17.2 光的粒子性 精品教案

第一篇：17.2 光的粒子性 精品教案

宁国市津河中学物理组教案

17．2 科学的转折：光的粒子性

★教学目标

（一）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

（二）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。

（三）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 ★课时安排课时

★教学过程

（一）引入新课

提问：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。）

学生回顾、思考，并回答。教师倾听、点评。

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

教师：实验演示。（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 宁国市津河中学物理组教案

玻璃棒去靠近锌板，则验电器的指针张角会变大。

学生：认真观察实验。

教师提问：上述实验说明了什么？

学生：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12mevceUc2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νc----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νc。

当入射光频率ν>νc 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν <νc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

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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hν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ν 的光是由大量能量为 E =hν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，hEkW0一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：cW0 h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。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。

点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

例题

（教材36页）

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学生通过运算得出相应的正确结果。

点评：理论联系实际，适量的练习题可以进一步巩固和掌握所学理论知识。6．康普顿效应（1）光的散射

光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

（2）康普顿效应1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长

和散射物质都无关。（3）康普顿散射的实验装置与规律：

按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！

散射中出现0的现象，称为康普顿散射。康普顿散射曲线的特点：① 除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长

② 新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为0

波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，0c(1cos)c = 0.0241Å=2.41×10-3nm（实验值）称为电子的Compton波长只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。（4）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。②

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无法解释波长改变和散射角的关系。（5）光子理论对康普顿效应的解释

①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。

②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。（6）康普顿散射实验的意义①有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； ②首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；

③证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。

展示演示文稿资料：康普顿

康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。

康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。展示演示文稿资料：吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作.1925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角(120)测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。

点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

（7）光子的能量和动量说明：动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用2Emchm2cEhPmchhhc2cc来描述波的

（三）课堂小结

教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑

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板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。

（四）作业：“问题与练习”1～6题。★教学体会

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

第二篇：《光的粒子性》教学设计

高二年级物理学科 《光的粒子性》课堂教学设计

巍山一中

朱广泽

一、设计思想

本节课设计的基本理念是：以学生为主体，以学生的发展为中心，发挥物理学科教育效应优势，促进学生知识、技能、品德三维一体的全面发展。思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。本节内容比较难讲，到底怎样讲学生易于接受？教学界一直在探索，本节以实验演示引入，在引入阶段让学生充分讨论两个问题：“为什么在紫外线的照射下锌板中的自由电子会跑出来呢？”“为什么用红光照射锌板打不出电子？”这样的引入激发了学生的兴趣，为即将进行的教学做好了准备。光电效应的实验规律部分是激发学生想象力的关键，不能简单地将知识灌输给学生，“存在饱和电流、遏止电压、截至频率、效应的瞬时性”每一个问题都让学生从已有的知识出发去探讨，再和实验结果进行比较，学生会真切感受到经典理论的局限性和光电效应的神奇性，增强教学效果。有了前面的铺垫，爱因斯坦对光电效应的解释便呼之欲出，顺利成章了。整个设计以贯穿三维目标为基调，以培养学生想象了为主轴，以教材知识线索为主线。

二、教材分析

本节知识由光电效应的实验规律、光电效应解释中的疑难、爱因斯坦的光电效应方程、康普顿效应和光子的动量五部分组成，内容较多，难度也较大，教材把这些内容放在这一节里，是希望通过这一节的学习能让学生对光子有一个全面的认识。本节知识也是本章的重点内容。光电效应和康普顿效应是认识光的粒子性的重要依据，爱因斯坦用量子思想对光电效应的解释是科学转折的重大信号，更多的科学家开始关注普朗克提出的量子观点，并开创了新的局面。光电效应实验是本节的“根”，要创造条件做好实验。

三、学情分析

学生对光的波动性还没有学习，这样就增加了对这节内容学习的难度，只有采用在学习本节内容之前让学生先学习一些有关光的波动性的知识，即经典的电磁理论知识。

四、教学目标

（一）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。

（二）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。

（三）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。

五、教学重点难点

重点 ：光电效应的实验规律

难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义

六、教学策略与手段

教师启发、引导，学生讨论、交流的导学案方式

七、课前准备

1、学生的学习准备：学生在上课前完成导学案的预习提纲及展示质疑内容，准备好课本，课堂作业本和笔。

2、教师教学准备：检查学生的预习情况，精心做好教学设计，细心备好课，设计好板书和课后作业，教学用具准备光电效应演示器和多媒体课件。

八、教学过程

第一课时

（一）导入新课

【教师讲解】光究竟是什么？让我们再次回顾历史上对光的本性之争。最初，牛顿认为光是一种微粒，惠更斯认为是一种波，二者都各自能解释一些现象，由于牛顿在学术界的地位，而波动说又缺少有力的实验事实，人们倾向于光是一种粒子的看法。直到发现了光的干涉、衍射这一波特有的现象之后，人们才开始从波的角度研究光。麦克斯韦提出光是一种电磁波，并建立了完善的电磁场理论，光的波动理论似乎很完美了。

