普通高中课程标准实验教科书沪科版.docx
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普通高中课程标准实验教科书沪科版
普通高中课程标准实验教科书(沪科版)
物理(选修3-5)
(光电效应)教学设计
2.2(光电效应)教学设计
[教材分析]
本节课选自于上海科技教育出版社,普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5第二章第二节《涅磐凤凰再飞翔》(光电效应)。
从课程整体来说,本章将循着物理学家探索的足迹,追溯量子假设提出来的缘由;认识光和电子等的波粒二象性,了解量子力学的基本观点。
光的电磁说,使光的理论发展到相当完美的地步,取得了巨大成就,但是它不能解释所有的光现象,光电效应现象的出现,光的电磁说遇到了不可克服的困难,光的波动说无法解释光电效应现象。
光电效应是认识光的粒子性的第一依据,光电效应也是光子说的第一明证,因此本节内容是本章的重点内容。
教材由赫兹的火花放电实验引入光电效应的概念,通过实验探究光电效应产生的条件,并进一步探究光电效应的规律,介绍了用经典电磁波动理论解释光电效应现象时遇到的困难,在此基础上提出了爱因斯坦的光子说,不但提出了光子的概念,并进一步给出了光电效应方程。
本节内容涉及物理学微观领域,比较抽象,学生不容易理解与掌握,因此光电效应产生的条件及光电效应的规律不应是讲出来,而应是通过演示实验由师生一起进行探究出来的,所以做好演实验是教好光电效应内容的前提,演示可按教材所示进行。
信息浏览“密立根违背初衷的验证”及“STS”光电效应在我身边等内容的安排,减弱了光电效应的神秘感,使学生乐于接受,有助于提高学生的学习兴趣。
[学情分析]
1、知识方面
学生已经通过几何光学的学习,知道光是一种电磁波,具有波动性。
但他们不知道光还是一种粒子,具有粒子,光电效应是光子说的第一明证。
这就需要深入探究光电效应现象,认识光的粒子性,进一步理解爱因斯坦的光子说及光电效应方程,充分认识光的本性,知道光具有波粒二象性。
2、能力方面
作为高二的学生,他们的好奇心强,有较强的参与意识。
因此,在教学中要以各种方式激发学生的学习兴趣,设置“物理情景”,引发学生“思维冲突”,设法采用各种演示实验,让学生通过观察得出正确的结论。
通过师生共同探讨和定性理论分析,让学生深入理解规律来完善已有知识,培养学生运用新的物理模型,分析研究微观粒子的行为规律,从而提高对宏观实验加以解释的能力。
[三维教学目标]
知识与技能
1、通过实验知道光电效应产生的条件和规律,了解它在科学技术上的应用;
2、了解光子说,会用光子说解释光电效应;
3、知道爱因斯坦光电效应方程及其意义,并会用来解决简单的问题。
过程与方法
1、体验实验探究光电效应的过程;认识科学探究的意义,尝试应用科学探究的方法研究物理问题,验证物理规律。
2、学会理论分析的方法,会运用光子说和光电效应方程从理论上解释光电效应现象。
情感、态度、价值观
1、通过光子说的学习,深化对光的本性的认识。
领略自然界的奇妙与和谐,发展对科学的好奇心与求知欲,乐于探究自然界的奥秘,能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。
2、通过爱因斯坦光电效应方程的学习,体会物理学理论的预言作用,以及简洁和谐之美。
3、学习科学家敢于坚持真理,勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神,培养判断有关信息是否科学的意识。
[教学重点、难点]
重点:
探究光电效应现象的实验,理解光子概念及爱因斯坦光电效应方程。
难点:
理解光子说以及对光电效应的解释。
[教学方法]
实验探究法,启发和引导法,归纳和演绎法,案例分析法。
[教学器材]
锌板、铜板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、有机玻璃棒、毛皮、橡胶棒、光电效应演示器、多媒体课件。
[程序设计]
教学过程设计
教学程序
教学步骤
教师活动
学生活动
设计
意图
创
设
情
景
,
导
入
新
课
提出
问题
用细砂纸打磨锌板表面,将锌板与验电器用导线连接,并用感应起电的方法使锌板带负电。
师:
如何检验锌板所带电荷的种类?
师:
现在锌板带负电,如何使与其相连的验电器箔片张角变小?
师:
是否还有其他方法?
