学案9 光的粒子性(一)学生用

《光的粒子性》教学设计[学习目标]（一）知识与技能1 ．通过实验了解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。

3 ．了解康普顿效应，了解光子的动量（二）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。

（三）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。

★教学重点光电效应的实验规律★教学难点爱因斯坦光电效应方程以及意义★教学方法教师启发、引导，学生讨论、交流。

★教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备一、光电效应现象图1[导学探究] 如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上(弧光灯发射紫外线)．(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象为__________________________________________，说明___________________________________________________________ _____________．(2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为___________________________________________________________ _____________，___________________________________________________________ _____________.(3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象为________________________________________________________________________，说明___________________________________________________________ _____________．[知识梳理]1．光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子会因吸收光的能量而逸出金属表面，这种现象称为光电效应．2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．3．光电子：光电效应中发射出来的电子．其本质还是电子．4．光电效应能否发生与光强无关(填“有关”或“无关”)．二、光电效应的实验规律[导学探究] 如图2所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K用铯做成．电源加在K和A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调．(1)加在光电管两极间电压为零时，用紫光照射阴极，回路中有电流吗？改变入射光强度，光电流大小如何变化？(2)保持入射光的强度不变，更换滤色片以改变入射光频率，使光由紫光→蓝光→绿光→红光，会看到什么现象？这说明什么？[知识梳理]1．光电效应的四条实验规律(1)截止频率(也叫极限频率)的存在：入射光的频率必须大于ν0，才能发生光电效应，与入射光强度及照射时间无关．不同金属材料的截止频率不同．(2)当产生光电效应时，光电流大小随入射光强度的增大而增大．(3)光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，如图3所示．即光电子的最大初动能随着入射光频率的增加而增加，而与入射光强度无关．(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s.2．两个决定关系(1)入射光频率决定着能否发生光电效应和光电子的最大初动能；(2)入射光强度决定着单位时间内发射的光电子数．例1入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么( ) A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B．逸出的光电子的最大初动能将减小C ．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D ．有可能不发生光电效应针对训练1 (多选)如图所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过．其原因可能是( )A ．入射光太弱B ．入射光波长太长C ．光照时间太短D ．电源正、负极接反三、光量子概念的提出 光电效应方程[导学探究]1．光的波动说在解释光电效应现象时遇到了哪些困难？答案 按照光的波动说，当光照射到金属表面时，金属中的电子会从入射光中持续吸收能量，只要能量积累到一定量值电子就会从金属表面逃逸出来，根据波动说这个积累时间需要几分钟或更长时间，这显然不能解释光电效应的瞬时性．2．爱因斯坦光电效应方程h ν＝12mv 2＋W 中，h ν和W 指的是什么？怎样解释光电效应存在截止频率和光电子的最大初动能与入射光频率成线性关系？答案 (1)h ν指的是光子的能量，它与光的频率成正比，W 表示逸出功．(2)由光电效应方程可知12mv 2＝h ν－W ，即E k ＝h ν－W ，即E k 和入射光的频率成线性关系．(3)当E k ＝0时，金属表面不再有光电子逸出，即h ν0＝W ，ν0＝W h，ν0即为截止频率，从方程可知只有光的频率大于ν0，才能有光电子逸出，才能发生光电效应．[知识梳理]1．光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝h ν.其中h ＝6.63×10－34 J ·s ，称为普朗克常量．2．最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值．3．截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的极限频率．4．光电效应方程(1)表达式：h ν＝12mv 2＋W 或12mv 2＝h ν－W . (2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是h ν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W ，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能．(3)光电效应方程说明了产生光电效应的条件若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，即E k ＝h ν－W >0，亦即h ν>W ，ν>W h ＝ν0，而ν0＝W h恰好是光电效应的截止频率． 5．E k －ν曲线如图4所示是光电子最大初动能E k 随入射光频率ν的变化曲线．这里，横轴上的截距是截止频率(或极限频率)；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量．图46．光电效应方程实质上是能量守恒方程．(1)能量为ε＝hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．(2)如果克服吸引力做功最少为W，则电子离开金属表面时动能最大为E k，根据能量守恒定律可知：E k＝hν－W.例2在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为______．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.例3如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( )A．1.9 eV B．0.6 eV C．2.5 eV D．3.1 eV针对训练2 (多选)一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列说法中正确的是( )A．只增大入射光的频率，金属逸出功将减小B．只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将不变C．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大D．只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间将缩短课堂小结：1．光电效应规律中的两条线索、两个关系：(1)两条线索：(2)两个关系：光强增大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．2．光电效应的瞬时性：当光照射到金属上时，光子的全部能量将立刻被金属中的电子所吸收，不需要积累能量的时间．3．遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U 0，即eU 0＝E k ＝12mv 2. 作业：《光的粒子性》练习题《光的波动性》学情分析：学生对光的波动性还没有学习，这样就增加了对这节内容学习的难度，只有采用在学习本节内容之前让学生先学习一些有关光的波动性的知识，即经典的电磁理论知识。

