光電效應光子物理教案

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教材全日制普通高級中學教科書·物理第三冊(必修加選修)第二十二章第一節。

教學時間一課時。

教學目標

1.知識與技能

了解并識別光電效應現象。

能表述光電效應現象的規律。

了解光子的概念，會用光子說解釋光電效應現象的規律。

理解光電效應方程。

粗略了解光電效應研究史實。

2.過程與方法

觀察赫茲實驗中的放電現象，體驗發現的過程。

經歷“探究光電效應規律”的過程，獲得探究活動的體驗。

嘗試發現波動理論面對光電效應規律遇到的困難。

領略“觀察、實驗──提出假說──實驗驗證──新的假說……”的物理學研究方法。

3.情感態度與價值觀

體驗探究自然規律的艱辛與喜悅。

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。

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。

教學用具

1.實驗裝置赫茲實驗裝置;光電效應現象演示裝置。

2.多媒體課件;資料文字;赫茲實驗裝置示意動畫;研究光電效應實驗示意動畫;光電效應的波動說描述與光子說描述動畫;密立根證實光電方程實驗示意動畫;普朗克、愛因斯坦、密立根資料圖片動畫;

設計理念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一──量子理論的入門，涉及量子物理最基礎的內容，同時，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。基于教材特點，本教案設計“以人為本”，突出從赫茲發現光電效應，勒納德研究光電效應規律，愛因斯坦提出光子說解釋光電效應規律，到密立根實驗驗證光電效應方程，物理學家們上下求索三十年的歷程，在讓學生學到量子論基礎知識與基本技能、發展微觀思維方法的同時，獲得物理課程文化的浸潤與陶冶，體現物理教育在個性品質、好奇求知、質疑創新、科學美及責任心等方面的價值導向。

本課總體設計思想是：課堂教學以光電效應三十年精彩歷程為線索，通過充分展示圍繞“光電效應”所發生的發現現象、研究規律、提出假說、實驗驗證這樣一個科學發現過程，在科學過程展示中推出學科知識，滲透科學思想方法，借助多媒體課件播放、實驗裝置重現現象及教師解說，著力于撼動青年學生崇尚科學的情感，弘揚深厚的物理課程文化。

教學過程全課以下列四個標題作引導，按歷史的發展順序展開教學活動。

(動畫顯示課題后，教師引入主題)

引入本課要學習的光電效應，在量子理論的發展中有著特殊的意義。人類對光的本性的認識，到麥克斯韋提出光是一種電磁波，光的波動說似乎已完美無缺了。然而，就是在證實電磁波存在的過程中，人們發現了光具有粒子性的重大事實，這就是光電效應現象。光電效應及其規律的研究，使人類對物質世界的觀念發生了變革：大自然在微觀層次上是不連續的，即“量子化”的，而不是牛頓物理假設的在一切層次上都是連續的!光電效應最先由赫茲發現，他的學生勒納德對光電效應的研究卓有成效并獲1905年諾貝爾物理學獎，愛因斯坦提出光子論從理論上成功解決了光電效應面臨的難題并因此獲1921年諾貝爾物理學獎，美國物理學家密立根通過精確實驗證實了愛因斯坦的理論，并獲1923年諾貝爾物理學獎。光電效應的科學之光經眾多物理學家前赴后繼，三十年努力求索，在物理學史上成為絢麗奪目的篇章。讓我們翻開這炫目的一頁，沐浴科學的陽光吧!

