3　粒子的波动性教学设计及教案分析

授课章节

教材版本

任课教师

选修3-5 17.2 光的粒子性（第一课时）

人教版

任德鑫

年级学科

教学方法

教材分析

高二物理

多媒体+探究式

本节知识由光电效应的实验规律、光电效应解释中的疑难、爱因斯坦的光电效应方程、康普顿效应和光子的动量五部分组成，内容较多，难度较大，教材把这些内容放在一节里，是希望通过这一节的学习能让学生对光子有一个全面的认识。

本节知识也是本章的重点内容。光电效应和康普顿效应是认识光的粒子性的重要依据，爱因斯坦用量子思想对光电效应的解释是科学转折的重大信号，更多的科学家开始关注普朗克提出的量子观点，并开创了新的局面。

光电效应实验是本节的“根”，要创造条件做好实验。

教学目标

知识与技能：

1、通过实验掌握光电效应的实验规律；

2、知道爱因斯坦光电效应方程以及意义，并能用爱因斯坦光电效应方程解决一些简单问题。

过程与方法：

经历科学探究过程，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。

情感态度与价值观：

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。

教学重点及难点

重点：

1、光电效应的实验规律的理解

2、爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验现象的解释

难点：

1、分析光电效应实验现象的成因

2、

爱因斯坦光电效应方程以及意义

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教学策略选择与设计

本节选用实验探究+多媒体+老师学生互动课

开始

呈现与光的波动性相关的实验并引出为什么要学习光的粒子性

光的波动性

回忆和识记相关的概念

光电效应的实验规律

修正完善而且自洽的波动理论和电磁理论困难重重，各种现象呼唤新的理论

光电效应解释中的疑难

爱因斯坦的光电效应

方程及其意义

理解光电效应解释中的疑难并思考解决的办法

课堂总结交流

结束

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教学过程

教师活动

对话内容

知识回顾和新课预习

复习

知识点一

黑体与黑体辐射 1.热辐射

(1)定义：我们周围的一切物体都在辐射_电磁波_，这种辐射与物体的__温度 _有关，所以叫热辐射。

(2)特征：热辐射强度按波长的分布情况随物体的_温度_而有所不同。

2．黑体

(1)定义：如果某种物体在任何温度下能够完全吸收入射的_各种波长的电磁波_而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。

(2)黑体辐射的特征：黑体辐射电磁波的强度按波长的分教师引导布只与黑体的_温度_有关。

学生跟着教3．黑体辐射的实验规律

学生回顾师的引导理已学过的解和整理相知识，并关的概念和检查学生规律。

的预习情黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的

温

度

有关，如图所示。

况。

(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都__增加_；

(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长_较短_的

方向移动。

知识点二

能量子

1.定义

普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε

的_整数倍_，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这

个最小能量值为单位_一份一份_地辐射或吸收的，这个

不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

2．能量子大小

ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为_普朗克_常量，

－34－34h＝6.626×10J·s(一般取h＝6.63×10J·s)。

3．能量的量子化

在微观世界中能量是_量子化_的，或者说微观粒子的能

量是_分立_的。

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预设学生活动

教师引导学生回顾已学过的知识，并检查学生的预习情况。

预习

知识点三 光电效应

1.光电效应

照射到金属表面的光，能使金属中的_电子

从表面逸出的现象。

2．光电子

光电效应中发射出来的__电子_。

3．光电效应的实验规律

(1)存在着饱和光电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，_饱和_电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的_光电子数_越多。

(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的最大初动能与入射光的_频率_有关，而与入射光的_强弱_无关，当入射光的频率低于_截止频率_时不能发生光电效应。

(3)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是_瞬时_发生的，从光照射到产生光电流的时间不超过_10－9_s。

知识点四

爱因斯坦的光电效应方程 1.光子

光不仅在发射和吸收时能量是_一份一份_的，而且光本身就是由一个个不可分割的_能量子_组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量。这些能量子后来被称为光子。

2．爱因斯坦光电效应方程

在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是_hν_，这些能量的一

部分用来克服金属的_逸出功_W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即

hν＝_

_或Ek＝_

_

学生跟着教师的引导理解和整理相关的概念和规率。

新科推进

教师讲解1.

