“光电效应光子”教学设计浙江宁波效实中学杨继林沈晨
【教材】全日制普通高级中学教科书·物理第三册(必修加选修)第二十二章第一节。
【教学时间】一课时。
【教学目标】
1.知识与技能
●了解并识别光电效应现象。
●能表述光电效应现象的规律。
●了解光子的概念,会用光子说解释光电效应现象的规律。
●理解光电效应方程。
●粗略了解光电效应研究史实。
2.过程与方法
●观察赫兹实验中的放电现象,体验发现的过程。
●经历“探究光电效应规律”的过程,获得探究活动的体验。
●尝试发现波动理论面对光电效应规律遇到的困难。
●领略“观察、实验──提出假说──实验验证──新的假说……”的物理学研究方法。
3.情感态度与价值观
●体验探究自然规律的艰辛与喜悦。
●陶冶崇尚科学、仰慕科学家,欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫。
●学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神,培养判断有关信息是否科学的意识。
【教学用具】
1.实验装置赫兹实验装置;光电效应现象演示装置。
2.多媒体课件;资料文字;赫兹实验装置示意动画;研究光电效应实验示意动画;光电效应的波动说描述与光子说描述动画;密立根证实光电方程实验示意动画;普朗克、爱因斯坦、密立根资料图片动画;
【设计理念】本课教材蕴含着十分丰富的教学内容:在知识方面,本课作为后牛顿物理两大支柱之一──量子理论的入门,涉及量子物理最基础的内容,同时,还有着厚重的物理学科文化积淀,有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材。教材在知识陈述上较为浅显直接,而关于这些知识的“背景”,则是相当丰满、承赋人文,为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间。基于教材特点,本教案设计“以人为本”,突出从赫兹发现光电效应,勒纳德研究光电效应规律,爱因斯坦提出光子说解释光电效应规律,到密立根实验验证光电效应方程,物理学家们上下求索三十年的历程,在让学生学到量子论基础知识与基本技能、发展微观思维方法的同时,获得物理课程文化的浸润与陶冶,体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。
本课总体设计思想是:课堂教学以光电效应三十年精彩历程为线索,通过充分展示围绕“光电效应”所发生的发现现象、研究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程,在科学过程展示中推出学科知识,渗透科学思想方法,借助多媒体课件播放、实验装置重现现象及教师解说,着力于撼动青年学生崇尚科学的情感,弘扬深厚的物理课程文化。
【教学过程】全课以下列四个标题作引导,按历史的发展顺序展开教学活动。
(动画显示课题后,教师引入主题)
引入本课要学习的光电效应,在量子理论的发展中有着特殊的意义。人类对光的本性的认识,到麦克斯韦提出光是一种电磁波,光的波动说似乎已完美无缺了。然而,就是在证实电磁波存在的过程中,人们发现了光具有粒子性的重大事实,这就是光电效应现象。光电效应及其规律的研究,使人类对物质世界的观念发生了变革:大自然在微观层次上是不连续的,即“量子化”的,而不是牛顿物理假设的在一切层次上都是连续的!光电效应最先由赫兹发现,他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905年诺贝尔物理学奖,爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决了光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖,美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦的理论,并获1923年诺贝尔物理学奖。光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继,三十年努力求索,在物理学史上成为绚丽夺目的篇章。让我们翻开这炫目的一页,沐浴科学的阳光吧!
(屏幕切换显示四个标题)
一、赫兹意外发现光电效应
介绍赫兹实验动画显示赫兹实验示意图如图1所示。1885年,赫兹用如图1所示的装置来证实电磁波的存在:电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球,另一端各连接一块正方形锌板,它们共轴放置,两球间留有一空隙,它们相当于一个电容器,与感应圈连接,构成了LC电路,感应圈使两黄铜球聚集大量电荷,从而在空隙间产生电火花,形成高频振荡电流,辐射高频电磁波。与这个回路相距一定距离有电磁波接收器,是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环,开口端各焊一黄铜球,之间有可作微调的空隙,这个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振,从而在接收器的空隙间观察到电火花。
演示赫兹电火花实验实验装置如图2所示(实景数码照片)
介绍赫兹的发现并演示利用电火花实验装置,赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验,大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论,同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象:当发射器间隙的火光被阻隔时,原来接收间隙的火花变暗(如图3所示),而用其他任何火花的光照射到接收器铜球,也能促使间隙发生电火花,进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线,当火花的光照到间隙的负极时,作用最强,这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成,赫兹称之为“紫外光对放电现象的效应”,也就是光电效应。
演示光电效应现象动画显示光电效应演示仪原理如图4所示,课堂演示,引导学生观察在紫外线照射下,电流计指示电路中出现了电流。
归纳什么是光电效应
(文字显示)
在光的照射下物体发射电子的现象,叫做光电效应,发射出来的电子叫做光电子。
二、勒纳德研究光电效应现象的规律
引入赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电