请看下面的实验(参见教材第29页图2-10)。
学生甲:
把用丝绸摩擦过的有机玻璃棒靠近或接触锌板,观察验电器箔片张角的变化。
学生乙:
把用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近或接触锌板,观察验电器箔片张角的变化。
学生甲:
把用丝绸摩擦过的有机玻璃棒接触锌板。
学生乙:
用手接触锌板。
开门见山,让学生进入积极主动的思考状态,激发学习兴趣。
期望通过演示试验和课件,使学生获得更多的感性认识。
演示
试验
(一)
用紫外线灯照射锌板,让学生观察验电器箔片张角的变化情况。
师:
这个实验说明了什么?
学生通过观察,发现张角变小。
生:
用光照的方法也可以使锌板所带负电荷减少,说明锌板上电子数目减少(有电子逸出)。
总结
归纳
我们把这种现象叫做光电效应现象,发射出来的电子叫光电子。
教师简单介绍赫兹J.J汤姆生、勒纳等人对光电效应的研究结果(参见教材第29页)
学生记忆和理解
课件
展示
光电效应现象的图片
学生观察,加深对光电效应现象的理解
新课教学
(一)利用演示实验探究光电效应产生的条件
提出问题
师:
只要有光照射在锌板上,就一定能观察到光电效应现象吗?
请猜想一下,光电效应的产生与哪些因素有关?
理由是什么?
教师提出根据教材第30给出的问题,进行实验探究,验证自己的猜想。
学生甲:
与光的强度有关,理由是…
学生乙:
与光的颜色有关,理由是…
学生丙:
与照射时间有关,理由是…
学生丁:
与被照射的材料有关,理由是…
(1)教师设问,引发学生思考。
(2)通过对问题的猜想,培养学生的发散思维。
(3)期望通过直观的实验,引出感知。
演示实验
(一)
教师做好演示实验,引导学生注意观察。
1.让锌板先带上负电,用紫外线灯照射锌板打磨过的一面,验电器箔片张角有何变化?
改变紫外线灯与锌板的距离(即改变照射在锌板处紫外光的亮度)情况又如何?
2.在紫外线灯和锌板间插入一块玻璃,验电器的箔片张角有何变化?
3.用白炽灯照射锌板打磨过的一面,验电器箔片张角有何变化?
设法增加白炽灯的亮度,情况又如何?
学生认真观察验电器箔片张角的变化情况。
1.张角变小,说明产生了光电效应,照射在锌板处紫外光的亮度变小,也能产生光电效应。
2.张角没有变化,表明没有产生光电效应,因为玻璃能吸收紫外线。
3.张角没有变化,表明没有产生光电效应,设法增加白炽灯亮度,张角仍没有变化。
提出问题
师:
从实验中你们能得到什么结论?
学生共同讨论得出:
光电效应的产生与否与光的频率有关,与光的强弱无关。
演示实验(三)
把锌板换成铜板(铜的极限频率1.05×1015HZ),分别用白炽灯和紫外线灯照射铜板打磨过的一面,让学生观察验电器箔片张角的变化情况。
学生通过观察,发现验电器箔片的张角没有变化。
总纳结归
教师总结得出光电效应产生的条件。
教师指出能够使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的极限频率,让学生看教材第31页上列出的几种金属的极限频率υ0。
师:
下面我们将利用光电效应演示器,进一步研究光电效应现象。
学生通过具体数据,知道不同金属的极限频率不同。
(二)利用演示实验探究光电效应的规律
课件展示实验装置
1.教师先利用课件展示光电管的图片,再简单介绍光电管的工作原理及应用,并指出阴极、阳极。
2.教师指出此图中加在光电管两端的电压为正向电压,引导学生分析光电子的运动情况。
3.教师再利用课件展示光电效应演示器的图片,提出以下问题。
1.学生通过图片,简单了解光电管的工作原理及应用,并能分清阴极、阳极。
2.学生分析得出,从阴极飞出的光电子在电场力的作用下向阳极做加速运动。
期望通过教师指导,学生会识别实验仪器,明白仪器的工作原理及用途。
提出问题
师:
此电路为什么要用分压电路?
师:
此实验要在光电管两端加上反向电压,如何给光电管加上反向电压?
飞出的光电子又做何运动?
师:
如何增大反向电压?
生:
因分压电路的电压、电流可以从零开始变化。
生:
把阴极接电源正极,阳极接电源负极。
光电子做减速运动。
生:
滑动变阻器的滑片向右移动。
教师设问,引发学生思考。
演示实验(四)
教师一边演示,一边提出问题,引导学生观察实验现象,与学生共同研究教材第30页上提出的问题。
1.加在光电管两极上的电压为零,用紫外线照射到用铯做成的阴极上,回路中有电流吗?
