2022年高三物理 第二十一章 电子论初步 一、光电效应、光子(第一课时)

2022年高三物理 第二十一章 电子论初步 一、光电效应、光子(第一课时)本节教材分析相对于以前的教材来看，这套教材对光电效应的三项结果不再是放在并列的位置，也没有列为1、2、3特别明确地、突出地放在一起，而是突出了其中极限频率的存在和光的经典电磁说的矛盾.光电效应的瞬时性及其解释只需让学生知道就可以了.光电子的最大初动能与极限频率的关系在教材里不再被提到，但从后面设置的练习来看，课堂上还是要讲清逸出功W=h0（0为极限频率）的概念.光子的概念是物理学中一个十分重要的概念.新教材在本节标题中加入“光子”，说明对这个概念的教学要给予充分的重视.要注意避免学生望文主义地把光子想象成弹性小球、实物粒子的形状.注意突出光的能量进行是一份一份的.它并没有特定的形状.比如圆的方的.每一份能量叫做一个光量子.简称光子.要利用好书后的阅读材料热辐射和普朗克的量子说帮助学生理解量子化概念.做好光电效应现象实验，能够给学生一个感性认识，为了改善实验效果，可以使验电器带负电，指针张开.光照后锌板失去电子，指针张角变小.爱因斯坦光电效应方程是本节的一个重点，应该引导学生通过对方程的理解和运用加深对光子概念和光电效应规律的认识.教学目标一、知识目标1.理解光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾.2.知道光电效应的瞬时性及其与光的电磁理论的矛盾.3.理解光子说及其对光电效应的解释.4.理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题.二、能力目标1.培养学生分析实验现象、推理和判断的能力，如从原来带负电的验电器在锌板被照射后指针张角变小推理出锌板失去电子的事实.2.对光子概念、光电效应过程能建立正确的物理图景.三、德育目标了解科学理论的建立必须用实践来检验.渗透科学研究方法的教育.教学重点1.光电效应中的极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾.2.光子说及其对光电效应的解释.3.爱因斯坦光电效应方程及应用.教学难点1.对光强度的理解.2.极限频率的理解.3.光电子的最大初动能与入射光的强度无关.教学方法对光电效应现象的教学采取实验观察、独立分析实验结果、引导得出正确结论的方法.对光子说及其对光电效应的解释教学采取学生阅读、教师归纳，达成共识，建立图景的方法.对光电效应结果与经典电磁理论的矛盾采取先质疑，再介绍科学实验的结论，提出要尊重实验事实，避免按自己的生活经验去进行错误的思维的步步引导，层层推进法.对光电效应方程的教学要从物理图景和公式理解两个方面展开：（1）同一金属中的不同电子接受相同的光子能量从金属中逸出所需克服阻力做功不一定相同，比如金属表面上的电子直接从表面飞出所需克服电场力做功较少.（2）使电子脱离某种金属所做功的最小值对应图景电子恰能离开金属，初动能为零.所吸收光子能量全部用来克服原子核的吸引而做功.即h0=W,其中0即为这种金属的极限频率.（3）若入射光的频率0则对从金属中脱离做功最少的电子来说，它将剩余最多的动能.根据能量守恒观点，它的动能Ek=h-W.教学用具锌板、验电器、紫外线灯、毛皮、橡胶棒、白炽灯.课时安排1 课时教学过程一、引入新课通过前一章的学习我们已知道光具有波动性，光波就是电磁波.以惠更斯为代表的“光的波动说”一派似乎取得全胜，但出人意料的是，就在这时候，又发现了用波动说无法解释的新现象光电效应现象.对这一现象及其他相关问题的研究，使得量子物理飞速地发展起来.在这一章，我们将学习量子论初步.今天学习的内容是光电效应光子.（板书标题）二、新课教学（一）演示实验光电效应现象1.教师取出验电器、锌板、紫外线灯、毛皮、橡胶棒，并逐一给学生介绍.2.将验电器和锌板用导线连接，紫外线灯与电源连接.3.用毛皮摩擦橡胶棒.教师用毛皮摩擦过的橡胶棒带什么电？学生负电.4.将橡胶棒与验电器的金属球接触，指针张开.教师现在验电器和锌板带什么电？学生负电5.打开紫外线灯照射锌板，验电器指针张角变小.教师张角变小说明验电器带的负电比原来学生少了.教师这说明光照射锌板时使锌板失去了学生电子.6.归纳光电效应现象在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应现象，发射出来的电子叫光电子.（二）电子为什么能发射出来教师电子是受到带正电的原子核的束缚的，它怎么会跑出来了呢？物理学家们认为，这很好解释.因为光是电磁波，当光照射金属时，金属里的自由电子会由于变化着的电场的作用而振动.只要光足够强.电子的振动就会加剧到使它能挣脱原子核的束缚而逃出来.如果从能量的角度看，我们也可以认为是光把能量给了电子.电子只要获得足够多的能量就可以跑出来.（三）发现了极限频率教师按照上面的解释，无论什么光，只要足够强，或照射时间足够长，都应能从金属中发射电子.但奇怪的事情发生了.请看,我刚才做实验时是用紫外线灯照射锌板，现在我改用白炽灯来做实验，看看会发生什么结果呢？实验演示：白炽灯照射时，验电器指针张角无变化.教师研究发现，对各种金属都存在极限频率和极限波长，若入射光的频率低于极限频率，无论光多么强，照射时间多么长，都不会发生光电效应，反之若入射光的频率高于极限频率，即使光不强，也会发生光电效应.