光的波动性

跟着老师的讲解了解对光的认知过程。

光是电磁波

理论证明：麦克斯韦的经典电磁场理论

实验验证：赫兹的电火花实验，发现电磁波的速度和光光的发展速相同。

其它实验证据：

的物理学1、光的干涉：托马斯·杨 2、光的衍射：菲涅尔

史，激发3、光的偏振：马吕斯

学生的兴2.光电效应的实验规律

趣

2.1.光电效应现象

光电效应：当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。光

电子定向移动形成的电流叫光电流。

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新科推进

教师给学生分步演示光电效应实验的现象，并引导学生归纳总结光电效应实验的规律。

2.2.光电效应的实验存在的规律

2.2.1存在饱和电流

当A接正极，K接负极时，控制入射光的强度一定，

使UAK从0开始增大，观察到电流表的示数一开始增大，到某一数值后就不再增大。这个最大电流就叫做饱和电根据老师的流

。

引导自己总对存在饱和电流的解释：

K板逸出的电子向各个方向运动，如果不加电压，很结光电效应多电子无法到达A板，无法形成较大电流。加上电压后，越来越多的电子到达A板，电流越来越大。但是，如果实验的规所有电子都达到了A板，继续增大电压，就无法再增大电流。

律。

结论：入射光越强，单位时间内发射的光电子就越多

2.2.2存在遏止电压Uc

（反向截止电压）

当A接负极，K接正极时，控制入射光的强度一定，使UKA从0开始增大，观察到电流表的示数逐渐减小到0。

电流刚减小到0时对应的UKA叫做遏止电压Uc。

对存在遏止电压的解释：

加上反向电压后，电子受到的电场力方向与运动方向相反，电子减速。如果反向电压足够大，电子将无法

达到A板。临界的电压值即为遏止电压Uc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限vc

应该满足以下关系

其中，vc是所有光电子的最大初速度，

是光电

子的最大初动能。

结论：光电子的能量只与入射光的频率有关。

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新科推进

教师讲解用光的波动理论能够解释的光电实验2.2.3．存在截止频率νc

（极限频率）

当入射光的频率减小到某一数值νc时，无论光的强度多大，加上怎样的电压，都不会有光电流,这个临界频率叫做截止频率

。

结论：入射光的频率低于截止频率时就不发生光电效应，不同金属的截止频率不同。

2.2.4.光电效应的瞬时性

当入射光的频率超过截止频率时，无论光如何微弱，几乎在瞬间就会产生光电流。时间间隔不超过10-9s。

学生根据教师的讲解思考光电效应与光的电磁理论的矛盾。

3.光电效应解释中的疑难

3.1逸出功

电子从金属中逃逸，需要克服阻力做功。使电子脱离金属所要做的最小的功，叫做金属的逸出功。

3.2.光的波动理论能解释的现象

（1）当光照射金属表面时，电子吸收能量。若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子就从表面逸出，这就是光电子。

（2）光越强，逸出的电子就越多，光电流也就越大。

3.3. 光电效应与光的电磁理论的矛盾

的现象及光电效应的疑难。并引出需要新的理论。

矛盾3 光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长

矛盾2 矛盾1 波动理论

按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应

光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大。即出射电子的动能应该由入射光的能量即光强来决定

光电效应实验结果

如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都没有光电效应

遏止电压与光强无关，与频率有关

当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎在一开始就产生了光电子

4.爱因斯坦的光电效应方程

4.1光子的概念

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新科推进

教师讲解光量子假说和爱因斯坦光电效应方程并用引导学生爱因斯坦的观点解释光电效应现光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为

ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。

4.2爱因斯坦光电效应方程

一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动学生跟着教能Ek，即：

或者：

其中：

是电子的最大初动能。

师的思路理解爱因斯坦的观点并根据教师的引导怎么用光量子观点解释光纤效应实验的现象。

了解物理学史，培养学习兴趣。

是金属的逸出功

4.3光子说对光电效应的解释

4.4光电效应理论的验证

美国物理学家密立根，花了十年时间做了“光电效象。

应”实验，结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程，h 的值与理论值完全一致，又一次证明了“光量子”理

论的正确。

展示演示文稿资料：爱因斯坦和密立根

由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。

展示爱因密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔斯坦和密物理学奖。

立根。

知识巩固

例题1：美国物理学家密立根以精湛的技术测量光电效应

中的几个重要物理量．其中之一是通过测量金属的遏止电压UC与入射光频率

，由此计算普朗克常量h，他由此

计算结果与普朗克根据黑体辐射得到的h相比较，以检验爱因斯坦方程式的正确性．实验结果是，在0.5%的误第

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差范围内两者是一致的．下表是某次实验中得到的某金

属的和的几组数据．

利用光电

UC/V 0.541 0.637 0.714 0.809 0.878 效应方程

/1014

5.644 5.888 6.098 6.303 6.501

引导学生分析和解（1）

作出UC与

的关系图象

（2）这种金属的截止频率是多少；普朗克常量是多少．

决问题，分析：根据光电效应方程得出遏止电压与入射光频率的关系，通过图线的斜率求出普朗克常量．遏止电压为零并通过对时，入射光的频率等于截止频率。

解答：（1）根据表格中的数据作出UC与

的关系图象，如实验算出图所示．

自己思考

，列出相关的关系，学会用理论解决

的普朗克知识巩固

常量与真实值比

较

，验证（2）根据光电效应方程得，

问题。

又

爱因斯坦 解得

观点的正 知图线的斜率

确性。

得h=6.30

当Uc=0，v=vc=4.27×1014Hz

爱因斯坦的奇迹年

所谓“奇迹年”

本来是形容牛顿在1666年的贡献。那一年，牛顿回到乡下老家躲避瘟疫，结果，在这段日子里，他单枪匹马发明了微积分，完成了光分解的实验分析，据说还因为看到一个苹果从树上落地，从而获得启发，对万有引力定律进行了开创性思考。换句话说，短短的一年时间，牛顿就为数学、光学和力学三大学科奠定了最重要的基础。任何人只要毕生之年完成三样中的一样，就足以厕身历史上最伟大的科学家之列。这样的壮举，确实令人瞠目结舌，可以说是前无古人，甚至在相当长的一段时间里，人们都以为不会再有来者了。

然而，爱因斯坦在1905年横空出世，极为戏剧性地打破了这种想法。那一年，还是专利局小职员的他连续发表了六篇论文，彻底地改变了现代物理学的面貌——

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知识拓展

给学生讲解爱因斯坦的故事，激发学生的科学兴趣。

了解一点科学史和爱因斯坦的伟大。

知识拓展

3月18日，《关于光的产生与转化的一个试探性观点》；

4月30日，《分子大小的新测定法》；

5月11日，《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》；

6月30日，《论运动物体的电动力学》；

9月27日，《物体的惯性同它所含的能量有关吗》；

12月19日，《关于布朗运动的理论》。

这六篇论文，构成了1905这个奇迹年的全部，在科学史上可谓鼎鼎有名、如雷贯耳，甚至还有个专门的说法叫做“奇迹年论文”

这恰如：英国诗人蒲柏写道：自然和自然规律隐藏在黑暗中，上帝说：让牛顿去吧，

于是一切遂成光明。后人续写道:但过了不久，魔鬼说：让爱因斯坦去吧，于是一切又回到黑暗中。

根据前面所讲的内1、

光的波动性

光电效应的实验规律

光电效应解释中的疑难

爱因斯坦的光电效应方程

跟着教师的思路构建自己的认知

课堂总结

容给学生2、

建立知识3、

之间的联4、

系。

1、根据今天所学的知识构建认知体系；

课后2、思考课后问题与练1、2、3题；

作业

3、在作业本上完成课后问题与练习第4题。

板书设计

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教后

反思

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