高中物理 《光電效應(yīng)》教案 魯科版選修3-5

第一節(jié) 光電效應(yīng) 三維教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能 （1）通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。 （2）知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。 （3）了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量 2、過程與方法：經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律。 3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀：領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 教學(xué)重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 教學(xué)難點(diǎn)：愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義 教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備 （一）引入新課 回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)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(jìn)一步說明光還是橫波。19世紀(jì)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(dāng)人們以為光的波動(dòng)理論似乎非常完美的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說無法解釋的新現(xiàn)象——光電效應(yīng)現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究，使得人們對(duì)光的又一本質(zhì)性認(rèn)識(shí)得到了發(fā)展。 （二）進(jìn)行新課 1、光電效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)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(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。上述實(shí)驗(yàn)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(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子。 2、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 （1）光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 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(guān)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(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Uc 時(shí)，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。 根據(jù)動(dòng)能定理，有： （2）光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律 ① 光電流與光強(qiáng)的關(guān)系：飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。 ② 截止頻率νc ----極限頻率，對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率νc ，當(dāng)入射光頻率ν>νc 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率ν <νc時(shí)，無論光強(qiáng)多大也無電子逸出金屬表面。 ③ 光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電子逸出所需時(shí)間<10-9s。 3、光電效應(yīng)解釋中的疑難 經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 經(jīng)典理論認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場強(qiáng)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(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。 為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。 4、愛因斯坦的光量子假設(shè) （1）內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為hν的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)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(yùn)動(dòng)。 （2）愛因斯坦光電效應(yīng)方程 在光電效應(yīng)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?dòng)能 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(dòng)能。 （3）愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋 ①光強(qiáng)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(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 ③從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系 ④從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極限頻率： 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。 5、光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證 美國物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 點(diǎn)評(píng)：應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實(shí)感，增強(qiáng)了說服力，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探索精神。 光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用 （1）光控繼電器 可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。 （2）光電倍增管 可對(duì)微弱光線進(jìn)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。