《光的粒子性》教案1.doc

光的粒子性教案新課標(biāo)要求(一)知識(shí)與技能1通過實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量(二)過程與方法經(jīng)歷科學(xué)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問題，驗(yàn)證物理規(guī)律。(三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。教學(xué)重點(diǎn)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律教學(xué)難點(diǎn)愛因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義教學(xué)方法教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。教學(xué)用具投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備課時(shí)安排2 課時(shí)教學(xué)過程(一)引入新課提問：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程？(多媒體投影，見課件。)學(xué)生回顧、思考，并回答。教師傾聽、點(diǎn)評(píng)。光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進(jìn)一步說明光還是橫波。19世紀(jì)60年代，麥克斯韋又從理論上確定了光的電磁波本質(zhì)。然而，出人意料的是，正當(dāng)人們以為光的波動(dòng)理論似乎非常完美的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了用波動(dòng)說無(wú)法解釋的新現(xiàn)象光電效應(yīng)現(xiàn)象。對(duì)這一現(xiàn)象及其他相關(guān)問題的研究，使得人們對(duì)光的又一本質(zhì)性認(rèn)識(shí)得到了發(fā)展。(二)進(jìn)行新課1光電效應(yīng)教師：實(shí)驗(yàn)演示。(課件輔助講述)用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連)，使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。學(xué)生：認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)。教師提問：上述實(shí)驗(yàn)說明了什么？學(xué)生：表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電。概念：在光(包括不可見光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來的電子叫做光電子。2光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)如圖所示，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。概念：遏止電壓將換向開關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值 Uc 時(shí)，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。根據(jù)動(dòng)能定理，有(2)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律 光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。 截止頻率c -極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率c 時(shí)，電子才能逸出金屬表面；當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。 光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電子逸出所需時(shí)間10-9s。3光電效應(yīng)解釋中的疑難經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)典理論認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒有光電流。光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過程。為了解釋光電效應(yīng)，愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。4愛因斯坦的光量子假設(shè)(1)內(nèi)容光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說，頻率為 的光是由大量能量為 E =h的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。(2)愛因斯坦光電效應(yīng)方程在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功W0，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：W0為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功Wk為光電子的最大初動(dòng)能。(3)愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極限頻率：愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。5光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子”理論的正確。展示演示文稿資料：愛因斯坦和密立根由于愛因斯坦提出的光子假說成功地說明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。點(diǎn)評(píng)：應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實(shí)感，增強(qiáng)了說服力，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探索精神。例題 (教材36頁(yè))學(xué)生通過運(yùn)算得出相應(yīng)的正確結(jié)果。點(diǎn)評(píng)：理論聯(lián)系實(shí)際，適量的練習(xí)題可以進(jìn)一步鞏固和掌握所學(xué)理論知識(shí)。6光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用(1)光控繼電器可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。(2)光電倍增管可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大105108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。7康普頓效應(yīng)(1)光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。(2)康普頓效應(yīng)1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。(3)康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：按經(jīng)典電磁理論：如果入射X光是某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！散射中出現(xiàn)的現(xiàn)象，稱為康普頓散射?？灯疹D散射曲線的特點(diǎn)： 除原波長(zhǎng)外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 新波長(zhǎng)隨散射角的增大而增大。波長(zhǎng)的偏移為波長(zhǎng)的偏移只與散射角有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)， = 0.0241=2.4110-3nm(實(shí)驗(yàn)值)稱為電子的Compton波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng)與可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。(4)經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。(5)光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。(6)康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)； 首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量”的假設(shè)；證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。展示演示文稿資料：康普頓康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。展示演示文稿資料：吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年，吳有訓(xùn)參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.19251926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(=5.62nm) 為入射線，以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，在同一散射角( )測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。點(diǎn)評(píng)：應(yīng)用物理學(xué)家的歷史資料，不僅有真實(shí)感，增強(qiáng)了說服力，同時(shí)也能對(duì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的探索精神。(7)光子的能量和動(dòng)量說明：動(dòng)量能量是描述粒子的，頻率和波長(zhǎng)則是用來描述波的(三)課堂小結(jié)教師活動(dòng)：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請(qǐng)一個(gè)同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請(qǐng)同學(xué)評(píng)價(jià)黑板上的小結(jié)內(nèi)容。學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會(huì)寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰(shuí)的更好，好在什么地方