第一节 光电效应 光子说（教学设计）物理沪科版选择性必修第三册

第1节 光电效应 光子说（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第一节 光电效应 光子说 教学 目标 物理观念 1. 掌握光电效应的定义、实验现象及四大核心规律，理解光子说的核心内涵。 2. 理解爱因斯坦光电效应方程的物理意义，能区分光的波动性与粒子性，建立光的波粒二象性观念。 3. 知道截止频率、逸出功、遏止电压等概念，明确微观世界的量子化特征。 科学思维 1. 通过对比经典波动理论与光电效应实验的矛盾，培养质疑、推理、论证的科学思维能力。 2. 能利用光电效应方程分析、解决实际问题，建立光子模型解释微观物理现象。 3. 通过光电效应伏安特性曲线分析，提升图像分析与数据处理能力。 科学探究 1. 亲历光电效应实验现象观察，能描述实验现象、总结实验规律。 2. 结合密立根实验，理解实验验证理论的科学探究方法，完善对微观粒子运动的认知。 3. 能通过实验数据推导截止频率、普朗克常量等物理量，提升定量探究能力。 科学态度 与责任 1. 感受赫兹、爱因斯坦、密立根等物理学家实事求是、挑战权威的科学精神。 2. 了解光电效应在生活中的应用，体会量子理论对人类认知世界的深远变革，增强科学探究意识。 教学重难点 教学重点： 1. 光电效应的四大实验规律。 2. 爱因斯坦光子说与光电效应方程。 3. 光电效应方程对实验规律的解释。 教学难点： 1. 经典波动理论与光电效应实验的矛盾分析。 2. 理解光子能量与频率有关、与光强无关的微观本质。 3. 截止频率、遏止电压、最大初动能之间的定量关系与图像分析。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【情境导入】 生活情境激趣 展示自动门、烟雾报警器、电影胶片音轨等图片，提问：这些设备为什么能感知光的变化并自动工作？背后隐藏着怎样的物理原理？ 物理学史引入 讲述 1887 年赫兹在验证电磁波理论时的偶然发现：紫外线照射接收装置负极板，电火花变得极易产生。 追问：这一现象揭示了光与电的神秘联系，却无法用经典物理理论解释，成为 19 世纪物理学的 “乌云”，这就是我们今天要探究的光电效应。 学生分组讨论：  光照射金属为什么会产生电子？  经典物理为什么无法解释这一现象？  爱因斯坦又是如何破解这一难题的？ 新课讲授 1. 光电效应的发现与定义 · 发现者：德国物理学家赫兹，1887 年偶然发现光电效应现象。 · 定义：金属在光的照射下发射电子的现象，称为光电效应；逸出的电子叫光电子（本质就是电子）。 · 实验装置：真空容器、石英窗、阴极、阳极；光照阴极→逸出电子→电子向阳极移动→形成光电流。 2. 光电效应的四大实验规律 1. 存在截止频率 入射光频率必须大于金属的截止频率（极限频率），才能产生光电效应；频率低于截止频率时，无论光强多大、照射多久，都不会发生光电效应。 截止频率是金属的固有属性，由金属本身决定。 2. 光电流与光强成正比 当入射光频率高于截止频率时，单位时间内逸出的光电子数（光电流）与入射光强度成正比，光强越大，饱和光电流越大。 3. 最大初动能与频率有关 光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光强无关。 4. 效应具有瞬时性 只要频率高于截止频率，光电子几乎瞬时逸出，延迟时间不超过10⁻⁹秒，无需能量积累。 3. 经典波动理论的矛盾 经典波动理论认为：光的能量由光强（振幅）决定，光强越大能量越高，电子可积累能量逸出；能量吸收需要时间。 与实验矛盾： · 矛盾 1：存在截止频率，频率不够，光强再大也无效。 · 矛盾 2：光电效应瞬时发生，无需能量积累。 · 矛盾 3：最大初动能与光强无关，只与频率有关。 4. 光子说与光电效应方程 1. 理论基础 · 1900 年普朗克提出能量子假说：电磁波能量是不连续的，一份一份的，ε=hν。 · 1905 年爱因斯坦提出光子说：光由光子组成，光子能量E=hν，只与频率有关，与光强无关。 2. 逸出功 电子脱离金属表面所需克服的最小束缚能，用W表示，仅由金属材料决定。 3. 爱因斯坦光电效应方程 依据能量守恒：Eₖₘₐₓ = hν - W · Eₖₘₐₓ：光电子的最大初动能 · hν：入射光子的能量 · W：金属的逸出功 4. 截止频率推导 当光子能量恰好等于逸出功时，hν₀ = W，ν₀为截止频率，ν<ν₀时不发生光电效应。 5. 光子说对实验规律的解释 1. 截止频率：光子能量≥逸出功才能打出电子，低于截止频率无法发生光电效应。 2. 最大初动能：由方程可知，Eₖₘₐₓ随 ν 增大而增大，与光强无关。 3. 光电流：光强越大，单位时间入射光子数越多，逸出光电子数越多，光电流越大。 4. 瞬时性：光子与电子一对一瞬时交换能量，无需积累时间。 5. 6. 实验验证与应用 1. 密立根实验 密立根原本想推翻光子说，却通过实验精确验证了光电效应方程，测定了普朗克常量 h，获得 1923 年诺贝尔物理学奖。 2. 中国物理学家贡献 叶企孙利用 X 射线法精确测量普朗克常量，结果被国际沿用十余年，是中国近代物理学奠基人之一。 3. 实际应用 · 电影胶片音轨：光强变化转化为电流，还原声音。 · 光电二极管、自动门、感应水龙头、烟雾报警器等。 7. 总结：光的波粒二象性 光既具有波动性（干涉、衍射），又具有粒子性（光电效应），即光的波粒二象性，是微观世界的核心特征。 学生讨论  观察实验装置示意图，说出各部分名称与作用。  记忆并默写光电效应、光电子的定义。  同桌互查：能否准确描述光电效应产生过程。 学生讨论：  阅读实验数据，总结四大规律，填写学习单。  小组合作：用自己的话解释截止频率的意义。  判断正误：光照时间长 / 光强大→一定产生光电效应（说明理由）。  对比不同金属截止频率表格，得出金属固有属性结论。 学生讨论：  独立思考：经典波动理论的预测是什么？  对比实验事实，列出三大矛盾点。  发言表达：为什么经典物理在微观世界失效。 学生讨论：  识记：普朗克能量子、爱因斯坦光子说核心内容。  推导公式：ε=hν，E=hν，Eₖₘₐₓ=hν−W。  计算练习：由逸出功求截止频率，由频率求最大初动能。  理解：逸出功只由金属决定，与光无关。 学生讨论：  分组任务：用光子说逐条解释四大实验规律。  上台展示：用 “一对一光子电子作用” 说明瞬时性。  总结：光强决定什么？频率决定什么？ 学生讨论： 了解密立根实验，说出实验结论。 了解叶企孙的贡献，增强科学认同感。 列举生活中光电效应应用，说明工作原理。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 第 1 题 关于光电效应的产生条件，下列说法正确的是（） A. 只要光照射时间足够长就能产生 B. 只要光的强度足够大就能产生 C. 只要入射光频率大于金属截止频率就能产生 D. 只要入射光波长足够长就能产生 答案：C 解析：发生光电效应的唯一条件是入射光频率大于金属的截止频率，与光照时间、光强、波长长短无关。波长越长频率越低，越不容易产生光电效应。 第 2 题 关于光电子的最大初动能，下列说法正确的是（） A. 随入射光强度增大而增大 B. 随入射光频率增大而增大 C. 与入射光频率无关 D. 与金属材料无关 答案：B 解析：由光电效应方程 Ekmax​=hν−W0​，最大初动能只随入射光频率增大而增大，与光强无关；逸出功 W0​ 由金属决定，因此最大初动能与金属有关。 