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光電效應(yīng)光子教學(xué)設(shè)計(jì)
“光電效應(yīng)光子”教學(xué)設(shè)計(jì) 浙江寧波效實(shí)中學(xué) 楊繼林 沈晨
【教材】全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書·物理第三冊(cè)(必修加選修)第二十二章第一節(jié)。
【教學(xué)時(shí)間】一課時(shí)。
【教學(xué)目標(biāo)】
1.知識(shí)與技能
●了解并識(shí)別光電效應(yīng)現(xiàn)象。
●能表述光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律。
●了解光子的概念,會(huì)用光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律。
●理解光電效應(yīng)方程。
●粗略了解光電效應(yīng)研究史實(shí)。
2.過(guò)程與方法
●觀察赫茲實(shí)驗(yàn)中的放電現(xiàn)象,體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。
●經(jīng)歷“探究光電效應(yīng)規(guī)律”的過(guò)程,獲得探究活動(dòng)的體驗(yàn)。
●嘗試發(fā)現(xiàn)波動(dòng)理論面對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律遇到的困難。
●領(lǐng)略“觀察、實(shí)驗(yàn)──提出假說(shuō)──實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證──新的假說(shuō)……”的物理學(xué)研究方法。
3.情感態(tài)度與價(jià)值觀
●體驗(yàn)探究自然規(guī)律的艱辛與喜悅。
●陶冶崇尚科學(xué)、仰慕科學(xué)家,欣賞物理學(xué)的奇妙與和諧的情愫。
●學(xué)習(xí)科學(xué)家敢于堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神,培養(yǎng)判斷有關(guān)信息是否科學(xué)的意識(shí)。
【教學(xué)用具】
1.實(shí)驗(yàn)裝置 赫茲實(shí)驗(yàn)裝置;光電效應(yīng)現(xiàn)象演示裝置。
2.多媒體課件;資料文字;赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意動(dòng)畫;研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意動(dòng)畫;光電效應(yīng)的波動(dòng)說(shuō)描述與光子說(shuō)描述動(dòng)畫;密立根證實(shí)光電方程實(shí)驗(yàn)示意動(dòng)畫;普朗克、愛(ài)因斯坦、密立根資料圖片動(dòng)畫;
【設(shè)計(jì)理念】本課教材蘊(yùn)含著十分豐富的教學(xué)內(nèi)容:在知識(shí)方面,本課作為后牛頓物理兩大支柱之一──量子理論的入門,涉及量子物理最基礎(chǔ)的內(nèi)容,同時(shí),還有著厚重的物理學(xué)科文化積淀,有物理學(xué)史、科學(xué)方法、辯證唯物主義思想、創(chuàng)新意識(shí)等人文精神教育的題材。教材在知識(shí)陳述上較為淺顯直接,而關(guān)于這些知識(shí)的“背景”,則是相當(dāng)豐滿、承賦人文,為實(shí)施“科學(xué)的人文教育價(jià)值”提供了很大的空間�；诮滩奶攸c(diǎn),本教案設(shè)計(jì)“以人為本”,突出從赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng),勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律,愛(ài)因斯坦提出光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)規(guī)律,到密立根實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光電效應(yīng)方程,物理學(xué)家們上下求索三十年的歷程,在讓學(xué)生學(xué)到量子論基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能、發(fā)展微觀思維方法的同時(shí),獲得物理課程文化的浸潤(rùn)與陶冶,體現(xiàn)物理教育在個(gè)性品質(zhì)、好奇求知、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)美及責(zé)任心等方面的價(jià)值導(dǎo)向。
