高中物理 《光電效應》教案 魯科版選修3-5

第一節(jié) 光電效應 三維教學目標 1、知識與技能 （1）通過實驗了解光電效應的實驗規(guī)律。 （2）知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。 （3）了解康普頓效應，了解光子的動量 2、過程與方法：經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。 3、情感、態(tài)度與價值觀：領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 教學重點：光電效應的實驗規(guī)律 教學難點：愛因斯坦光電效應方程以及意義 教學方法：教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流。 教學用具：投影片，多媒體輔助教學設備 （一）引入新課 回顧前面的學習，總結人類對光的本性的認識的發(fā)展過程？ （多媒體投影，見課件。）光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進一步說明光還是橫波。19世紀60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候，又發(fā)現(xiàn)了用波動說無法解釋的新現(xiàn)象——光電效應現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象及其他相關問題的研究，使得人們對光的又一本質(zhì)性認識得到了發(fā)展。 （二）進行新課 1、光電效應 實驗演示1：（課件輔助講述）用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。上述實驗說明了什么？（表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電） 概念：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應。發(fā)射出來的電子叫做光電子。 2、光電效應的實驗規(guī)律 （1）光電效應實驗 如圖所示，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出----光電子。光電子在電場作用下形成光電流。 概念：遏止電壓，將換向開關反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。當 K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值 Uc 時，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。 根據(jù)動能定理，有： （2）光電效應實驗規(guī)律 ① 光電流與光強的關系：飽和光電流強度與入射光強度成正比。 ② 截止頻率νc ----極限頻率，對于每種金屬材料，都相應的有一確定的截止頻率νc ，當入射光頻率ν>νc 時，電子才能逸出金屬表面；當入射光頻率ν <νc時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。 ③ 光電效應是瞬時的。從光開始照射到光電子逸出所需時間<10-9s。 3、光電效應解釋中的疑難 經(jīng)典理論無法解釋光電效應的實驗結果。 經(jīng)典理論認為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應該越大。也就是說，光電子的能量應該隨著光強度的增加而增大，不應該與入射光的頻率有關，更不應該有什么截止頻率。 光電效應實驗表明：飽和電流不僅與光強有關而且與頻率有關，光電子初動能也與頻率有關。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。 光電效應具有瞬時性。而經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。 為了解釋光電效應，愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論，提出了光量子假設。 4、愛因斯坦的光量子假設 （1）內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為hν的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為ν 的光是由大量能量為 E =hν的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。 （2）愛因斯坦光電效應方程 在光電效應中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?Ek 。由能量守恒可得出： W0為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功。Wk為光電子的最大初動能。 （3）愛因斯坦對光電效應的解釋 ①光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 ②電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。 ③從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系 ④從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極限頻率： 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。 5、光電效應理論的驗證 美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結果在1915年證實了愛因斯坦光電效應方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。 6、展示演示文稿資料：愛因斯坦和密立根 由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應的實驗規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。 密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。 點評：應用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神，激發(fā)學生的探索精神。 光電效應在近代技術中的應用 （1）光控繼電器 可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。 （2）光電倍增管 可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。