高中物理光电效应教案 篇1
1、知识与技能
（1）通过实验了解光电效应的实验规律。
（2）知道爱因斯坦光电效应方程以及意义。
（3）了解康普顿效应，了解光子的动量
2、过程与方法：经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。
3、情感、态度与价值观：领略自然界的奇妙与和谐，发展对科学的好奇心与求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦。
教学重点：光电效应的实验规律
教学难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义
教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备
（一）引入新课
回顾前面的学习，总结人类对光的本性的认识的发展过程？
（多媒体投影，见课件。）光的干涉、衍射现象说明光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。
（二）进行新课
1、光电效应
实验演示1：（课件辅助讲述）用弧光灯照射擦得很亮的锌板，（注意用导线与不带电的验电器相连），使验电器张角增大到约为30度时，再用与丝绸磨擦过的玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。上述实验说明了什么？（表明锌板在射线照射下失去电子而带正电）
概念：在光（包括不可见光）的照射下，从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。
2、光电效应的实验规律
（1）光电效应实验
如图所示，光线经石英窗照在阴极上，便有电子逸出————光电子。光电子在电场作用下形成光电流。
概念：遏止电压，将换向开关反接，电场反向，则光电子离开阴极后将受反向电场阻碍作用。当K、A间加反向电压，光电子克服电场力作功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称遏止电压。
根据动能定理，有：
（2）光电效应实验规律
①光电流与光强的关系：饱和光电流强度与入射光强度成正比。
②截止频率c——极限频率，对于每种金属材料，都相应的有一确定的截止频率c，当入射光频率c时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率c时，无论光强多大也无电子逸出金属表面。
③光电效应是瞬时的。从光开始照射到光电子逸出所需时间10—9s。
3、光电效应解释中的疑难
经典理论无法解释光电效应的实验结果。
经典理论认为，按照经典电磁理论，入射光的光强越大，光波的电场强度的振幅也越大，作用在金属中电子上的力也就越大，光电子逸出的能量也应该越大。也就是说，光电子的能量应该随着光强度的增加而增大，不应该与入射光的频率有关，更不应该有什么截止频率。
光电效应实验表明：饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。只要频率高于极限频率，即使光强很弱也有光电流；频率低于极限频率时，无论光强再大也没有光电流。
光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量子假说的基础上提出光子理论，提出了光量子假设。
4、爱因斯坦的光量子假设
（1）内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现，而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为的光是由大量能量为E=h的光子组成的粒子流，这些光子沿光的传播方向以光速c运动。
（2）爱因斯坦光电效应方程
在光电效应中金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功W0，另一部分变为光电子逸出后的动能Ek。由能量守恒可得出：
W0为电子逸出金属表面所需做的功，称为逸出功。Wk为光电子的最大初动能。
（3）爱因斯坦对光电效应的解释
①光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。
②电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间的累积。
③从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系
④从光电效应方程中，当初动能为零时，可得极限频率：
爱因斯坦光子假说圆满解释了光电效应，但当时并未被物理学家们广泛承认，因为它完全违背了光的波动理论。
