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1、学习必备 欢迎下载 光电效应教材解读与教学设计 赵彦彬 教材分析：本节上半节光电效应及下半节康普顿效应和上节黑体辐射一样都是证明光的粒子性的经典实验。通过本节实验及分析，再现光的粒子性诞生的过程，并初步涉及量子物理学理论（光的粒子性建立的过程就是量子物理初步建立的过程）。本节内容复杂，需要教师帮学生理清知识结构，以使学生从宏观上把握教材内容。本节的知识网络如下：教学设计：1、从定性实验入手。让学生知道光电效应现象，知道光电子，知道锌板及验电器带正电。2、介绍电子逸出情景，介绍逸出功，让学生从能量角度认识光电效应。（此处介绍逸出功等，帮助学生建立感性认识，让学生从易于理解的能量角度认识问题，分散
2、了难点。）注意认识金属电子吸收光子的能量增加了自身动能，这些动能促使电子挣脱其他粒子的束缚，向外逃逸，逃逸时动能逐渐减少，减少的动能转化成势能。电子逃出金属面时的动能 Ek=Ek=E光-Ep。式子中Ek为电子逸出后和逸出前动能的差值，显然电子逸出前后都存在与温度相对应的热运动动能，这部分动能不需要在等式前后都加上，我们关心的是动能的增加量；E光是光子的能量，Ep是电子增加的势能。以上逃逸情景中，有一部分电子较为特殊：即表层电子的逃逸情况。容易知道，表层电子逃逸时消耗的动能最小，也即克服阻力做的功（对应转化成的势能）也最小。这个最小的功叫做这种金属的逸出功，此时对应的逸出动能最大。即 Ek=E光
3、-W0 需要注意的是，这里的Ek、W0都是很多电子的平均值。就某一个具体的电子来说比平均值大或小，所以若对某一个电子应该有Ek=E光E动-W0。式子中 E动为比平均值多或实验电路 实验器材 光电效应（定量实验）实验现象 传统理论解释 创新理论：光的粒子性 光电效应（定性实验）新的分析解释 实验电路 实验器材 实验原理 实验步骤 学习必备 欢迎下载 少的能量，这就是课本中提到的“若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功”的“原有的热运动能量”的含义。这个问题教学中可不主动涉及。3、定量实验电路介绍、实验步骤介绍。需要让学生注意认识分压电路、知道光电子向各个方向运动的都有、知道通过光电管的
4、电流大小由每秒到达阳极 A 的电子数目唯一决定（阴极 K 发射的电子不一定全部达到阳极A，所以阴极发射电子数目并不能完全决定光电流指通过光电管的电流）、加上正向电压可以使更多电子偏转并加速射向阳极 A。需要注意介绍光电管也是一个电源，即使没有正向电压，也有电子到达阳极 A。加上正向电压只是两个电源正向串联，所以电流更大。4、实验现象。（1）存在饱和电流。现象：电源正接时，光照条件不变时，随着电压增大，光电流逐渐增大，但最终趋向一个饱和值。增大入射光强度，饱和电流增大。（实验现象按课本叙述让学生阅读或根据实验情况去总结。）推论：在发生光电效应时，入射光越强，阴极上发射的光电子数目越多。解释：举例
5、子说明问题：假如黄光照射某金属，每秒打出 100 个能量不同、速度方向不同的电子（之所以能量不同是因为表层电子出来时具有最大初动能，稍靠里的消耗能量多，出来时的初始动能较小），所以分压电路提供的电压越大时，被加速、偏转加速并达到 A 板的电子数越多。但是，每秒达到板的电子最多只能达到 100 个，这时的电流叫做饱和电流。如果增强黄光亮度，则每秒打出的电子数增大，所以饱和电流会增大。（2）存在遏止电压。现象：滑动变阻器触头在最左端（分压为零）时，光电流不为零。或者将直流电源断开时光电流不为零。将电源反接，从零开始逐渐增加反向电压，光电流逐渐减小，当电压增大到某一值时光电流为零。此时的电压称为遏止
6、电压 Uc。推论：光电子具有一定的初始动能。解释：从金属板发出的光电子具有初动能，这些电子能直接到达阳极 A，甚至在有反向电场力阻碍情况下也能到达阳极 A，直到反向电压增大到一定值时才能被完全阻止，这就是遏止电压 Uc存在的原因。众多的电子初动能不尽相同，其中最大初动能 Ek=eUc。（3）存在截止频率（极限频率）。现象：对某种的金属进行光电效应实验，改变光的频率，当频率小于一定值将不会在黑体辐射一样都是证明光的粒子性的经典实验通过本节实验及分析再现光的粒子性诞生的过程并初步涉及量子物理学理论光的粒子性建立的过程就是量子物理初步建立的过程本节内容复杂需要教师帮学生理清知识结构以使学生从宏解释新
