4.2光电效应(第1课时） 教案

4.2光电效应(第1课时）
〖教材分析〗
本节由光电效应的实验规律和光电效应解释中的疑难两部分组成，内容不多，但是难度大，也很抽象。本节知识是本章的重点内容，为下一节认识光的粒子性做好铺垫。光电效应的实验能够培养学生提出问题、猜想与假设、分析论证等能力。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶知道光电效应的实验规律以及用波动理论解释中的疑难。
科学思维∶运用光的波动理论能对光电效应的实验规律提出有依据的质疑，形成对比、质疑的思维。
科学探究：通过观察光电效应的实验过程培养学生观察能力，感悟以实验为基础的科学探究方法。
科学态度与责任∶领略微观世界的奇妙和谐，培养学生对科学的好奇心和求知欲，能够体验探索自然规律的艰辛与喜悦。
〖教学重难点〗
教学重点：光电效应的实验规律。
教学难点：光电效应的实验规律。
〖教学准备〗
多媒体课件等。
〖教学过程〗
一、新课引入
把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。
这个现象说明了什么问题
实验现象：看到验电器的薄片，张角逐渐减小。
实验分析：光具有能量，用光照着金属，会使金属内的自由电子能量增大，摆脱金属的束缚，跑到金属外面去，锌板上的正电荷与验电器薄片上的负电荷中和，所以夹角减少。
实验结论：说明紫外光照射后的锌板带的是正电，电子从锌板表面逸出。
光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这种电子常称为光电子。
动图展示光电效应的过程。
思考：怎么衡量光电效应的强弱呢？
这就得看单位时间内电子跑出来多少，这用验电器就不方便，所以使用这样的电路。
二、新课教学
（一）光电效应的实验规律
1.研究光电效应的电路图
①阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。
②K在受到光照时能够发射光电子
③阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。（只要读出电流的大小，就知道光电效应的强弱了）
思考：为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？
电压表电流表，用来测电压电流的，电阻用来保护电路什么的。但是电源在这里有什么用呢？
分析：光束照在阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极运动，形成较大电流。（加正向电压的目的是放大实验效果，增强实验“可见性”）。
原理搞定就可以开始研究，首先来看光电效应的产生条件。
2.实验规律
①存在截止频率：vc
利用动画进行实验演示操作。
操作：降低紫外灯的亮度，改用黄色光灯，加大黄色光灯亮度。
演示实验发现：降低紫外灯的亮度，电流表的读数也会随之减小。改用黄色光灯，电流表的指针没有摆动，说明没有发生光电效应。加大黄色光灯亮度还是不产生光电效应。
大量实验表明：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。
如果频率不够。光再强也没用。这个极限频率跟材料有关，例如钾的极限频率vc=5.44×1014Hz。
疑惑：按照波动理论，光的能量应该取决于光波的振幅，只要光强足够大，就应该产生光电效应才对，怎么没有呢？而且能量跟频率也扯不上关系？
②存在饱和电流：IC
利用动画进行实验演示操作。
操作：将光电管的电压从零开始增大
现象：发现一开始随着电压的增大，光电流也增大，当增大到一定值之后，再怎么增加电压，电流也不会增大啦。即：
光电流趋于一个饱和值。
思考：为什么会有这种现象呢？
分析：电压比较小时，光电子往哪里跑的都有，只有一部分会打到A板，电压增大之后，原先不能打到A板上的电子在电场力的作用下，运动情况改变，从而也可能打到A板。因此电压增大，光电流也就增大。
思考：光电流为什么会饱和呢？
分析：这说明在一定的光照情况下，产生的光电子数量是一定的。如果所有从K极逸出的光电子都打到了A板，光电流就饱和。也就是说饱和光电流可以粗略的衡量单位时间逸出的光电子的数量。
思考：饱和光电流的极值跟什么因素有关呢？
利用动画进行实验演示操作。
操作：保持入射光频率不变，增大光强。
现象：饱和光电流也会随之增大。
这说明他跟入射光的强度有关。即
入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和光电流就越大。
③存在遏止电压：Uc
思考：如果把电路中的电源反过来会发生什么呢？
分析：此时两极板间会产生向左的电场。因此，光电子离开电极K后，就会受到一个向右的电场力，它会阻碍电子运动，使它电子动能减小。这样一来，初动能小的电子半道上就走不动了，只有初动能比较大的电子才能到达电极A，也就是说能够到达电极A的光电子数量大幅减小，光电流也就随之减小。
如果继续增加反向电压，到达某一临界数值后，电流表读数为零，这说明没有电子能飞到A极。这个极限电压就叫遏止电压。
此时拥有最大初动能的光电子到达A极时动能刚好减小为零，动能的改变是由于电场力做功，因此测量遏止电压，就可以得到光电子的最大初动能了。
利用动画进行实验演示操作，看看最大初动能和哪些因素有关。
首先，保持入射光的频率不变，增加入射光的强度，结果遏制电压不发生变化，这说明最大初动能与入射光的强度无关。
其次，保持入射光的强度不变，增加入射光的频率，结果遏止电压也随着增大，这说明最大初动能与入射光的频率有关。即：
入射光频率越高，光电子的最大初动能越大。
疑惑：能量再一次和频率联系在一起，而跟光强无关，这太令人费解。
④光电效应具有瞬时性
实验发现光电效应的产生，几乎是瞬时的，无论入射光多为弱，都会在照射到金属时立即产生光电子，精确测量表明这个时间<10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。
光电效应的实验规律有存在截止频率，存在饱和电流，存在遏止电压瞬时性。而饱和电流只和光强有关，其他和频率有关。这同样是经典理论无法解决的。令科学家感到困惑。
（二）光电效应经典解释中的疑难
思考与讨论
人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
这表明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。
光的电磁理论
①逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值。