（板书）爱因斯坦光电效应方程：
（其中Ek为电子从金属表面逸出的最大初动能，hν为一个光子的能量，W0为逸出功，与频率的关系是 ）
（1）内容：
光不仅在发射和吸收时以能量为hν的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为ν的光是由大量能量为E =hν的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。
②电子只要吸收一个光பைடு நூலகம்就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。
③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系
④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
课堂总结
板书设计
作业设计
1、课本P36问题与练习第1、2、3、4题。
爱因斯坦一辈子很少做实验，他是一个伟大的物理学家，但他非常尊重实验事实，当理论与实验事实相矛盾时他倾向实验，为了解释光电效应实验规律，他接受并发展可普朗克都惶惑的能量子观点，提出光子说提出光子说，从而成功地解释了光电效应规律。
（板书）光子：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光子能量为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子叫做光子。
启发猜想：改用其他的光（比如红光）来照射会不会照射出电子？或用其他的材料做实验会不会照射出电子？
学生根据已有的知识，猜想一定会发生与刚才相同的现象，然而这是做实验却没有电子跑出来。激起学生的认知冲突，学生急于想弄懂：为什么用紫光能照射出电子而用红光就不能照射出电子呢？
1、光电效应的实验规律
我们刚才做的实验是科学史上一个非常重要的实验，这个实验的焦点在于“为什么用红光照射锌板打不出电子”，科学家将实验装置进行了改进，得到了很多出人意料的规律，下面我们一起来学习：

《光的粒子性》教学案课标要求了解光电效应，分析光电效应方程 课型 新授学习目标1.了解光电效应及其实验规律，以及光电效应与电磁理论的矛盾.2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用.3.了解康普顿效应及其意义，了解光子的动量．学习重点 1、光电效应及其实验规律 2、爱因斯坦光电效应方程及应用 学习难点爱因斯坦光电效应方程及应用学 习 过 程【合作探究】分析问题情境，提炼核心问题 任务一、光电效应现象及其实验规律 活动: 观察实验，交流思考： (1)在甲图中发现，利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？(2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？(3)在乙图中若加反向电压，当光强增大时，遏止电压不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？(4)光电效应实验表明，发射电子的能量与入射光的强度无关，而与光的频率有关，试用光子说分析原因． 【交流总结】1．光电效2．光电效应中的光包括不可见光和可见光．3．光电子：光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子． 4．能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关． 5．保持入射光频率不变，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多． 6．光的强度与饱和光电流：饱和光电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关．且饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的．对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间不是简单的正比关系．【例1】现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是( )A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生【针对性训练1】如图所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过．其原因可能是( )A．入射光太弱 B．入射光波长太长C．光照时间太短 D．电源正、负极接反任务二、光电效应方程的理解和应用【导学探究】用如图所示的装置研究光电效应现象．用光子能量为2.75 eV 的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑动触头，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为0.(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？(2)光电管阴极的逸出功又是多少？(3)当滑动触头向a端滑动时，光电流变大还是变小？(4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？【深化】光电效应方程E k＝hν－W0的四点理解（1）式中的E k是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～E k范围内的任何数值．(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程．①能量为ε＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能．②如要克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为E k，根据能量守恒定律可知：E k＝hν－W0.(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件．若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即E k＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>W0h＝νc，而νc＝W0h恰好是光电效应的截止频率．【例2】在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为U a和U b，光电子的最大初动能分别为E k a和E k b.h为普朗克常量．下列说法正确的是（）A．若νa＞νb，则一定有U a＜U bB．若νa＞νb，则一定有E k a＞E k bC．若U a＜U b，则一定有E k a＜E k bD．若νa＞νb，则一定有hνa－E k a＞hνb－E k b【例3】如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零．当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零．由此可知阴极材料的逸出功为( )A．1.9 eV B．0.6 eV C．2.5 eV D．3.1 eV【例4】在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出()A．甲光的频率大于乙光的频率B．乙光的波长大于丙光的波长C．乙光的频率大于丙光的频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能【例5】在某次光电效应实验中，得到的遏止电压U c与入射光的频率ν的关系如图7所示．若该直线的斜率和纵截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出功可表示为________．【巩固训练】A组1、如图所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( )A．用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B．用红光照射锌板，验电器指针一定会发生偏转C．锌板带的是负电荷D．使验电器指针发生偏转的是正电荷2、利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则( )A．用紫外线照射，电流表不一定有电流通过B．用红光照射，电流表一定无电流通过C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变3、如图所示是光电效应中光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系图象．从图中可知( )A．E k与ν成正比B．E k与入射光强度成正比C．对同一种金属而言，E k仅与ν有关D．入射光频率必须小于极限频率νc时，才能产生光电效应4、在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为．已知电子电荷量的绝对值、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.B组5、物理学家密立根利用图甲所示的电路研究金属的遏止电压U c与入射光频率ν的关系，描绘出图乙中的图象，由此算出普朗克常量h，电子电荷量的绝对值用e表示，下列说法正确的是：A．入射光频率增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片P向M端移动B．增大入射光的强度，光电子的最大初动能也增大C．由U c－ν图象可知，这种金属截止频率为νcD．由U c－ν图象可得普朗克常量的表达式为h＝U1eν1－νc6、在某次光电效应实验中，得到的遏止电压U c与入射光的频率ν的关系如图所示，若该直线的斜率和纵截距分别为k和－b，电子电荷量的绝对值为e，则( )A．普朗克常量可表示为k eB．若更换材料再实验，得到的图线的k不改变，b改变C．所用材料的逸出功可表示为ebD．b由入射光决定，与所用材料无关【课堂总结】。

光的粒子性与波动性高中一年级物理科目教案引言：在物理世界中，光既具有粒子性又具有波动性，这是一个令人着迷的现象。

本教案将通过精心准备的教学活动，帮助学生深入理解光的粒子性和波动性，并通过实际实验来巩固他们的学习。

活动一：探索光的粒子性目标：通过研究光子的特性，了解光的粒子性。

1. 展示实验：使用光电效应装置- 准备一台带有光电效应装置的演示仪器。

- 启动仪器并将金属板暴露在光源下。

- 观察光源照射到金属板上时，电流是否开始流动。

- 如果电流流动，讨论是什么原因导致的。

2. 学生实验：自行搭建光电效应实验- 学生分组，每组准备一套光电效应实验装置。

- 学生依照指导书上的步骤搭建实验。

- 启动装置并观察实验结果。

- 学生小组讨论实验结果，并展示他们的观察。

3. 小组讨论与总结- 学生对实验结果进行小组讨论。

- 引导学生思考为什么金属板暴露在光下会产生电流。

- 结合实验结果，解释光的粒子性。

活动二：探索光的波动性目标：通过研究光的干涉与衍射现象，了解光的波动性。

1. 展示实验：干涉与衍射- 准备一台干涉与衍射实验装置。

- 启动仪器并观察干涉与衍射现象。

- 引导学生探究这些现象背后的原理。

2. 学生实验：自行搭建干涉与衍射实验- 学生分组，每组准备一套干涉与衍射实验装置。

- 学生依照指导书上的步骤搭建实验。

- 启动装置并观察实验结果。

- 学生小组讨论实验结果，并展示他们的观察。

3. 小组讨论与总结- 学生对实验结果进行小组讨论。

- 引导学生思考干涉与衍射现象的原理。

- 结合实验结果，解释光的波动性。

活动三：粒子性与波动性的结合目标：通过深入讨论与实验，使学生更好地理解光既具有粒子性又具有波动性。

1. 小组讨论：粒子性与波动性的共存- 学生根据之前的实验结果和知识，分组讨论光既具有粒子性又具有波动性的现象。

- 每组精心准备一份讨论总结，并向全班展示。

2. 教师讲解：光的量子理论- 教师讲解光的粒子性和波动性的结合，引用光的量子理论的概念。