2.在光电管两极上加上反向电压,在电压由小逐渐增大的过程中,电流表指针怎样变化?
引起变化的原因是什么?
3.当反向电压达到一定数值时,电流变为零,这时的电压叫做遏止电压,有人认为遏止电压U与光电子的最大初动能Ekm=eU,你同意吗?
4.改变紫光的强度进行实验;改用绿光、蓝光再各做一次。
教师用课件展示表2,引导学生把实验数据填入表2。
颜色
波长
λ
(nm)
频率
υ(Hz)
遏止
电压
U(V)
最大初动能
Ekm(eV)
绿
546
蓝
480
紫(强度较低)
410
紫(强度较高)
410
学生认真观察实验现象,共同分析讨论产生此实验现象的原因。
1.回路中有电流,因为从铯阴极上逸出的光电子有一定的动能,到达光电管的阳极。
2.在光电管上加上反向电压,当电压逐渐增大时,电流表指针偏角逐渐变小,引起这种变化的原因是当反向电压逐渐增大时,它所产生的电场对光电子的阻碍作用增强。
3.同意。
当反向电压达到一定数值时,那些具有最大初动能的光电子也不足以克服电场的阻力而到达阳极了,光电流会变为零。
学生观察实验现象,记录实验数据,并完成表2的填写。
1.通过实验培养学生的观察能力。
2.培养会科学记录实验数据的能力。
3.通过几种光对比进行实验,收集实验数据,学会科学的实验方法,培养科学的实验态度。
提出问题
师:
增强照射在铯阴极上的紫光强度,你从实验中发现了什么?
师:
改用绿光、蓝光各做一次,你从实验中发现了什么?
师:
请对以上实验进行总结。
教师指出勒纳等人通过实验,还发现:
入射光射到金属表面时,光电子的产生几乎是瞬时的,不超过10-9s。
生:
遏止电压不变,即光电子的最大初动能没有变化。
生:
遏止电压变化,即光电子的最大动能发生了变化。
生:
光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光频率的增大而增加,
培养学生分析和处理实验数据的能力。
(三)从理论上对实验结论进行分析论证
分析论证
师:
有人认为,用经典物理学也能对光电效应作出解释,你认为呢?
教师整理为两大困难,并以文字显示.
矛盾
波动理论解释
实验事实
之一
按照经典物理学,只要光的强度足够大,照射的时间足够长,总可以使电子吸收足够的能量从金属表面逸出。
光电效应是否产生存在极限频率,而与入射光的强度无关,光电子最大初动能也只与入射光频率有关。
之二
按照经典物理学,金属中的电子从入射光中吸收能量,光必须照射一段时间后,使电子的能量积累到一定数值后才能从金属表面逸出,尤其在入射光较弱时更应如此。
若能发生光电效应,即使光很弱,而在产生光电效应时,光电子的产生几乎是瞬时的,
师:
如何解决以上矛盾?
教师简述爱因斯坦于1905年提出光子说,使光的粒子说这个“涅磐凤凰”重又翱翔在物理学的天空。
学生阅读教材第31页,提出现有理论与观察事实的矛盾。
期望通过“矛盾”,引发思维冲突,激发求知欲,为学习光子说做铺垫。
课件展示
学生观察图片,简单了解爱因斯坦对物理学的贡献。
1.期望应用物理学家的历史资料,不仅有真实感,增强了说服力,同时也能对学生进行发放教育,有利于培养学生的科学态度和科学精神,激发学生的探索精神。
2.期望通过师生共同讨论,学生会用光子说和光电效应方程解释光电效应的规律。
3.期望学生学会理论分析的方法,培养对宏观实验加以解释的能力。
(四)提出光子说,利用光子说圆满解释光电效应,引出爱因斯坦的光电效方。
程
共同探究
教师板书光子说的内容,并提出用光子说如何解释光电效应的实验结果。
师:
如何解释光电效应产生的瞬时性?
师生讨论得出:
当光照射到金属表面时,金属中的一个电子吸收一个光子,得到大小为hυ的能量,如果照射光的频率足够高,使得电子吸收光子后的能量足够大,它就能从金属表面逃逸出来,成为光电子,产生光电效应。
由于金属中电子吸收光子的能量是一对一进行的,吸收过程十分迅速,因此光电子的产生几乎是瞬时的。
师:
如何解释有关光电效应极限频率的结论?