本課總體設(shè)計(jì)思想是:課堂教學(xué)以光電效應(yīng)三十年精彩歷程為線索,通過(guò)充分展示圍繞“光電效應(yīng)”所發(fā)生的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、研究規(guī)律、提出假說(shuō)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這樣一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程,在科學(xué)過(guò)程展示中推出學(xué)科知識(shí),滲透科學(xué)思想方法,借助多媒體課件播放、實(shí)驗(yàn)裝置重現(xiàn)現(xiàn)象及教師解說(shuō),著力于撼動(dòng)青年學(xué)生崇尚科學(xué)的情感,弘揚(yáng)深厚的物理課程文化。
【教學(xué)過(guò)程】全課以下列四個(gè)標(biāo)題作引導(dǎo),按歷史的發(fā)展順序展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)。
(動(dòng)畫顯示課題后,教師引入主題)
引入 本課要學(xué)習(xí)的光電效應(yīng),在量子理論的發(fā)展中有著特殊的意義。人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí),到麥克斯韋提出光是一種電磁波,光的波動(dòng)說(shuō)似乎已完美無(wú)缺了。然而,就是在證實(shí)電磁波存在的過(guò)程中,人們發(fā)現(xiàn)了光具有粒子性的重大事實(shí),這就是光電效應(yīng)現(xiàn)象。光電效應(yīng)及其規(guī)律的研究,使人類對(duì)物質(zhì)世界的觀念發(fā)生了變革:大自然在微觀層次上是不連續(xù)的,即“量子化”的,而不是牛頓物理假設(shè)的在一切層次上都是連續(xù)的!光電效應(yīng)最先由赫茲發(fā)現(xiàn),他的學(xué)生勒納德對(duì)光電效應(yīng)的研究卓有成效并獲1905年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),愛(ài)因斯坦提出光子論從理論上成功解決了光電效應(yīng)面臨的難題并因此獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),美國(guó)物理學(xué)家密立根通過(guò)精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛(ài)因斯坦的理論,并獲1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)的科學(xué)之光經(jīng)眾多物理學(xué)家前赴后繼,三十年努力求索,在物理學(xué)史上成為絢麗奪目的篇章。讓我們翻開(kāi)這炫目的一頁(yè),沐浴科學(xué)的陽(yáng)光吧!
(屏幕切換顯示四個(gè)標(biāo)題)
一、赫茲意外發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)
介紹赫茲實(shí)驗(yàn) 動(dòng)畫顯示赫茲實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。1885年,赫茲用如圖1所示的裝置來(lái)證實(shí)電磁波的存在:電磁波發(fā)生器是在兩根銅棒上各焊接一個(gè)磨光的黃銅球,另一端各連接一塊正方形鋅板,它們共軸放置,兩球間留有一空隙,它們相當(dāng)于一個(gè)電容器,與感應(yīng)圈連接,構(gòu)成了LC電路,感應(yīng)圈使兩黃銅球聚集大量電荷,從而在空隙間產(chǎn)生電火花,形成高頻振蕩電流,輻射高頻電磁波。與這個(gè)回路相距一定距離有電磁波接收器,是用一根粗銅導(dǎo)線彎成一開(kāi)口的圓環(huán),開(kāi)口端各焊一黃銅球,之間有可作微調(diào)的空隙,這個(gè)接收器實(shí)際上也是一個(gè)LC電路。調(diào)節(jié)間隙改變接收電路的固有頻率可與發(fā)射過(guò)來(lái)的電磁波產(chǎn)生共振,從而在接收器的空隙間觀察到電火花。
演示赫茲電火花實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示(實(shí)景數(shù)碼照片)
介紹赫茲的發(fā)現(xiàn)并演示 利用電火花實(shí)驗(yàn)裝置,赫茲測(cè)量了電磁波速、進(jìn)行了研究電磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各種波現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn),大量反復(fù)地實(shí)驗(yàn)不但證實(shí)了麥克斯韋電磁波理論,同時(shí)意外地發(fā)現(xiàn)了表明光具有粒子性的一個(gè)重要現(xiàn)象:當(dāng)發(fā)射器間隙的火光被阻隔時(shí),原來(lái)接收間隙的火花變暗(如圖3所示),而用其他任何火花的光照射到接收器銅球,也能促使間隙發(fā)生電火花,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象中直接起作用的是火光中的紫外線,當(dāng)火花的光照到間隙的負(fù)極時(shí),作用最強(qiáng),這種情況下接收器間隙發(fā)生的電火花實(shí)際上是紫外線的照射使一極銅球上飛出電子到另一極銅球所形成,赫茲稱之為“紫外光對(duì)放電現(xiàn)象的效應(yīng)”,也就是光電效應(yīng)。