第 3 题 金属的截止频率取决于（） A. 入射光频率 B. 入射光强度 C. 金属本身的性质 D. 光照时间 答案：C 解析：截止频率 ν0​ 是金属的固有属性，由金属材料决定，与入射光的任何条件都无关。 第 4 题 光电效应中，光电流的大小主要取决于（） A. 入射光频率 B. 入射光强度 C. 金属的逸出功 D. 光照时间 答案：B 解析：频率高于截止频率时，光强越大，单位时间入射光子数越多，逸出光电子数越多，饱和光电流越大。 第 5 题 光电效应的发生几乎是瞬时的，原因是（） A. 光电子速度很大 B. 光子与电子一对一瞬时交换能量 C. 金属电子本来就有很大动能 D. 光照能立即升高金属温度 答案：B 解析：光子与电子是一次性、瞬时性的能量交换，不需要能量积累时间，因此光电效应瞬时发生。 第 6 题 爱因斯坦光子说的核心观点是（） A. 光是连续的波 B. 光由一份一份不连续的光子组成 C. 光的能量由振幅决定 D. 光只能发生干涉衍射 答案：B 解析：光子说认为光由不连续的光子组成，能量 E=hν，证明光具有粒子性。 第 7 题 已知某金属截止频率为 ν0​，则其逸出功为（） A. hν0​ B. h/ν0​ C. ν0​/h D. 2hν0​ 答案：A 解析：截止频率满足 hν0​=W0​，因此逸出功 W0​=hν0​。 第 8 题 用频率为 ν 的光照射某金属，恰好发生光电效应，则该金属的截止频率为（） A. 大于 ν B. 小于 ν C. 等于 ν D. 无法确定 答案：C 解析：恰好发生光电效应时，入射光频率等于金属截止频率。 第 9 题 用同一束光分别照射铯和铂两种金属，都能产生光电效应，则下列物理量相同的是（） A. 截止频率 B. 逸出功 C. 入射光子能量 D. 光电子最大初动能 答案：C 解析：同一束光频率相同，光子能量 E=hν 相同；不同金属截止频率、逸出功不同，因此最大初动能不同。 第 10 题 关于遏止电压，下列说法正确的是（） A. 遏止电压与光强有关 B. 遏止电压与入射光频率有关 C. 遏止电压越大，最大初动能越小 D. 遏止电压与金属无关 答案：B 解析：由 eUc​=Ekmax​=hν−W0​，遏止电压 Uc​ 与入射光频率有关，与光强无关；遏止电压越大，最大初动能越大。 第 11 题 某金属逸出功为 2.3 eV，用能量为 3.0 eV 的光子照射，则光电子最大初动能为（） A. 5.3 eV B. 0.7 eV C. 2.3 eV D. 3.0 eV 答案：B 解析：Ekmax​=hν−W0​=3.0−2.3=0.7 eV。 第 12 题 用频率为 ν 的光照射金属，最大初动能为 Ek​；若频率变为 3ν，则最大初动能为（） A. 3Ek​ B. 2hν+Ek​ C. hν+Ek​ D. 3hν−Ek​ 答案：B 解析：由 Ek​=hν−W0​ 得 W0​=hν−Ek​；频率变为 3ν 时，Ek′​=3hν−W0​=3hν−(hν−Ek​)=2hν+Ek​。 第 13 题 下列现象能说明光具有粒子性的是（） A. 光的干涉 B. 光的衍射 C. 光电效应 D. 光的色散 答案：C 解析：干涉、衍射、色散说明光的波动性；光电效应直接证明光具有粒子性。 第 14 题 关于普朗克常量 h，下列说法正确的是（） A. 只适用于光电效应 B. 是微观世界的重要常量 C. 由金属材料决定 D. 与光的频率有关 答案：B 解析：普朗克常量是自然界基本常量，适用于所有量子现象，与金属、光的频率均无关。 第 15 题 当入射光频率低于截止频率时，下列做法能产生光电效应的是（） A. 增大光强 B. 延长光照时间 C. 换用频率更高的光 D. 