人教版 (新课标)选修3选修3-5第十七章 波粒二象性2 科学的转折：光的粒子性教学设计

光电效应·光子

一、教学目标

1．应该掌握的知识方面．

(1)光电效应现象具有哪些规律．

(2)人们研究光电效应现象的目的性．

(3)爱因斯坦的光子说对光电效应现象的解释．

2．培养学生分析实验现象，推理和判断的能力方面．

(1)观察用紫外线灯照射锌板的实验，分析现象产生的原因．

(2)观察光电效应演示仪的实验过程，掌握分析现象所得到的结论．

3．结合物理学发展史使学生了解到科学理论的建立过程，渗透科学研究方法的教育．

二、重点、难点分析

1．光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点．

2．难点是(1)对光的强度的理解，(2)发生光电效应时光电流的强度为什么跟光电子的最大初动能无关，只与入射光的强度成正比．

三、教具

锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪．

四、主要教学过程

(一)新课的引入

光的波动理论学说虽然取得了很大的成功，但并未达到十分完美的程度．光的有些现象波动说遇到了很大的困难，请观察光电效应现象．

(二)教学过程的设计

1．演示实验．

将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面．把丝绸摩擦过的玻璃棒放在锌板附近，用紫外线灯照射锌板．

边演示边提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化？这一现象说明了什么问题？

引导学生分析并得出结论：光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．

明确指出光电效应是光照射金属表面，使物体发射电子的现象．照射的光可以是可见光，也可以是不可见光．发射出的电子叫光电子．

说明：这个实验如果按照课本上的装置进行效果很不理想，因为紫外线照射锌板飞出电子时锌板带正电，在锌板附近形成电场又将电子吸附回去．锌板电势升到很小的值就使逸出和返回的电子达到动态平衡，很难使验电器指针明显地张开．

2．进一步研究光电效应．

以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应．向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律．有什么规律呢？让我们进一步研究．

向学生介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图所示．S为抽成真空的光电管，C是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K上，金属板A和K组成一对电极与外部电路相连接．光源为白炽灯，在光源和石英窗口C之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节．

观察现象一：

在没有光照射K时，电压表 有示数，电流表没有示数，说明什么？

明确：AK之间有电场存在，但没有光电子逸出，说明没有发生光电效应．

提出问题：要发生光电效应，是不是用任何频率的光线照射都行？是不是弱光线不行，只要光的强度足够大就行？是不是只要有足够大的电场电压就行？

观察现象二：

保持AK间电压一定，灯泡亮度一定，在窗口 C前依次放上红色、橙色、绿色滤光片，观察到红光照射金属板K时没有光电流，橙光和绿光照射时有光电流．用红光照射时改变入射光的亮度和改变电场电压都不发生光电效应．让学生考虑原因．

结论一：入射光线的频率大于等于该金属的极限频率υ0才能产生光电效应．

观察现象三：

逐渐减小KA间的正向电压，直到电压为零时，电流表仍有示数，说明光电流依然存在．如果在KA间加一反向电压，则光电流变小，增大反向电压，使光电流刚好为零．

提出问题：为什么KA间没有电场，仍然有光电流？也就是说仍然有光电子从K极板飞向A极板呢？在KA间加反向电压，光电子在电场中受力方向如何？电场力对光电子做正功还是负功？光电子克服电场力做功和它的动能变化关系如何呢？

根据学生回答的问题引导分析：KA间没有电场仍有光电流说明光线照射金属板逸出的光电子具有一定的动能，一部分光电子可以到达极板A形成光电流．金属中的电子吸收光的能量获得动能，只有达到某一

U就可以求出光电子的最大初动能．

保持反向电压和入射光的频率不变，调亮灯泡，发现光电流仍然为零．此时将入射光的频率增大，发现光电流增大，不再为零．

结论二：光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率增大而增大．

提出问题：入射光亮度高不就是能量大吗，金属中的电子获得的能量大，初动能就应该增大，但为什么只与入射光频率有关而与光强无关呢？

解释这一问题：频率一定的光，每个光子的能量为hυ，频率越大的光，光子的能量越大．因此电子吸收了高频率的光子才能获得较大的初动能．只有初动能足够大的光电子才能克服反向电场的阻力到达极板A形成光电流．光的强度大只是光源每秒钟发射出光子的数目多，但如果是频率低的光子，每个光子的能量不大，电子吸收光子获得的能量也就较小．只不过每秒入射的光子数目多，产生光电子的数目多，所以不提高入射光的频率就无法使光电子的最大初动能增大．

观察现象四：给光电管电极KA间加正向电场，以高于极限频率的光入射，保持电压不变，增加入射光的强度，发现光电流的强度增大．

提出问题：入射光的强度大是什么意思？光电流的强度大是什么意思？为什么它们之间有这样的关系？

根据学生的回答归纳：入射光频率不变时光的强度大是指每秒钟入射的光子频率一定，数目较多，因此每秒钟飞向极板A的光电子数多，由于到达的电子电量总和多，所以光电流较大．

结论三：当入射光的频率大于极限频率时，保持频率不变，则光电流的强度与入射光的强度成正比．

指出学生中可能存在的疑问：光电流的强度应该与入射光的频率有关．频率高，光电子的最大初动能大，光电子运动得快，光电流大．

解释这一问题：如果入射光频率较高但强度不大，则说明每秒钟入射的光子数少．尽管每个光电子初动能较大，但每秒钟到达极板A的光电子电量总和不大，因而也就不能形成较强的光电流．

说明：根据前面的实验还可以发现，光线照射金属表面，光电子发射几乎是瞬时的．

3．波动理论解释不了光电效应

(1)波动理论解释不了极限频率，认为光的强度由光波的振幅决定，跟频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应．但事实并非如此．

(2)波动理论解释不了光电子的最大初动能，只与光的频率有关而与光的强度无关．

(3)波动理论还解释不了光电效应发生的时间之短．

4．介绍爱因斯坦的光子说．

本节总结：学习这一节要注意区分一些主要的概念：光的强度、光子的能量、光电子的最大初动能、光电流的强度等．入射光的强度是和光电流的强度联系着的，每秒发射的光子数决定了每秒逸出的光电子数；入射光的频率是和光电子的最大初动能联系着的，每个光子的能量E=

人类对于自然现象的认识是螺旋式上升的，科学理论是在不断发现新的现象、探索新的规律中发展和完善的．