师生讨论得出:
金属内正电荷对电子有一定的束缚作用,如果光子的能量小于电子从金属表面逃逸出来所需做功的最小值,那么无论光多么强,照射时间多长,也就是说能量较小的光子无论数量有多大,也不能使电子从金属表面逃逸出来,这就很好解释存在极限频率的实验结果。
学生在教师的指导下阅读教材第32页,进一步理解光子说,学会用光子说解释光电效应。
提出问题
师:
在产生光电效应时,电子脱离某种金属所做功的最小值叫做这种金属的逸出功,逸出功用符号W表示,某一金属的极限频率υ0与逸出功W有何关系?
师:
如何解释有关光电子最大初动能的结论?
学生在教师引导下,由光子说分析得出W=hυ0。
共同探究
师生讨论得出:
如果金属中的电子从入射光子得到的能量hυ大于逸出功W,有些光电子在脱离金属表面后具有一定的动能。
由于不同光电子在脱离金属表面的过程中,克服金属中正电荷的吸引所做的功不尽相同,它逸出后具有的动能也有差异。
如果一光电子在飞出金属表面的过程中所做的功恰为逸出功W,那么它只有最大的动能Ekm,根据能量守恒定律,可以写出关系式:
hυ=Ekm+W
这就是爱因斯坦在其著名的论文中写下的光电效应方程。
学生在教师引导下理解光电效应方程
归纳总结
爱因斯坦的光子说不仅可以解释当时已发现的有关光电效应的所有实验结果,还对光电子的最大初动能与入射光频率、金属的逸出功之间的定量关系作出了精确预测,体现了物理学理论的强大威力。
通过教师总结,使学生明白光子说的应用。
案例分析
课件展示
教师让学生动手做,最后给出正确答案。
案例1:
发生光电效应的条件
已知铯、钠、银、铂的极限频率分别是4.55×1014HZ、5.54×1014HZ、1.15×1015HZ、1.53×1015HZ,当用波长为0.3751μm的光照射它们时,能发生光电效应的是()(普朗克常量h=6.63×1034×1014J.S)
解:
由C=hυ,得υ=C/入=3.00×108/0.3751×10-6HZ=8.00×1014HZ
由于照射光的频率大于铯和钠的极限频率,因此铯和钠能产生光电效应,但照射光的频率小于银和铂的极限频率,因此银和铂不能产生光电效应。
案例2:
光电效应方程的应用(参见教材第33页案例)
学生自己分析计算
期望通过案例,加深学生对光电效应的理解,并会进行简单的应用
课堂总结
教师引导
学生共同总结
培养学生的全面概括能力。
信息浏览
教师指导学生看书
学生阅读教材第33页。
让学生简单了解爱因斯坦提出光子说的史实。
知识拓展
课件展示
教师利用课件展示应用光电效应原理制成的警报器和电影放映机中的光电管。
学生阅读教材第35页STS问题,结合课件明白光电管的工作原理,进一步理解光电效应现象。
使学生了解光电效应在实际生活中的应用,不但减弱了光电效应的神秘感,而且拓宽了学生的知识面。
布置作业
作业:
教材第36页第2、3题
思考与讨论:
教材第36页第4题
[教学小结]
这节课我们不但通过实验探究了光电效应产生的条件和规律,而且学习了爱因斯坦的光子说和光电效应方程,并用光子说和光电效应方程从理论上对光电效应做了圆满的解释。
知道光不仅具有波动性,还具有粒子性。
了解到光电管是利用光电效应把光信号转化为电信号的仪器,在实际生活中,应用于自动化装置、有声电影、无线电传真和光纤通信技术中。
[板书设计](用课件展示)
§2.2涅磐凤凰再飞翔(光电效应)
一、光电效应
1、光电效应:
在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应,发射出来的电子叫光电子。
2、光电效应产生的条件:
对各种金属都存在着一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率,无论光多少强,照射多长时间,都不会产生光电效应。
3、光电效应的规律
光电子的最大动能与入射光的强度无关,只随入射光频率的增大而增加。
入射光入射到金属表面时,光电子的产生几乎是瞬时的,不超过10-9S。
二、爱因斯坦的光子说
1、光子说:
光在空间传播时也不是连续的,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E跟光的频率υ成正比,即E=hυ
2、光子说对光电效应的解释
3、光电效应方程:
hυ=Ekm+W(W=hυ0)
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