既然如此，为什么本节又要谈论“光的粒子性”呢？让我们先做一个实验。实验演示：（参见教材图17.2-1）教师介绍实验器材，并说明由于实验室没有锌板，用光电管代替，然后演示，引导学生观察电流表的指针偏转情况。

（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。

学生：认真观察实验。启发猜想：为什么用紫外线照射锌板会引发验电器的指针偏转？（学生会提出多种猜想）

引导分析：锌板本身是电中性的，现在它带了正电，说明在紫外线的照射下锌板中的自由电子跑了。

【教师提问】为什么在紫外线的照射下锌板中的自由电子会跑出来呢？

引导分析：让学生结合以前的知识回想电子在核外运动的运动情况；光波是一种电磁波，它要形成电场，电子处在电场中要受到电场力的作用。

启发猜想：改用其他的光（比如红光）来照射会不会照射出电子？或用其他的材料做实验会不会照射出电子？

学生根据已有的知识，猜想一定会发生与刚才相同的现象，然而这是做实验却没有电子跑出来。激起学生的认知冲突，学生急于想弄懂：为什么用紫光能照射出电子而用红光就不能照射出电子呢？

（二）新课教学

1、光电效应的实验规律

【教师讲解】我们刚才做的实验是科学史上一个非常重要的实验，这个实验的焦点在于“为什么用红光照射锌板打不出电子”，科学家将实验装置进行了改进，得到了很多出人意料的规律，下面我们一起来学习：

（板书）光电效应的实验规律

让学生阅读总结：光电效应现象（板书）

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。

引导学生分析实验装置（教科书图17.2-2），介绍实验原理。

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。

【教师提问】为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？

分析解答：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”）。

【教师提问】保持光照条件不变，逐渐加大两极之间的电压，大家分析会怎样变化？ 引导分析：学生根据电场力知识会得到电流会得到增大的结论。有的学生会分析出电流会增大到一个极限值。

（看完后做演示实验）

教师解答：同学们的分析会与实验结果一致吗？我们一起来阅读教科书的实验结果

引导看书：存在饱和电流。

（板书）存在饱和电流：对于一定颜色（频率）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

【教师讲解】当所加电压为0时，电流并不为0。只有施加反向电压，也就是阴极接电源正极，阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，这时电流才可能为0，使光电流为0的反向电压成为遏止电压。

（板书）遏止电压及其公式

12根据动能定理，有 mevceUc2

【教师提问】对刚才的实验，加了遏止电压后，如果再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？

引导分析：学生按照经典理论解释一定会有光电流，因为入射光越强，电子吸收到的能力就越多，电子跑出来的动能也越大，刚才的这个电压就不能遏止住了，减弱光的强度，遏止电压肯定会减小。

【教师解释】同学们分析的很好，但科学家经过实验研究发现，此时无论是入射光的强度增大到多大，都没有光电流产生。而且实验发现只要是同一频率的光都有相同的遏止电压，与光的强度无关。如果改变光的频率，遏止电压也会随之改变。

（板书）光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。引导看书：截至频率

（板书）截至频率：当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属截至频率不同。

【演示实验】用不同的滤光片，观察现象

实验结果是射出的光电子的能量与入射光的强度无关，只与频率有关。刚才的分析认为，有光电流是因为光的能量在电子身上叠加，进一步说明入射光的能量并没有在电子身上叠加，引发学生的认知冲突。

引导猜测：电子是怎样吸收入射光的能量的呢？ 当年爱因斯坦等大量科学家也在做这样类似的猜测。【教师提问】如果入射光的频率超过截至频率，做两次实验，第一次用很弱的光照射，第二次用很强的光照射，请问那一次光电子从锌板跑出来的时间长些？

引导分析：学生会根据积累效应分析；如果入射光很弱，光子积累到跑出来的能量需要更多时间。

但实验的结果又是怎样的呢？ 演示实验

（板书）光电效应具有瞬时性：发生观点效应几乎不需要反应时间。2．光电效应解释中的疑难 引导看书：光电效应解释中的疑难

（板书）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。

【教师总结】同学们根据自己已有的知识对光电效应可能发生的现象进行了猜测和分析，我们发现我们的推测与实验大相径庭，是我们学的知识错了还是面对新的实验事实应该建立新的理论呢？我们来看科学家是怎样面对的？ 3．爱因斯坦的光电效应方程

引导学生看书：爱因斯坦的光电效应方程

【教师讲解】爱因斯坦一辈子很少做实验，他是一个伟大的物理学家，但他非常尊重实验事实，当理论与实验事实相矛盾时他倾向实验，为了解释光电效应实验规律，他接受并发展可普朗克都惶惑的能量子观点，提出光子说提出光子说，从而成功地解释了光电效应规律。

（板书）光子：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光子能量为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子叫做光子。

（板书）爱因斯坦光电效应方程：

hEkW0（其中Ek为电子从金属表面逸出的最大初动能，hν为一个光子的能量，W0为逸出功，与频率的关系是c

（1）内容：光不仅在发射和吸收时以能量为hν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ν 的光是由大量能量为 E =hν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，W0）hhEkW05 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：cW0 h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。

九、板书设计

§17.2 光的粒子性

一、光电效应的实验规律

1、光电效应现象：

2、存在饱和电流：

入射光越强，单位时间内发射的光子数越多。

12mevceUc3、遏止电压及其公式： 2

4、光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关

5、截至频率：当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属截至频率不同。

6、光电效应具有瞬时性：发生光电效应几乎不需要反应时间。小于10-9S

二、光电效应解释中的疑难

逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。

三、爱因斯坦的光量子假设

1、光子：光本身是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光子能量为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子叫做光子。

2、爱因斯坦光电效应方程：

hEkW0（其中Ek为电子从金属表面逸出的最大初动能，hν为一个光子的能量，w0为逸出功，与频率的关系是c

十、作业设计

1、课本P36问题与练习第1、2、3、4题。

W0）h

第三篇：四、光的波动性和粒子性 教案

四、光的波动性和粒子性

教学目标

1．让学生了解电磁波谱和光谱的种类及其应用．

2．让学生知道光电效应的产生条件和规律；了解电子说：渗透辩证唯物主义的观点和方法． 教学重点、难点分析

对光电效应四条基本规律的理解及对光电效应现象的解释． 教学过程设计 教师活动

前面我们已经复习了光的干涉现象和衍射现象．光可以产生干涉现象和衍射现象说明了什么呢？ 学生活动

说明光具有波动性．

我们在学习机械波时，知道机械波也能发生干涉现象和衍射现象． 结合上述两种情况我们能得出什么样的结论呢？ 干涉现象和衍射现象是波特有的现象．

如果我们使用某种方法使电子也能产生衍射图样，那么我们对电子的行为如何认识呢？ 电子一定具有波动性．

很好！请同学们看一看阅读教材．

既然光是一种波，那么光波是属于机械波还是属于电磁波？还是独立于机械波、电磁波的另一种波？你们要是科学家对这个问题如何分析？

光肯定不是机械波，因为机械波的产生不但要有波源而且还需要介质，光可以在真空中传播不需要介质，因此光不是机械波，所以光不是电磁波，就是一种另外形式的波．

现在人们对光波是怎样认识的呢？ 光是一种电磁波．

这个观点是谁提出来的？ 麦克斯韦．

由谁用实验证实的？ 赫兹．

我们知道，电磁波是一个大的家庭，它都有哪些成员呢？ 无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线． 这些成员合起来就构成了电磁波谱． 投影（电磁波谱 如图4-4-1．）

我们这个世界五彩缤纷，都是由于有可见光，但是，可见光在电磁波谱中只是一个很窄的波段． 我们观察电磁波谱，能得到什么结论？ 由左至右，频率越来越大，波长越来越短． 在电磁波谱中，各种电磁波的性质不同，因而它们就具有不同的用途，在前面的学习中我们已经学习了关于无线电波、微波的有关知识．

下面我们从红外线开始复习． 红外线的主要特点是什么？

红外线主要特点是热效应，一切物体都在不停地辐射红外线，并且不同的物体辐射红外线的波长和强度不同．

红外线的主要用途是什么？

（1）利用红外线的热效应对物体进行烘干．

（2）利用红外线波长较长，容易发生衍射的特点进行远距离和高空摄影．

（3）利用不同物体辐射红外线的波长和强度的不同可以对物体进行远距离探测，这种技术叫红外线遥感． 同学们回答的很好，人们对红外线特性的利用远没达到成熟，有待我们进一步开发和利用．