换用逸出功更大的金属 答案：C 解析：频率低于截止频率时，无论如何增大光强、延长时间都不能产生光电效应；只能提高入射光频率或换用逸出功更小的金属。 第 16 题 在光电效应实验中，若增大入射光频率（仍能产生光电效应），则（） A. 饱和光电流一定增大 B. 光电子最大初动能一定增大 C. 遏止电压一定减小 D. 逸出功一定增大 答案：B 解析：频率增大，Ekmax​=hν−W0​ 增大，遏止电压增大；饱和光电流由光强决定；逸出功由金属决定，保持不变。 第 17 题 用同一频率不同强度的光照射同一光电管，下列物理量不变的是（） A. 饱和光电流 B. 遏止电压 C. 光电流最大值 D. 光子数 答案：B 解析：同一频率、同一金属，遏止电压 Uc​ 不变；光强不同，饱和光电流、光子数不同。 第 18 题 下列哪位物理学家通过实验精确验证了爱因斯坦光电效应方程（） A. 赫兹 B. 普朗克 C. 密立根 D. 叶企孙 答案：C 解析：密立根通过实验精确验证光电效应方程，并测量普朗克常量，获 1923 年诺贝尔奖。 第 19 题 光照射金属发生光电效应，若保持频率不变，增大光强，则（） A. 光电子最大初动能增大 B. 单位时间逸出光电子数增多 C. 截止频率增大 D. 遏止电压增大 答案：B 解析：频率不变，最大初动能、遏止电压不变；光强增大，单位时间光子数变多，逸出光电子数变多。 第 20 题 关于光电效应的本质，下列说法正确的是（） A. 光能转化为热能 B. 光能转化为电能 C. 电能转化为光能 D. 热能转化为电能 答案：B 解析：光电效应是光能直接转化为光电子的动能，宏观表现为光能转化为电能。 板 书 设 计 一、光电效应的发现 1. 发现者：赫兹（1887 年，偶然发现） 2. 定义：金属在光照射下发射电子的现象 3. 光电子：从金属逸出的电子（就是电子） 二、光电效应四大实验规律 1. 存在截止频率 ν₀ 入射光频率 ＞ ν₀，才能产生光电效应 2. 光电流与光强成正比 光强越大，单位时间逸出光电子数越多 3. 最大初动能只与频率有关 随入射光频率增大而增大，与光强无关 4. 瞬时性 光照即发生，延迟＜10⁻⁹s 三、经典理论的三大矛盾 1. 频率不够，光强再大也不发生效应 2. 瞬时发生，无需能量积累 3. 最大初动能与光强无关 四、光子说与光电效应方程 1. 普朗克：能量子 ε = hν 2. 爱因斯坦：光子说 E = hν 3. 逸出功 W：电子脱离金属的最小能量 4. 光电效应方程 Eₖₘₐₓ = hν − W 5. 截止频率：hν₀ = W 五、理论解释（核心） · 截止频率：光子能量 ≥ 逸出功 · 初动能：只由频率决定 · 光电流：由光强（光子数）决定 · 瞬时性：光子与电子一对一瞬时作用 六、实验验证与应用 1. 密立根：验证光电效应方程，测 h 2. 叶企孙：精确测量普朗克常量 3. 应用：自动门、光电管、烟雾报警器、电影音轨 七、核心结论 光具有波粒二象性 波动性：干涉、衍射 粒子性：光电效应 课 堂 小 结 1. 核心现象：光电效应 —— 金属光照逸出电子。 2. 核心规律：四大实验规律，经典理论无法解释。 3. 核心理论：光子说、光电效应方程 Eₖₘₐₓ=hν-W。 4. 核心观念：光具有波粒二象性，微观世界量子化。 作 业 布 置 1. 完成教材课后习题，巩固光电效应方程计算。 2. 列举 2 个生活中光电效应的应用，简要说明原理。 教 学 反 思 本节课以物理学史与生活情境导入，通过实验规律与经典理论的矛盾冲突激发探究兴趣，重点讲解光子说与光电效应方程。学生对实验规律、方程应用掌握较好，但在经典理论矛盾分析、图像定量计算上仍有不足，后续需增加课堂例题与图像专题训练，强化微观本质理解。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $