 光子

光电效应设计详案

教学目的：

　　1、了解光电效应的产生条件、规律及光子学说．

　　2、了解光的量子性，会用光子说解释光电效应现象．

能力目标：

　　1、培养学生观察能力、分析能力，对实验事实加以解释的能力．

情感目标：

　　1、引导学生探索知识之间的联系，渗透了“当理论与新的实验事实不相符时，要根据事实建立新的理论”——即实践是检验真理的唯一标准的科学思想．

教学用具：光电效应演示器，应急灯，紫外线灯，X射线管，感应圈，灵敏检流计．

教学重点和难点：从实验现象总结出光电效应的规律，经典理论在解释光电效应遇到的困难．

课堂总体设计：

　　发挥教师的主导作用，以演示实验为基础，逐步引导学生通过对演示现象的观察，得出光电效应的规律．通过对经典波动理论无法解释光电效应的分析，培养学生运用已知知识分析新的事验事实的能力，让学生进一步体会到实践是检验真理的唯一标准．

教学过程：

一、课题引入

　　前几节课我们了解了人们在研究光的本性过程提出的几种有代表性的学说．（由于前面几节内容已经涉及了光的微粒说和波动说的发展过程，可以简单回顾）自从麦克斯韦提出光的电磁说，赫兹又用实验证实了麦克斯韦的理论后，光的波动理论发展到了完善的地步．可是，光电效应的发现又给光的波动理论带来了前所未有的困难．今天我们就来通过实验研究光电效应的规律，并且通过分析光电效应的规律弄清为什么波动理论无法解释光电效应现象．

二、新课进行．

　　1、介绍实验装置——演示实验——观察分析实验现象

　　这一阶段介绍什么是光电效应．从演示入手，引导学生观察并分析实验现象，为下面的研究光电效应规律作准备．

　　介绍一下光电效应实验装置．（分别介绍锌板、铜网、高压电源、检流装置，一边介绍，一边在黑板上画出整个装置的示意图）

　　介绍装置后画出装置示意图——将具体的较复杂的实验装置变为简明的板画，突出了原理，有助于后面对实验事实的进一步分析．

　　问题1：把高压电源接通，检流装置接上，为什么检流计不发生偏转?

　　（电路还处于断开状态．锌板和铜网之间．中间是空气，不能导电．）

　　问题2：现在让我们用紫外线照射锌板，（介绍紫外线灯，用紫外照射锌板，检流计指针偏转）．观察用紫外线照射锌板时，看到了什么现象?为什么会出现这种现象?

　　（看到检流计指针发生了偏转，说明电路中出现了电流．）

　　问题3：分析电流可能是哪种原因产生的?

　　（可能是紫外线使空气电离，也可能是紫外线使锌板飞出了电子．）

　　教师用铜板代替锌板，则指针不会发生偏转，这样，排除排除了空气被电离的可能性．

　　通过实验现象总结：锌板在紫外线的照射下，飞出了电子，这种物体在光照下有电子飞出的现象叫光电效应；在光照下从物体中飞出的电子叫光电子，电路中的电流叫光电流．

　　（板书：光电效应，光电子，光电流）（板画：光电效应的形成过程）

　　2、研究光电效应的规律

　　用应急灯的可见光照射锌板，而后用X射线照射锌板，由于用可见光照射时无电流，用X射线照射时有电流．指出：可见光频率较低，不能发生光电效应，X射线频率较高，可以发生光电效应．

　　教师总结：可见光，紫外线，X射线都是电磁波，只是频率高低不同．用不同频率的各种电磁波照射同一种金属板，发现，当频率低到一定程度后，不论怎样增大入射光强度，怎样延长照射时间，都无法发生光电效应．这一频率界限就叫极限频率．

　　（板书：二、规律：任何一种金属，都存在极限频率 ，只有当入射光 时，才能发生光电效应．）

　　问题4：发生光电效应时，若将高压电源去掉，检流计中仍能发现有电流通过．这说明什么呢?

　　（飞出的电子不需要加速电压，能从锌板飞向铜网．这也说明飞出的电子具有一定的初速度，具有一定的初动能．）

　　问题5：光电子的这一初动能是从哪里来的呢?

　　（从入射光中获得．用不同的光——不同频率，不同光强——照射同一金属．发现：光电子的最大初动能 与入射光强度无关，只与入射光频率有关，并且随入射光频率的增大而增大．）

　　（板书：2、光电子的最大初动能 与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大），这是光电效应的第二条规律．

　　让学生观察在能发生光电效应的情况下，从光照开始到光电效应发生，需要的时间长短．

　　（用X射线照射锌板，让X射线不断地断、续照射，检流计指针的偏转也断、续发生）

　　问题6：大家看到的现象说明了什么问题?