(屏幕切換顯示四個標題)

一、赫茲意外發現光電效應

介紹赫茲實驗動畫顯示赫茲實驗示意圖如圖1所示。1885年，赫茲用如圖1所示的裝置來證實電磁波的存在：電磁波發生器是在兩根銅棒上各焊接一個磨光的黃銅球，另一端各連接一塊正方形鋅板，它們共軸放置，兩球間留有一空隙，它們相當于一個電容器，與感應圈連接，構成了LC電路，感應圈使兩黃銅球聚集大量電荷，從而在空隙間產生電火花，形成高頻振蕩電流，輻射高頻電磁波。與這個回路相距一定距離有電磁波接收器，是用一根粗銅導線彎成一開口的圓環，開口端各焊一黃銅球，之間有可作微調的空隙，這個接收器實際上也是一個LC電路。調節間隙改變接收電路的固有頻率可與發射過來的電磁波產生共振，從而在接收器的空隙間觀察到電火花。

介紹赫茲的發現并演示利用電火花實驗裝置，赫茲測量了電磁波速、進行了研究電磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各種波現象的實驗，大量反復地實驗不但證實了麥克斯韋電磁波理論，同時意外地發現了表明光具有粒子性的一個重要現象：當發射器間隙的火光被阻隔時，原來接收間隙的火花變暗(如圖3所示)，而用其他任何火花的光照射到接收器銅球，也能促使間隙發生電火花，進一步研究發現這一現象中直接起作用的是火光中的紫外線，當火花的光照到間隙的負極時，作用最強，這種情況下接收器間隙發生的電火花實際上是紫外線的照射使一極銅球上飛出電子到另一極銅球所形成，赫茲稱之為“紫外光對放電現象的效應”，也就是光電效應。

演示光電效應現象動畫顯示光電效應演示儀原理如圖4所示，課堂演示，引導學生觀察在紫外線照射下，電流計指示電路中出現了電流。歸納什么是光電效應

(文字顯示)

在光的照射下物體發射電子的現象，叫做光電效應，發射出來的電子叫做光電子。

二、勒納德研究光電效應現象的規律

引入赫茲的發現吸引了許多人去深入研究光電效應成因與規律，其中德國物理學家、赫茲的助手勒納德的研究卓有成效。對光電效應的研究方向就是弄清其發生的條件。

介紹勒納德實驗研究原理動畫顯示勒納德研究光電效應規律的實驗裝置如圖5所示。當入射光照射到光潔的金屬陰極K表面，就有光電子發射出來，若有光電子到達陽極A，電路中就有電流，所以可通過電流計了解用各種光照射陰極K以及對兩極加不同電壓時的光電流，從中摸索規律。

介紹勒納德實驗研究結果勒納德通過實驗總結出光電效應現象的重要規律：

(文字顯示)

1.對各種金屬都存在著極限頻率和極限波長，低于極限頻率的任何入射光強度再大、照射時間再長都不會發生光電效應。

2.光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大。

3.只要入射光頻率高于金屬的極限頻率，照到金屬表面時光電子的發射幾乎是瞬時的，不超過10-9s。

4.發生光電效應時，光電流的強度與入射光的強度成正比。

光電效應規律性的演示用如圖4所示的光電效應演示儀演示(1)用紅光、藍光照射鋅板時，不會產生光電流;(2)用玻璃隔斷紫外線時，光電流消失;(3)光電流達到飽和后，改變電壓，光電流不變，改變入射光強度，光電流增大。

設問1.用光的電磁波理論如何解釋光電效應的發生?

2.波動理論可以解釋光電效應發生時的規律嗎?

討論與總結請全班同學議論，由學生嘗試定性解釋光電效應后，教師概括輔以如圖6所示動畫顯示：光到達金屬表面時，連續的電磁波能量分布在其表面，振動的電磁場不斷地“搖晃”金屬表面的電子，一些結合最松散的電子被搖下來。

由學生提出現有理論與觀察事實的矛盾后，教師整理為兩大困難，并以文字顯示。

矛盾波動理論解釋實驗事實

之一

之二到達金屬表面的光能量連續地分布，對某個電子只能吸收其中很少一部分，應有一段時間積累到足夠的能量方能從金屬表面掙脫。

光波的振幅表征光能量大小，強光對金屬作用足夠長時間，有足夠能量應該可以使電子從金屬表面掙脫。光電效應是否產生存在極限頻率(波長)而與光強無關，光電子最大初動能也只與入射光頻率成正相關。