演示光電效應(yīng)現(xiàn)象 動(dòng)畫顯示光電效應(yīng)演示儀原理如圖4所示,課堂演示,引導(dǎo)學(xué)生觀察在紫外線照射下,電流計(jì)指示電路中出現(xiàn)了電流。
歸納什么是光電效應(yīng)
(文字顯示)
在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象,叫做光電效應(yīng),發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。
二、勒納德研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的規(guī)律
引入 赫茲的發(fā)現(xiàn)吸引了許多人去深入研究光電
[1] [2] 下一頁(yè)
效應(yīng)成因與規(guī)律,其中德國(guó)物理學(xué)家、赫茲的助手勒納德的研究卓有成效。對(duì)光電效應(yīng)的研究方向就是弄清其發(fā)生的條件。
介紹勒納德實(shí)驗(yàn)研究原理 動(dòng)畫顯示勒納德研究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。當(dāng)入射光照射到光潔的金屬陰極K表面,就有光電子發(fā)射出來(lái),若有光電子到達(dá)陽(yáng)極A,電路中就有電流,所以可通過(guò)電流計(jì)了解用各種光照射陰極K以及對(duì)兩極加不同電壓時(shí)的光電流,從中摸索規(guī)律。
介紹勒納德實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果 勒納德通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出光電效應(yīng)現(xiàn)象的重要規(guī)律:
(文字顯示)
1.對(duì)各種金屬都存在著極限頻率和極限波長(zhǎng),低于極限頻率的任何入射光強(qiáng)度再大、照射時(shí)間再長(zhǎng)都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。
2.光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),只隨入射光頻率的增大而增大。
3.只要入射光頻率高于金屬的極限頻率,照到金屬表面時(shí)光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的,不超過(guò)10-9s。
4.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。
光電效應(yīng)規(guī)律性的演示 用如圖4所示的光電效應(yīng)演示儀演示(1)用紅光、藍(lán)光照射鋅板時(shí),不會(huì)產(chǎn)生光電流;(2)用玻璃隔斷紫外線時(shí),光電流消失;(3)光電流達(dá)到飽和后,改變電壓,光電流不變,改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)度,光電流增大。
設(shè)問(wèn) 1.用光的電磁波理論如何解釋光電效應(yīng)的發(fā)生?
2.波動(dòng)理論可以解釋光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)的規(guī)律嗎?
討論與總結(jié) 請(qǐng)全班同學(xué)議論,由學(xué)生嘗試定性解釋光電效應(yīng)后,教師概括輔以如圖6所示動(dòng)畫顯示:光到達(dá)金屬表面時(shí),連續(xù)的電磁波能量分布在其表面,振動(dòng)的電磁場(chǎng)不斷地“搖晃”金屬表面的電子,一些結(jié)合最松散的電子被搖下來(lái)。
由學(xué)生提出現(xiàn)有理論與觀察事實(shí)的矛盾后,教師整理為兩大困難,并以文字顯示。
矛盾
波動(dòng)理論解釋
實(shí)驗(yàn)事實(shí)
之一
之二
到達(dá)金屬表面的光能量連續(xù)地分布,對(duì)某個(gè)電子只能吸收其中很少一部分,應(yīng)有一段時(shí)間積累到足夠的能量方能從金屬表面掙脫。
光波的振幅表征光能量大小,強(qiáng)光對(duì)金屬作用足夠長(zhǎng)時(shí)間,有足夠能量應(yīng)該可以使電子從金屬表面掙脫。
光電效應(yīng)是否產(chǎn)生存在極限頻率(波長(zhǎng))而與光強(qiáng)無(wú)關(guān),光電子最大初動(dòng)能也只與入射光頻率成正相關(guān)。
若能發(fā)生光電效應(yīng),即使光很弱,也是瞬間發(fā)生的
三、愛(ài)因斯坦提出光子論圓滿解釋
引入 觀察與理論的互動(dòng)就是科學(xué),觀察是科學(xué)進(jìn)程的開(kāi)端,觀察激發(fā)思考導(dǎo)致理論以解釋觀察結(jié)果,而理論又在新的觀察中受到檢驗(yàn)、引發(fā)新的理論,對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行解釋或統(tǒng)一。
原來(lái)的電磁波理論與光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不相符合,促使人們改變認(rèn)識(shí),構(gòu)建新的思想框架來(lái)解釋觀察結(jié)果。1905年,愛(ài)因斯坦用突破性的量子化思想對(duì)光電效應(yīng)做出了現(xiàn)在為科學(xué)界普遍接受的解釋。