5、光电效应理论的验证
美国物理学家密立根，花了十年时间做了光电效应实验，结果在1915年证实了爱因斯坦光电效应方程，h的值与理论值完全一致，又一次证明了光量子理论的正确。
6、展示演示文稿资料：爱因斯坦和密立根
由于爱因斯坦提出的光子假说成功地说明了光电效应的实验规律，荣获1921年诺贝尔物理学奖。
密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖。
光电效应在近代技术中的应用
（1）光控继电器
可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。
（2）光电倍增管
可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105~108倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。
高中物理光电效应教案 篇2
一、核式结构模型与经典物理的矛盾
（1）根据经典物理的观点推断：①在轨道上运动的电子带有电荷，运动中要辐射电磁波。②电子损失能量，它的轨道半径会变小，最终落到原子核上。
③由于电子轨道的变化是连续的，辐射的'电磁波的频率也会连续变化。
事实上：①原子是稳定的；②辐射的电磁波频率也只是某些确定值。
二、玻尔理论
①轨道量子化：电子绕核运动的轨道半径只能是某些分立的数值。对应的氢原子的轨道半径为：rn=n2r1（n=1，2，3，），r1=0.5310—10m。
②能量状态量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，这些状态的能量值叫能级，能量最低的状态叫基态，其它状态叫激发态。原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做加速运动，但并不向外辐射能量。
氢原子的各能量值为：
③跃迁假说：原子从一种定态跃迁到另一种定态要辐射（或吸收）一定频率的光子，即：h=Em—En
三、光子的发射和吸收
（1）原子处于基态时最稳定，处于较高能级时会自发地向低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态，跃迁时以光子的形式放出能量。
（2）原子在始末两个能级Em和Enn）间跃迁时发射光子的频率为，其大小可由下式决定：h=Em—En。
（3）如果原子吸收一定频率的光子，原子得到能量后则从低能级向高能级跃迁。
（4）原子处于第n能级时，可能观测到的不同波长种类N为：
考点分析：
考点：波尔理论：定态假设；轨道假设；跃迁假设。
考点：h=Em—En
考点：原子处于第n能级时，可能观测到的不同波长种类N为：
考点：原子的能量包括电子的动能和电势能（电势能为电子和原子共有）即：原子的能量En=EKn+EPn。轨道越低，电子的动能越大，但势能更小，原子的能量变小。
电子的动能：r越小，EK越大。
一天早上，著名的物理学家、诺贝尔奖获得者欧内斯特·卢瑟福接到了一位同事的电话。同事说他准备给一个学生的物理答卷判零分，而这名学生却声称自己应该得到满分。于是，师生俩决定找一位不偏不倚的裁判，结果选中了卢瑟福。整份试卷只有一道题，试题如下：“如何用气压计测定一栋大楼的高度？”学生的答案是：“把气压计拿到楼顶，用一根长绳系住气压计，将气压计垂到地面，然后提上来，测量绳子放下的长度，该长度便是大楼的高度。”
这位学生的确有充分的理由得满分，因为他的回答严丝合缝准确无误。但另一方面，如果给满分，无疑表明他在物理学方面能力突出，而这个答案并不能证实这一点。如何裁决呢？思虑良久，卢瑟福建议让学生再试一次，给他6分钟时间，让他必须用物理学方面的知识来回答这个问题。5分钟过去了，学生什么也没写。卢瑟福问他是否想放弃，他回答说，他有好几个答案，正在想哪个是最好的。卢瑟福对自己干扰他的思考表示抱歉并请他继续。在接下来的1分钟里，他迅速写出了如下答案：“将气压计拿到楼顶的边缘，松开手，让其自由落下，用秒表记录气压计降落到地面的时间，然后运用自由落体公式h＝0.5×g×t2（高度＝0.5×重力加速度×时间的平方），计算出大楼的高度。”
看了学生的答案，卢瑟福问同事是否还坚持刚才的意见。同事哈哈一笑，然后夸赞学生做得非常出色，并且给了他满分的成绩。当卢瑟福正要离开同事的办公室时，他突然想起那个学生说过他还有好几种其他的答案，便好奇地问他那几个答案是什么。学生答道：“借助气压计测量大楼的高度，有许多种方法。例如，在一个阳光灿烂的日子，把气压计拿到户外，测量出气压计的高度和其阴影的长度，以及大楼所投射出的阴影的长度，通过运用简单的比例法，就可以算出大楼的'高度。”