如下表所示，不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
vc/（1014HZ） 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。
③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
2.光的电磁理论与光电效应的矛盾
按照光的电磁理论∶
●不应存在截止频率;
● 遏止电压.应该与光的强弱有关;
● 需要长时间，光子才能逸出
而实验结果并不是这样的。
这些结论都与实验结果相矛盾。光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，这引发了物理学家们的认真思考。
课堂练习
例1：如图所示，用绿光照射一光电管的阴极时产生光电效应，欲使光子从阴极逸出是的最大初动能增大，应采取的措施是（ ）
改用红光照射
改用紫光照射
增大绿光的强度
增大加在光电管上的正向电压
解析：入射光强度决定着，单位时间内发出来的电子数。入射光频率决定着能否产生光电效应和发生光电效应时光电子的最大初动能。发生光电效应时，光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大，与照射光强度、光电管的电压无关，红光的频率比绿光的频率小，不一定能发生光电效应，即使发生光电效应，光电子的最大初动能也较小，而紫光的频率大于绿光的频率。故选B。
例2：光电效应实验的装置如图所示，则下列说法正确的是（ ）
用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转
锌板带的是负电荷
使验电器指针发生偏转的是正电荷
解析：紫外线的频率大于锌板的极限频率，故锌板会发生光电效应，向外放出光电子，从而使锌板和验电器带上正电荷，所以选项AD正确。
例3：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（ ）
从光照射金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
逸出的光电子的最大初动能将减小
单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
有可能不发生光电效应
解析：根据光电效应的实验规律知，从光照射金属表面到光电子逸出的时间间隔极短，这与光的强度无关，故选项A错误。实验规律还指出，逸出光电子的最大初动能与入射光的频率有关，对于一定频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。选项C正确。
例4：关于光电效应的规律，下列说法正确的是（ ）
当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大
当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，产生的光电子数越多
同一频率的光照射不同的金属，如果都能产生光电效应，则逸出功大的金属产生的光电子的最大初动能也越大
对某种金属，入射光波长必须小于某一极限波长，才能有光电子逸出
解析∶产生光电效应时，光电子的最大初动能随入射光的频率的增大而增大，故选项 A正确。产生光电效应时，入射光的强度越大，射到金属表面的光子数越多，因而产生的光电子数也越多，选项B正确。不同金属的逸出功不同，逸出功越小，电子越容易摆脱出来，所以用同一频率的光照射不同的金属产生光电效应时，逸出功小的金属产生的光电子的最大初动能越大，选项 C错误。当入射光的频率v>vc时才能有光电子逸出，由知，入射光的波长应小于某一极限波长，才能有光电子逸出，故选项 D正确。答案∶ABD。
例5：当某种频率的光照射到光电管时，电流表中没有读数，以下这些操作，哪个可能使电流表有读数（ ）
将电池的极性反转
将变阻器的滑片向移动
将变阻器的滑片向的移动
换用频率更高的光
解析：要格外注意电池方向，他决定了电场力对电子是动力还是阻力。按照电池方向，这里边儿是左边正极，右边是负极。这样一来光电管中的电场是向右的，光电子受到的电场力就向左是动力，因此如果发生了光电效应，即使不加电压，电路中也会有光电流。当加了这个电场，光电流只会更大，但此时却没有光电流说明，肯定没有发生光电效应。所以要想产生光电流，只能从光电效应的产生条件入手，也就是换用频率更高的光照射。选D。
例6：:一束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光。分别照射到相同的金属板a、b、c上，如图所示，已知金属板b有光电子放出，则可知（ ）
板a一定不放出光电子
板a一定放出光电子
板c一定不放出光电子
板c一定放出光电子
解析：由图可知，折射到a、b、c上的光的折射率依次增大，则频率依次增大，那么金属板b有光电子放出，照射到板c上的光的频率更大，板c—定放出光电子，板a不一定放出光电子，故D正确。
例7：在光电效应实验中，如果入射光的波长确定而强度增加，将产生什么结果？如果入射光的频率增加，将产生什么结果
解析：当入射光频率高于截止频率时，光强增加，发射的光电子数增多；入射光频率低于截止频率时，无论光强怎么增加，都不会有光电子发射出来。
当入射光的频率高于截止频率时，入射光的频率增加你，发射的光电子最大初动能增大。
〖板书设计〗
4.2光电效应(第1课时）
一、光电效应的实验规律
1.光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这种电子常称为光电子。
2.实验规律：①存在截止频率：vc
②存在饱和电流：IC
③存在遏止电压：Uc
④光电效应具有瞬时性<10-9s
二、光电效应经典解释中的疑难
1.光的电磁理论
①逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值。
②光电子：金属表面受到光照射时，从金属表面逸出的电子。
③光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
2.光的电磁理论与光电效应的矛盾
〖教学反思〗
光电效应的知识学生在生活中也有接触，如太阳能电池，太阳能路灯等。光电效应的实验规律的教学要突出实验规律的物理意义。注意结合必修的静电力做功的原理和光电效应的概念说明实验电路的工作原理，特别是电路中的电源的作用。教学的时候重点分析好截止频率，最大初动能与频率的关系。这些都将能够为更好的学习爱因斯坦光电效应方程做铺垫。 (
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