7、的分析解释创新理论光的粒子性实验原理实验步骤实验电路实验器材教学设计从定性实验入手让学生知道光电效应现象知道光电子知道锌板及验电器带正电介绍电子逸出情景介绍逸出功让学生从能量角度认识光电效应此处介能量增加了自身动能这些动能促使电子挣脱其他粒子的束缚向外逃逸逃逸时动能逐渐减少减少的动能转化成势能电子逃出金属面时的动能式子中为电子逸出后和逸出前动能的差值显然电子逸出前后都存光在与温度相对应的热运动动学习必备 欢迎下载 被打出光电子。这个频率叫该金属的截止频率，也叫极限频率，记为 c。换用不同的金属，截止频率也随之改变。高于截止频率时，无论光强大小，遏止电压都是相同的。推论：光电子的能量与入射光的频
8、率有关，与光的强弱无关。解释：传统观点无法解释。传统观点认为，光的能量与光强成正比，与频率无关。传统观点得出的结论是，只要光强足够大就能发生光电效应，不存在截止频率。（4）存在瞬时性。现象：光照的同时就有光电流产生，没有先后，没有时间的积累 推论：光的能量瞬时传递给了电子。解释：传统观点无法解释。传统观点得出的结论是，如果光强较小，需要一定的时间积累才能使电子获得足够的动能。5、爱因斯坦光的能量子理论解释光电效应光电效应方程 普朗克观点：黑体辐射中已经介绍过，电磁波在辐射和吸收时是一份一份的能量子。爱因斯坦观点：电磁波（包括光）本身就是一份一份的能量子组成，不仅仅是在辐射和吸收过程中。频率为
9、的光的能量子为 h.一束光含有很多个能量子，其总能量为 E=N h.光的频率 决定光的单个能量子大小，能量子个数 N 决定光强大小。这里能量子即能量单元，其数值为 h.能量单元值与频率成正比。也可称为：光的能量与频率正比。后来把能量子叫做一个光子。安因斯坦光电效应方程：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是 h，这些能量的一部分克服金属的逸出功 W0，剩下的表现为电子逸出后的初动能 Ek，即 Ek=h -W0 式子中 W0是克服阻力做功的最小值，所以 Ek是最大初动能，Ek=221mv。安因斯坦对光电效应的解释：（1）现象 1，和传统解释相当，只是把“光”换成“光子”，一个光子打出一个电子。由学
10、生直接解释。（2）现象 2，和传统解释相当，只是把“光”换成“光子”，一个光子打出一个电子。由学生直接解释。（3）现象 3：频率较小的光，光子能量较小，使电子获得的能量尚小于逸出功，所以存在截止频率。频率高于截止频率时，光强即使很小，但也有一定数目的光子打出电子，所以无论光线强弱，遏止电压相同，都满足cceeUvm221。（电子能量不会随时间积累，比黑体辐射一样都是证明光的粒子性的经典实验通过本节实验及分析再现光的粒子性诞生的过程并初步涉及量子物理学理论光的粒子性建立的过程就是量子物理初步建立的过程本节内容复杂需要教师帮学生理清知识结构以使学生从宏解释新的分析解释创新理论光的粒子性实验原理实验
11、步骤实验电路实验器材教学设计从定性实验入手让学生知道光电效应现象知道光电子知道锌板及验电器带正电介绍电子逸出情景介绍逸出功让学生从能量角度认识光电效应此处介能量增加了自身动能这些动能促使电子挣脱其他粒子的束缚向外逃逸逃逸时动能逐渐减少减少的动能转化成势能电子逃出金属面时的动能式子中为电子逸出后和逸出前动能的差值显然电子逸出前后都存光在与温度相对应的热运动动学习必备 欢迎下载 如多个光子连续作用，“合力”打出一个电子）（4）现象 4：光的能量是一次性地提供一个光子的能量，不需要积累，所以只要大于截止频率，无论光强弱，不需要时间积累就能直接打出电子。黑体辐射一样都是证明光的粒子性的经典实验通过本节实验及分析再现光的粒子性诞生的过程并初步涉及量子物理学理论光的粒子性建立的过程就是量子物理初步建立的过程本节内容复杂需要教师帮学生理清知识结构以使学生从宏解释新的分析解释创新理论光的粒子性实验原理实验步骤实验电路实验器材教学设计从定性实验入手让学生知道光电效应现象知道光电子知道锌板及验电器带正电介绍电子逸出情景介绍逸出功让学生从能量角度认识光电效应此处介能量增加了自身动能这些动能促使电子挣脱其他粒子的束缚向外逃逸逃逸时动能逐渐减少减少的动能转化成势能电子逃出金属面时的动能式子中为电子逸出后和逸出前动能的差值显然电子逸出前后都存光在与温度相对应的热运动动