“好极了，”卢瑟福说，“其他的方法呢？”
学生微微一笑，答道：“还有一种经典的方法，你也许会喜欢用。方法是：拿上气压计，开始爬楼梯，并在墙上依次标出气压计的长度，记住你一共做了多少个记号。这种方法简而言之就是用气压计当尺子去量大楼的高度。”
“很直接的一种方法。”卢瑟福笑道。
“当然，还有一种更为复杂的方法，你可以把气压计系在绳子的一端，让它像钟摆一样摆动，分别测算在地面和在楼顶上的重力加速度ｇ。理论上，根据这两个ｇ的差值就可以计算出建筑物的高度。”
“根据同样的方法，把气压计拿到楼顶，用一根长绳系住气压计，将气压计放下，接近地面，然后让其如钟摆一样摆动，根据摆动周期便可以计算出大楼的高度。”
“总之，”他总结道，“还有许多的方法可以解决这个问题。”
“最好的一种方法或许是，带上气压计到大楼地下室，去敲大楼看门人的门。看门人开门后，你就对他说：‘先生，我这儿有一个很好的气压计，如果您能告诉我这栋大楼的高度，气压计就归您了。’”
说到这儿，卢瑟福问那个学生，他是否真的不知道这个问题的最常规的方法。他回答说他是知道的，但他说从中学到大学，老师们总是试图教他怎样去思考，对此他实在感到很腻烦。
这个学生的名字叫尼尔斯·玻尔。多年后，他获得了诺贝尔物理学奖。
一、理论基础
力 学
1、运动学
参照系。质点运动的位移和路程，速度，加速度。相对速度。
矢量和标量。矢量的合成和分解。
匀速及匀速直线运动及其图象。运动的合成。抛体运动。圆周运动。
刚体的平动和绕定轴的转动。
2、牛顿运动定律
力学中常见的几种力
牛顿第一、二、三运动定律。惯性参照系的概念。
摩擦力。
弹性力。胡克定律。
万有引力定律。均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式（不要求导出）。开普勒定律。行星和人造卫星的运动。
3、物体的平衡
共点力作用下物体的平衡。力矩。刚体的平衡。重心。
物体平衡的种类。
4、动量
冲量。动量。动量定理。
动量守恒定律。
反冲运动及火箭。
5、机械能
功和功率。动能和动能定理。
重力势能。引力势能。质点及均匀球壳壳内和壳外的引力势能公式（不要求导出）。弹簧的弹性势能。
功能原理。机械能守恒定律。
碰撞。
6、流体静力学
静止流体中的压强。
浮力。
7、振动
简揩振动。振幅。频率和周期。位相。
振动的图象。
参考圆。振动的速度和加速度。
由动力学方程确定简谐振动的频率。
阻尼振动。受迫振动和共振（定性了解）。
8、波和声
横波和纵波。波长、频率和波速的关系。波的图象。
波的干涉和衍射（定性）。
声波。声音的响度、音调和音品。声音的共鸣。乐音和噪声。
热 学
1、分子动理论
原子和分子的量级。
分子的热运动。布朗运动。温度的微观意义。
分子力。
分子的动能和分子间的势能。物体的内能。
2、热力学第一定律
热力学第一定律。
3、气体的性质
热力学温标。
理想气体状态方程。普适气体恒量。
理想气体状态方程的微观解释（定性）。
理想气体的内能。
理想气体的等容、等压、等温和绝热过程（不要求用微积分运算）。
4、液体的性质
流体分子运动的特点。
表面张力系数。
浸润现象和毛细现象（定性）。
5、固体的性质
晶体和非晶体。空间点阵。
固体分子运动的特点。
6、物态变化
熔解和凝固。熔点。熔解热。
蒸发和凝结。饱和汽压。沸腾和沸点。汽化热。临界温度。
固体的升华。
空气的湿度和湿度计。露点。
7、热传递的方式
传导、对流和辐射。
8、热膨胀
热膨胀和膨胀系数。
电 学
1、静电场
库仑定律。电荷守恒定律。
电场强度。电场线。点电荷的场强，场强叠加原理。均匀带电球壳壳内的场强和壳外的场强公式（不要求导出）。匀强电场。
电场中的导体。静电屏蔽。
电势和电势差。等势面。点电荷电场的电势公式（不要求导出）。电势叠加原理。均匀带电球壳壳内和壳外的电势公式（不要求导出）。
电容。电容器的连接。平行板电容器的电容公式（不要求导出）。
电容器充电后的电能。
电介质的极化。介电常数。
2、恒定电流
欧姆定律。电阻率和温度的关系。
电功和电功率。
电阻的串、并联。
电动势。闭合电路的欧姆定律。
一段含源电路的欧姆定律。
电流表。电压表。欧姆表。
惠斯通电桥，补偿电路。
3、物质的导电性
金属中的电流。欧姆定律的微观解释。
液体中的电流。法拉第电解定律。
气体中的电流。被激放电和自激放电（定性）。
真空中的电流。示波器。
半导体的导电特性。Ｐ型半导体和Ｎ型半导体。
晶体二极管的单向导电性。三极管的放大作用（不要求机理）。
超导现象。
4、磁场
电流的'磁场。磁感应强度。磁感线。匀强磁场。
安培力。洛仑兹力。电子荷质比的测定。质谱仪。回旋加速器。
5、电磁感应
法拉第电磁感应定律。
楞次定律。
自感系数。
互感和变压器。
6、交流电