现在国外有一种飞机叫做隐形飞机，这种飞机采用多种措施进行隐形，不易被对方的雷达发现，请同学们猜想，它是怎样隐形的呢？

多种措施我们还不能完全说出来，但有一条可以肯定，这种飞机必须要减少自身的红外辐射． 下面我们来复习有关紫外线的问题．紫外线主要特点和主要用途是什么？

紫外线的主要作用是化学作用．一切高温物体发出的光都含有紫外线，紫外线的波长比紫光还短，紫外线有很强的荧光效应，紫外线有杀菌消毒的作用等．

下面提一个关于物理学史的问题．

世界上第一个获诺贝尔物理学奖的人是谁？ 伦琴：

他为何获奖？

发现了X射线，又称伦琴射线． X射线的主要特点和用途是什么？

X射线是比紫外线波长还短的电磁波，它的穿透本领很大． X射线穿透物质的本领跟物质的密度有关系，在工业上可以用它来检查金属部件有没有砂眼、裂纹等缺陷，在医学上可以用它来透视人体，检查体内的病变和骨折的情况．

比X射线波长更短的电磁波叫做γ射线，它对物体的穿透本领比X射线更强，利用γ射线的穿透作用制成γ射线探伤仪，用来检测金属材料内部伤痕、裂缝、气孔等．

利用γ射线穿透金属板的强度变化，可制成金属测厚计来检测金属板的厚度以及镀层的厚度等． 不同的电磁波产生的机理不同，它们是如何产生的呢？（1）无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的，这种电路的原理我们学过，就是LC振荡电路．（2）红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的．（3）X射线是原子的内层电子受到激发后产生的．（4）γ射线是原子核受到激发后产生的．

既然它们都是电磁波，它们的行为应服从共同的规律，我们知道的它们服从的共同规律都有哪些呢？ 它们都能发生干涉和衍射现象，它们在真空中的传播速度都是3.0×108m/s． 它们的波长或频率不同，导致它们有哪些不同的特性呢？

电磁波谱从左至右频率越来越大，波长越来越短，因此就越不容易发生干涉和衍射现象，但穿透本领却越来越强．

从电磁波谱中我们看到，可见光是一种电磁波，它是由原子外层电子受激后产生的．由于不同元素的原子及其电子的运动情况不同，受激后产生的电磁波的频率和波长也是不相同的，这就为我们研究物体的化学成分提供了有力的依据．现在这方面的研究已形成了一个专门的学科——光谱学．

下面我们复习关于光谱方面的知识． 光谱怎样分类？ 光谱可分为发射光谱和吸收光谱．

其实光谱可分为三类：发射光谱、吸收光谱和散射光谱．在高中阶段只介绍了发射光谱和吸收光谱． 什么叫发射光谱？

由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱． 发射光谱怎样分类？

发射光谱包括连续谱和线状谱．

教师展示挂图，使学生感受连续谱和线状谱． 线状谱又叫做原子谱这是为什么？

各种元素都有一定的线状谱，元素不同，线状谱不同．所以，线状谱又叫原子光谱． 什么是特征谱线？

每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线，这种谱线叫做那种元素的特征谱线．如果我们对发光物质的光谱进行分析时，发现了某种元素的特征谱线，我们就可以断定发光物质中一定具有这种元素．

什么是吸收光谱？

吸收光谱是一束具有连续波长的光通过物质时，某些波长的光被吸收后产生的光谱．这种光谱是以连续光谱为背景，其中有暗线、暗带或暗区．不同物质产生的吸收光谱不同．

吸收光谱中的暗线是否可以叫做特征谱线？ 可以．

两条明线和两条暗线相对应．

教师展示挂图，让学生观察钠的发射光谱和吸收光谱． 教师展示钠的吸收光谱和太阳光谱．

教师说明：太阳光谱是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱． 太阳大气层中有钠吗？ 有．

教师布置让学生将这部分书认真阅读．

前面我们复习了光的电磁说，它很好地解释了光的干涉、衍射现象，但是，光的电磁说并不能成功地说明光的所有现象．例如光电效应现象．

实验装置（图4-4-2）

叙述实验现象：

用弧光灯照射锌板，验电器就张开一个角度，说明锌板带了电，进一步检查知道锌板带的是正电．这说明在弧光灯的照射下，锌板中有一部分电子从表面飞了出去，锌板缺少了电子，于是带正电．

这种在光的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应，发出来的电子叫做光电子． 光电效应现象的四点结论是什么？

（1）任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个频率的光不能产生光电效应．

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大．（3）入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9S．（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比． 光的电磁说不能解释前三条实验结论．