这一现象与波动理论发生了矛盾.引导学生看课本中几种金属的极限频率0和极限波长0.解释极限频率和极限波长极限频率0使某一金属发生光电效应的入射光最低频率极限波长0由c=得0=.（四）光电效应具有瞬时性引导学生看书本相关内容.（五）波动理论在此遇到的困难对极限频率的存在和光电子发射的瞬时性都无法解释（六）光子1.引导学生先看阅读材料热辐射和普朗克的量子说.2.教师进一步帮助学生体会微观世界中的量不连续的图景.a.类比：如图211甲、乙乙甲图211b.以前有没有接触过类似的只能是分立值的物理量？答：电量q=ne(n=1、2、3）e=1.610-19 Cc.量子能量子一份能量：E=hh=6.6310-34 Js普朗克常量：电磁波的频率3.光子a.在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子，其能量E=h(可以在这儿指出光波和电磁波的统一性）,为光的频率.b.爱因斯坦提出的光子概念截然不同于早期以牛顿为代表的光的微粒说.这里光子不再是小球那样的实物粒子.我们也叫它能量包.要注意体会.c.据E=h,每个光子的能量只决定于光的频率.频率一定，光的强度大，意味着光子数目多.（七）光子说对光电效应的解释1.金属中的电子对于光子的吸收十分迅速，若0.则电子几乎不需要时间就可以发射出来，这就是光电效应的瞬时性.2.若0，则电子吸收光子能量后不能发射且在与其他粒子相互作用中又迅速地消耗掉.几乎不需时间，所以电子能量不可能像波动理论所预测的那样，可以是2h、3h等的积累.这就是为什么存在极限频率的原因.注：一个电子一次只能吸收一个光子的能量.（八）光电效应方程1.逸出功W使电子脱离某种金属所做功的最小值.理解：a.需克服阻力做功最少b.脱离金属时的动能为零，即恰脱离c.W=h00为极限频率2.光电效应方程：光子频率0，同样吸收能量h的电子.所需做的功最小为逸出功的电子发射的动能最大为Ekm.据能量守恒原理：Ekm=h-W Ekm由、W决定（九）课堂巩固训练1.计算波长是0.1220 m的紫外线的光子的能量.2.用上题中紫外线照射逸出功是3.010-19 J的铯时，所发射的光电子的最大初动能是多少？3.某金属在一束黄光照射下，正好有电子逸出，在下述情况下，逸出电子的多少和电子的最大初动能会发生什么变化.(1)增大光的强度而不改变光的频率;(2)用一束强度更大的红光代替黄光;(3)用强度相同的紫光代替黄光.参考答案：1.1.63010-18 J 2.1.33010-18 J3.(1)逸出电子增多，最大初动能不变(2)不能产生光电效应(3)逸出电子数目变少，最大初动能增大三、小结1.注意体会光子的概念，光子与电子作用的特点.不能把光子想象成弹性小球.2.本节学习的重要规律和概念有：光电效应现象中极限频率的存在及光子说对其解释；波动理论和量子理论的分歧主要在能量连续变化和能量分立化上，在解释光电效应时量子化是成功的，因而确立了光的粒子性，即光具有波粒二象性；注意体会这样一些概念；光的强度、光子的能量、光电子的最大初动能、逸出功、极限频率.3.对爱因斯坦光电效应方程的理解要结合想象光电效应的物理图景.四、布置作业课本练习一（2）（4）（5）五、板书设计六、本节优化训练设计1.用光的电磁说不能解释的现象是A.光的干涉B.光的衍射C.光电效应D.光的色散2.让一束紫外线投射到与验电器相连的锌板上，下列说法中正确的有A.若原来不带电，其箔片将张开B.若原来带负电，其箔片将张得更开C.若原来带正电，其箔片将张得更开D.若原来带负电，其箔片先合拢再张开3.一束绿光照射某金属发生了光电效应.则下列说法中正确的是A.若增加绿光的照射强度，则单位时间内逸出的光电子数目不变B.若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子将具有更大的动能C.若改用紫光照射，则逸出的光电子将具有更大的最大初动能D.若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子数目一定增加4.一束光子能量为E的单色光.在某介质中的波长是，则此介质对该单色光的折射率是_，此单色光在该介质中的传播速度是_.5.如图212是光电管使用的原理图.光电管是一种能将光电信号相互转换的装置.其内部抽成真空或充有少量惰性气体，涂在内半壁的碱金属作为阴极K，当受到合适的光照射时会发生光电效应从而在电路中形成光电流.A为阳极,若用频率为0的可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过.则图212A.若用紫外线照射阴极K，电流表中一定有电流通过B.若用红外线照射阴极K，电流表中一定没有电流通过C.若用频率为0的可见光照射到阴极K上时，将滑动变阻器的滑动触头移到C端时，电流表中一定没有电流通过D.若用频率为0的可见光照射到阴极K上时，将滑动变阻器的滑动触头逐渐由图示位置移到B端时，电流表示数可能不变6.如图213所示是一种光电计数装置的原理图，被计数的制品放在传送带上，光源安装图213在传送带的一侧，光电计数装置在传送带的另一侧.每当传送带上有一制品通过时，计数齿轮过一齿，计数器自动地把制品数目记下来，试说明这种计数装置的工作原理.参考答案：1.C 2.ACD 3.C 4. 5.AD 6.略