交流发电机原理。交流电的最大值和有效值。
纯电阻、纯电感、纯电容电路。
整流和滤波。
三相交流电及其连接法。感应电动机原理。
7、电磁振荡和电磁波
电磁振荡。振荡电路及振荡频率。
电磁场和电磁波。电磁波的波速，赫兹实验。
电磁波的发射和调制。电磁波的接收、调谐，检波。
光 学
1、几何光学
光的直进、反射、折射。全反射。
光的色散。折射率与光速的关系。
平面镜成像。球面镜成像公式及作图法。薄透镜成像公式及作图法。
眼睛。放大镜。显微镜。望远镜。
2、波动光学
光的干涉和衍射（定性）
光谱和光谱分析。电磁波谱。
3、光的本性
光的学说的历史发展。
光电效应。爱因斯坦方程。
波粒二象性。
原子和原子核
1、原子结构
卢瑟福实验。原子的核式结构。
玻尔模型。用玻尔模型解释氢光谱。玻尔模型的局限性。
原子的受激辐射。激光。
2、原子核
原子核的量级。
天然放射现象。放射线的探测。
质子的发现。中子的发现。原子核的组成。
核反应方程。
质能方程。裂变和聚变。
基本粒子。
数学基础
1、中学阶段全部初等数学（包括解析几何）。
2、矢量的合成和分解。极限、无限大和无限小的初步概念。
3、不要求用微积分进行推导或运算。
二、实验基础
1、要求掌握国家教委制订的《全日制中学物理教学大纲》中的全部学生实验。
2、要求能正确地使用（有的包括选用）下列仪器和用具：米尺。游标卡尺。螺旋测微器。天平。停表。温度计。量热器。电流表。电压表。欧姆表。万用电表。电池。电阻箱。变阻器。电容器。变压器。电键。二极管。光具座（包括平面镜、球面镜、棱镜、透镜等光学元件在内）。
3、有些没有见过的仪器。要求能按给定的使用说明书正确使用仪器。例如：电桥、电势差计、示波器、稳压电源、信号发生器等。
4、除了国家教委制订的《全日制中学物理教学大纲》中规定的学生实验外，还可安排其它的实验来考查学生的实验能力，但这些实验所涉及到的原理和方法不应超过本提要第一部分（理论基础），而所用仪器就在上述第2、3指出的范围内。
5、对数据处理，除计算外，还要求会用作图法。关于误差只要求：直读示数时的有效数字和误差；计算结果的有效数字（不做严格的要求）；主要系统误差来源的分析。
三、其它方面
物理竞赛的内容有一部分要扩及到课外获得的知识。主要包括以下三方面：
1、物理知识在各方面的应用。对自然界、生产和日常生活中一些物理现象的解释。
2、近代物理的一些重大成果和现代的一些重大信息。
3、一些有重要贡献的物理学家的姓名和他们的主要贡献。
1．重力
物体的重心与质心
重心：从效果上看，我们可以认为物体各部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫做物体的重心。
质心：物体的质量中心。
设物体各部分的重力分别为G1、G2??Gn，且各部分重力的作用点在oxy坐标系中的坐标分别是（x1，y1）（x2，y2）??（xn，yn）,物体的重心坐标xc，yc可表示为xc=?GxGiii=G1x1?G2x2???Gnxn?Giyi=G1y1?G2y2???Gnyn ， yc=G1?G2???GnG1?G2???GnGi
2．弹力
胡克定律：在弹性限度内，弹力F的大小与弹簧伸长（或缩短）的长度x成正比，即F=k x，k为弹簧的劲度系数。
两根劲度系数分别为k1，k2的弹簧串联后的劲度系数可由111=+求得，并联后劲度系数为kk1k2
k=k1+k2.
3．摩擦力
最大静摩擦力：可用公式F m=μ0FN来计算。FN为正压力，μ0为静摩擦因素，对于相同的接触面，应有μ0>μ(μ为动摩擦因素)
摩擦角：若令μ0=Fm=tanφ，则φ称为摩擦角。摩擦角是正压力FN与最大静摩擦力F m的合力FN
与接触面法线间的夹角。
4．力的合成与分解
余弦定理：计算共点力F1与F2的合力F
F=F1?F2?2F1F2cos?
φ=arctan22F2sin?（φ为合力F与分力F1的夹角） F1?F2cos?
三角形法则与多边形法则：多个共点共面的力合成，可把一个力的始端依次画到另一个力的终端，则从第一个力的始端到最后一个力的终端的连线就表示这些力的合力。
拉密定理：三个共点力的合力为零时，任一个力与其它两个力夹角正弦的比值是相等的。
5．有固定转动轴物体的平衡
力矩：力F与力臂L的乘积叫做力对转动轴的力矩。即M=FL，单位：N·m。
平衡条件：力矩的代数和为零。即M1+M2+M3+??=0。
6．刚体的平衡
刚体：在任何情况下形状大小都不发生变化的力学研究对象。
力偶、力偶矩：二个大小相等、方向相反而不在一直线上的平行力称为力偶。力偶中的一个力与力偶臂（两力作用线之间的垂直距离）的乘积叫做力偶矩。在同一平面内各力偶的合力偶矩等于各力偶矩的代数和。
平衡条件：合力为零，即∑F=0；对任一转动轴合力矩为零，即∑M=0。