　　（光电效应发生非常快．科学家用仪器测出了光电效应的发生时间，在 s以下．在这段时间中，光只能通过约20-30cm的距离．可以说光电效应的发生几乎是瞬时的．）

　　板书（3、光电效应的发生几乎是瞬时的．）

　　教师讲解：通过研究的光电效应的第二条规律中，我们知道入射光强不影响光电子的最大初动能．

　　问题7：入射光强不影响光电子的最大初动能，那么入射光强可以对什么发生影响呢?

　　（把紫外线管靠近锌板，改变紫外线管与锌板的距离，检流计指针偏转幅度相应地发生变化）这个现象说明什么?（说明入射光强度增大时，光电流强度也增大．精确的实验表明，光电流强度与入射光强度成正比关系，这是光电效应的第4条规律．）

　　（板书：4、光电流随入射光强度的增大而增大．）

　　通过对实验现象的观察、分析，得出了光电效应的规律．通过阅读课本，让学生熟悉这4条规律．看表格思考下列问题：

　　（1）某光恰能使锌发生光电效应，那么能使课本中表格内哪些金属发生光电效应?

　　（2）表中哪种金属最易发生光电效应?

　　（3）为什么各种金属的极限频率不同?）

　　3、波动理论在解释光电效应时的矛盾

　　为什么说光的波动理论无法解释光电效应的规律？从光电效应的发生过程来看，电子吸收入射光能量后才能挣脱原子核的束缚，所以我们应从能量的角度来分析光效应．光的波动理论是这样描述光的能量的：（1）能量是连续的；（2）振幅（光强）越大，光能越大，光的能量与频率无关．大家想一想，波动理论为什么无法解释光电效应的规律?

　　（1）我们先来分析第一条规律：存在极限频率．

　　按波动理论，不论什么频率的光，只要光强足够大，就应该发生光电效应，不应存在极限频率．

　　（板书：波动理论的困难：1、不应存在极限频率）

　　（2）波动理论能解释光电子的最大初动能与入射光强无关吗?

　　按波动理论，入射光强越大，光能越大，飞出的光电子初动能就应越大．事实是光电子的最大初动能仅与入射光频率有关．

　　（板书：2、光电子最大初动能 的大小应与光强有关，与 无关）

　　（3）光电效应几乎是瞬时发生的．也就是说，不论入射光强多么弱，只要 ，就立即能发生光电效应．光太弱时，按波动理论，要达到使光电子飞出的能量，要有一个能量积累过程．事实上光电效应几乎瞬时发生说明一旦发生光电效应，几乎不需要能量的积累过程．（板书：3、弱光照射时应有能量积累过程，不应瞬时发生）

　　（4）波动理论能够解释第四条规律——随着光强的增大，光电流也在增大．

　　通过上面的分析，光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难．后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说．

　　4、光子说

　　阅读课文分析：

　　问题8：光子说与波动理论的主要区别是什么?

　　（光子说认为能量是一份一份的，与频率有关，而波动说认为能量是连续的，与频率无关．）

　　普朗克认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份的进行的，理论计算的结果才能和实验事实相符，这样的一份能量叫做能量子，普朗克还认为每一份能量等于 ，其中 叫做普朗克常量，实验测得：

　　普朗克将物理学带进了量子世界，受到普朗克的启发，爱因斯坦在1905年提出，在空间中传播的光也不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，光子的能量 跟光的频率 成正比，即：

　　这个学说后来就叫做光子说．（关于光子说的内容可以让学生自学）

　　光子说的这两点实际上是针对波动理论的两大要害提出的．爱因斯坦当时在实验事实还不是很充分的时候，提出了光子说，是对科学的重大贡献．这也说明理论与新的实验事实不符时，要根据事实建立新的理论，因为实践是检验真理的唯一标准．

　　5、光电效应方程

　　（1）光电效应中，金属中的电子在飞出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功，某种金属中的不同电子，脱离这种金属所做的功也不一样，使电子脱离某种金属所做的功的最小值叫做这种金属的逸出功．（板书：1、逸出功 ）

　　（2）如果入射光子的能量 大于逸出功 ，那么有些光子在脱离金属表面后还有剩余的能量——也就是说有些光电子具有一定的动能，就有下面的关系：

　　这个关系式通常叫做爱因斯坦光电方程．

　　（板书：爱因斯坦光电效应方程： ）

　　这部分内容对一般学生只需简单介绍，对层次较好的学生可以练习简单计算，深入理解方程的意义．

三、例题分析（参考课文例题和备课资料）

四、课堂总结

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