4.2.2 光电效应 教学设计-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

4.2 光电效应（第二课时） 【教材分析】 本节由光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性三部分组成。光电效应和康普顿效应进一步揭开 了光的粒子性。通过科学们对光的本性的历史过程简单回顾，结合实验结论说明光的波粒二象性，让学生 对光的本质有一个较为全面的认识。本节内容是对学生物理兴趣培养的好素材。 【学情分析】 上节课通过实验了解了什么是光效效应，并且探究了光电效应的实验规律，利用爱因斯坦的光电效应 理论初步进行了解释，这些为本节课的学习奠定了基础。 【教学目标与核心素养】 物理观念：形成光量子初步的物理观念,通过光量子假说成功解释光电效应和康普顿效应，形成光具有 能量和动量的物理观念。 科学思维：学生通过了解密立根实验的科学方法，测出普朗克常量证明爱因斯坦光电效应方程的正确 性，形成严密的物理思维。 科学探究：通过光量子假说分析康普顿效应。 科学态度与责任：通过物理学史的学习，使学生能从科学家的工作中感悟科学探究，培养学生类比思想， 以及严谨的科学思维。 【教学重难点】 教学重点：光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。 教学难点：光电效应方程、康普顿效应和光的波粒二象性。 【教学准备】 多媒体课件等。 【教学过程】 一、新课引入 复习回顾：回顾光电效应实验规律，引入爱因斯坦光电效应理论。 1 二、新课教学 推进新课：爱因斯坦光电效应理论完美解释了光电效应实验规律。 解释：结合上节课所学知识，利用爱因斯坦光电效应方程 Ek hv W0 理解光电效应实验规律。 练习：光电效应方程的应用。 2 分析：大屏显示学生答题过程，选典型情况对比分析。（单位 J 和 eV 对比） 思考：理论是完美的，实践才是检验真理的标准。爱因斯坦光电效应理论的基础是引入了光量子理论， 认为光子是由能量的。如何通过实验去检验爱因斯坦引入光量子理论的正确性？ 1、验证一：密立根实验 思考：如何通过实验方法得到 h？（结合光电效应方程） 分析：光电子的动能不好测量，但是容易测量遏止电压 UC，则 eUc=hv-W0 其中 e 是已知的，固定的金属 W0 确定的。 （1）通过测量金属的遏止电压 UC 和入射光的频率 ，可以计算出布朗克常量 h。只测一次得到的数据具有偶然性。 （2）换不同的入射光的频率 ，测量相应的遏止电压 UC ，分别求出普朗克常量 h，再求平均值。 （3）这样得到的数据依然是零散的，如何依据这几组数据寻找遏止电压 Uc 入射光的频率 的关系，这样就可以得到更多组数据的关系。类比数学上描点作图的方法。 讨论：以下两图像的斜率，纵轴截距和横轴截距。 （3）横轴的截距，它是逸出光电子的最大初动能为零的入射光频率， 光子能量等于金属 逸出功，这就是这种金属的截止频率vc 。 动手：描点作图求斜率，计算 h。 分析：大屏显示学生画图和计算过程，选典型情况对比分析。（两种坐标轴） 视频：介绍密立根及其实验。（激发学习兴趣） 总结：密立根通过测量金属的遏止电压 Uc 和入射光的频率 ，计算出普朗克常量 h，并与普朗克通过 黑体辐射得出的 h 相比较。通过两种方法得出的普朗克常量 h 基本上是一致的，误差不超过 0.5%。 这为爱因斯坦光电效应方程提供了直接证据。 推进新课：密立根曾说：“尽管爱因斯坦的公式是成功的，但其物理理论是完全站不住脚的。” ----杨福家《原子物理学》 可见，一个新的思想要被人们接受是相当困难的。 2、验证二：康普顿效应 （1）康普顿效应 4 现象：1918～1922 年，美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时，发现在散射的 X 射线中， 除了与入射波长 λ0 相同的成分外，还有波长大于 λ0 的成分，这个现象称为康普顿效应。（2）经典理论解释康普顿效应 解释：按照经典电磁理论：振动频率=入射光频率=散射光频率。 总结：所以散射出来的射线不应该有波长大于 λ0 的成分，因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。（3）光子模型解释康普顿效应 建模：他的基本思想是光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量 p 与光的波长 λ 和普朗克常量 h 有关。 解释：按照光子模型，光子与电子相互作用，使得电子动量增加。根据动量守恒，光子的动量就要减少， 5 视频：介绍康普顿的学生中国留学生吴有训及其在康普顿效应方面的贡献。（激发爱国热情） 总结：如果说，在 1905 年爱因斯坦提出光量子说后还有不少人怀疑的话，那么，在康普顿散射的实验 得到光量子说的圆满解释之后，怀疑光量子说的人就非常个别了。 ----杨福家《原 子物理学》 用光子模型成功解释了康普顿效应，首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设，因此康普 顿效应是爱因斯坦光量子理论的重要例证且证明光的粒子性。 3、光的本质 思考：在经典物理学中，粒子和波是相互排斥的。物质要么是