介紹愛(ài)因斯坦光量子假說(shuō)教師介紹普朗克對(duì)電磁波輻射所作的量子化假設(shè):振動(dòng)物體的能量只能取特定的一組允許值。這種思想在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們多少注意,但愛(ài)因斯坦敏銳地捕捉了這一思想閃光,并徹底貫穿到光的輻射與吸收問(wèn)題中。
教師介紹光子說(shuō),并顯示文字內(nèi)容:
在空間傳播的光(的能量)不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫做一個(gè)光量子,簡(jiǎn)稱光子,一份光子的能量E=hv。
用光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律作解釋 用如圖7所示動(dòng)畫輔助描述光子說(shuō)下的光電效應(yīng):光子像下雨一樣落在金屬表面上,打出電子,就像機(jī)槍子彈從混凝土墻上打下混凝土塊一樣。
解釋極限頻率的存在;
解釋光電效應(yīng)的瞬時(shí)性;
給出逸出功概念,用光電效應(yīng)方程(屏幕展示)解釋光電子最大初動(dòng)能只與入射光頻率正相關(guān);
解釋光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。
小結(jié) 在愛(ài)因斯坦提出光子模型后,用來(lái)解釋光電效應(yīng)變得出奇地簡(jiǎn)單明了,今天,我們中學(xué)生運(yùn)用光電方程計(jì)算光電效應(yīng)已不是什么難題,但在上個(gè)世紀(jì)初,科學(xué)家對(duì)量子化的物理卻極不適應(yīng),愛(ài)因斯坦的獨(dú)創(chuàng)性、物理洞察力和對(duì)簡(jiǎn)潔解釋的追求使他在忙碌的1905年發(fā)表了相對(duì)論,成功解釋了光電效應(yīng),建樹(shù)起近代物理學(xué)研究的兩座豐碑。
四、密立根精確實(shí)驗(yàn)證實(shí)光電效應(yīng)方程
引入 至此,研究光電效應(yīng)的科學(xué)活動(dòng)并未完成,愛(ài)因斯坦的光子假設(shè)與光電方程作為假說(shuō)──一種有根據(jù)的猜測(cè),一種嘗試性的未經(jīng)確認(rèn)的看法,要上升為理論,要為人們認(rèn)同──當(dāng)時(shí)對(duì)這一假說(shuō)的懷疑超過(guò)了狹義相對(duì)論,甚至包括普朗克本人也持反對(duì)態(tài)度,還必須經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。許多物理學(xué)家都想方設(shè)法用實(shí)驗(yàn)測(cè)量普朗克恒量h,驗(yàn)證光電效應(yīng)方程。
簡(jiǎn)介密立根的工作 一直對(duì)光子假設(shè)持有保留的美國(guó)物理學(xué)家密立根,設(shè)計(jì)了高精確度的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示,經(jīng)過(guò)十年的試驗(yàn),不斷解決一些技術(shù)難點(diǎn),終于驗(yàn)證了光電方程的直線性,并測(cè)出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s,在事實(shí)面前,密立根服從真理,宣布愛(ài)因斯坦假說(shuō)得到證實(shí)�？茖W(xué)就是嚴(yán)峻的懷疑態(tài)度和對(duì)新思想的開(kāi)放態(tài)度的混合,科學(xué)常常會(huì)發(fā)生這種情況:科學(xué)家說(shuō):“那的確是個(gè)好論據(jù),我錯(cuò)了�！比缓笳娴母淖兿敕�,揚(yáng)棄舊觀點(diǎn),科學(xué)就是這樣進(jìn)步的。
全課總結(jié) 本課學(xué)習(xí),我們了解了光電效應(yīng)現(xiàn)象,了解了進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)的方法。光電效應(yīng)把我們帶進(jìn)了量子化的物理學(xué),光電效應(yīng)告訴我們理解微觀世界要有新的觀念,光電效應(yīng)引領(lǐng)了近代物理學(xué)的發(fā)展,對(duì)哲學(xué)、文化和技術(shù)的影響深遠(yuǎn)。讓我們懷著對(duì)量子理論先驅(qū)們的崇敬心情,從科學(xué)回到生活。
播放音樂(lè)與三位物理學(xué)家資料畫像,如圖9所示。
[課件簡(jiǎn)介]本課件采用PowerpointXP-F1ashMX制作,充分發(fā)揮Powerpoint媒體展示功能與FIashMX的強(qiáng)大的動(dòng)畫功能。其制作過(guò)程如下:
一、素材的采集與制作。用超級(jí)解霸采集所需的CD音樂(lè);通過(guò)網(wǎng)上搜索和掃描儀掃描所需的圖片:用F1ashMX制作用波動(dòng)理論解釋光電效應(yīng)的動(dòng)畫、光子說(shuō)解釋光電效應(yīng)的動(dòng)畫。
二、系統(tǒng)集成:把各種素材用PowerpointXP做成一定交互能力的幻燈片。
原載《中學(xué)物理教學(xué)參考》(西安),2003.12
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