若能發生光電效應，即使光很弱，也是瞬間發生的

三、愛因斯坦提出光子論圓滿解釋

引入觀察與理論的互動就是科學，觀察是科學進程的開端，觀察激發思考導致理論以解釋觀察結果，而理論又在新的觀察中受到檢驗、引發新的理論，對觀察結果進行解釋或統一。

原來的電磁波理論與光電效應的實驗事實不相符合，促使人們改變認識，構建新的思想框架來解釋觀察結果。1905年，愛因斯坦用突破性的量子化思想對光電效應做出了現在為科學界普遍接受的解釋。

介紹愛因斯坦光量子假說教師介紹普朗克對電磁波輻射所作的量子化假設：振動物體的能量只能取特定的一組允許值。這種思想在當時并沒有引起人們多少注意，但愛因斯坦敏銳地捕捉了這一思想閃光，并徹底貫穿到光的輻射與吸收問題中。

教師介紹光子說，并顯示文字內容：

在空間傳播的光(的能量)不是連續的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子，一份光子的能量E=hv。

用光子說對光電效應規律作解釋用如圖7所示動畫輔助描述光子說下的光電效應：光子像下雨一樣落在金屬表面上，打出電子，就像機槍子彈從混凝土墻上打下混凝土塊一樣。

解釋極限頻率的存在;

解釋光電效應的瞬時性;

給出逸出功概念，用光電效應方程

(屏幕展示)解釋光電子最大初動能只與入射光頻率正相關;

解釋光電流的強度與入射光的強度成正比。

小結在愛因斯坦提出光子模型后，用來解釋光電效應變得出奇地簡單明了，今天，我們中學生運用光電方程計算光電效應已不是什么難題，但在上個世紀初，科學家對量子化的物理卻極不適應，愛因斯坦的獨創性、物理洞察力和對簡潔解釋的追求使他在忙碌的1905年發表了相對論，成功解釋了光電效應，建樹起近代物理學研究的兩座豐碑。

四、密立根精確實驗證實光電效應方程

引入至此，研究光電效應的科學活動并未完成，愛因斯坦的光子假設與光電方程作為假說──一種有根據的猜測，一種嘗試性的未經確認的看法，要上升為理論，要為人們認同──當時對這一假說的懷疑超過了狹義相對論，甚至包括普朗克本人也持反對態度，還必須經受實驗的檢驗。許多物理學家都想方設法用實驗測量普朗克恒量h，驗證光電效應方程。

簡介密立根的工作一直對光子假設持有保留的美國物理學家密立根，設計了高精確度的實驗裝置如圖8所示，經過十年的試驗，不斷解決一些技術難點，終于驗證了光電方程的直線性，并測出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s，在事實面前，密立根服從真理，宣布愛因斯坦假說得到證實。科學就是嚴峻的懷疑態度和對新思想的開放態度的混合，科學常常會發生這種情況：科學家說：“那的確是個好論據，我錯了。”然后真的改變想法，揚棄舊觀點，科學就是這樣進步的。

全課總結本課學習，我們了解了光電效應現象，了解了進行科學活動的方法。光電效應把我們帶進了量子化的物理學，光電效應告訴我們理解微觀世界要有新的觀念，光電效應引領了近代物理學的發展，對哲學、文化和技術的影響深遠。讓我們懷著對量子理論先驅們的崇敬心情，從科學回到生活。

播放音樂與三位物理學家資料畫像，如圖9所示。

[課件簡介]本課件采用PowerPointXP-F1ashMX制作，充分發揮PowerPoint媒體展示功能與FIashMX的強大的動畫功能。其制作過程如下：

一、素材的采集與制作。用超級解霸采集所需的CD音樂;通過網上搜索和掃描儀掃描所需的圖片：用F1ashMX制作用波動理論解釋光電效應的動畫、光子說解釋光電效應的動畫。

二、系統集成：把各種素材用PowerPointXP做成一定交互能力的幻燈片。