第一：按照光的电磁说，光是电磁波，是变化的电场与变化的磁场的传播．入射光照射到金属上时，金属中的自由电子受变化电场的驱动力作用而做受迫振动，增大入射光的强度，光波的振幅增大，当电子做受迫振动的振幅足够大时，总可挣脱金属束缚而逸出，成为光电子，不应存在极限频率．

第二：按照光的电磁说，光的强度应由光波的振幅决定，因此光电子的最大初动能应与入射光的强度有关． 第三：按照光的电磁说，光电子的产生需要较长的时间而不是瞬间． 光电磁说与光电效应现象产生了尖锐的矛盾． 是谁最终成功地解释了光电效应现象？ 爱因斯坦．

爱因斯坦是怎样解释的？

爱因斯坦在普朗克关于电磁波的发射和吸收是不连续的而是一份一份地进行的学说启发下提出了光子说． 光子说认为：在空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即E=hv，h是普朗克常数．

光子的能量只与光的频率有关，金属中的电子吸收的光子的频率越大，电子获得的能量也就越多，当能量足以使电子摆脱金属束缚时就能从金属表面逸出，成为光电子．因而存在一个能使电子获得足够能量的频率，即极限频率．

上述解释同样能解释光电效应第二条结论．

电子吸收了光子后，动能立刻就增加了，不需要能量的积累过程，因此光电子的发射几乎是瞬时的． 解释得很好，至于第四条结论怎样解释请同学们课后思考，可阅读教材．

我们在复习电磁波谱时知道，光的频率越大，其对物体的穿透本领就越强，这是为什么？

按照爱因斯坦的光子说，光的频率越大，组成这种光的光子能量也就越大，当然对物体的穿透本领也就越强了．

通过上边的复习我们知道，光既有波动性，又有粒子性，人们无法只用其中一种来说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性，请同学们阅读光的波粒二象性一节．

请同学们自己复习光电管并阅读爱因斯坦光电效应方程部分． 同步练习

一、选择题

1．红、橙、黄、绿四种单色光子，光子能量最小的是[

] A．红光

B．橙光 C．黄光

D．绿光

2．太阳光谱中有许多暗线，它们是对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于 [

] A．太阳表面大气层中缺少相应的元素 B．太阳内部缺少相应的元素

C．太阳表面大气层中存在着相应的元素 D．太阳内部存在着相应的元素

3．用绿光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极射出时的最大初动能增大，应

[

] A．改用红光照射

B．增大绿光的强度 C．增大光电管的加速电压

D．改用紫光照射

4．在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图4-4-3所示，这时

[

]

A．锌板带正电，指针带负电 B．锌板带正电，指针带正电 C．锌板带负电，指针带正电 D．锌板带负电，指针带负电

5．设λ

1、λ2是两种单色光1、2在真空中的波长，若λ1＞λ2，则这两种单色光线相比

[

] A．单色光1的频率较小

B．玻璃对单色光1的折射率较大

C．在玻璃中，单色光1的传播速度较大 D．单色光1的光子能量较大

6．两种单色光A、B分别由垂直水平方向从水面射向水底，它们经历的时间tA＞tB，下列判断正确的是 [

] A．A色光的波长比B色光的波长大 B．A色光的波长比B色光的波长小

C．A色光的光子能量比B色光的光子能量大 D．A色光的光子能量比B色光的光子能量小

二、计算题

7．一单色光照在金属钠的表面上时有光电子射出，当所加反向电压为3V时，光电流恰好为零，已知钠的极限频率为5000Hz，求：该单色光的频率．

8．有一功率为500W的红外线电热器，如果它辐射的红外线的频率为3.0×1014Hz，求：（1）每秒发出的光子数；（2）在距离电热器2m远处，垂直于红外线传播方向的1cm2的面积上每分钟能接收到多少个光子？

参考答案

1．A

2．C

3．D

4．B

5．A

B 6．B

C

7．1.32×1015Hz 8．（1）2.5×1021（个），（2）3.0×1017（个）

第四篇：2015-2016学年人教版选修3-5 17.2 光的粒子性 教案

17．2 光的粒子性

★新课标要求

（一）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

（二）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。

（三）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 ★课时安排 2 课时 ★教学过程

（一）引入新课

提问：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。）

学生回顾、思考，并回答。教师倾听、点评。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

教师：实验演示。（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。

学生：认真观察实验。

教师提问：上述实验说明了什么？

学生：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120。Uc称遏止

mevceUc2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νc----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νc。

当入射光频率ν>νc 时，电子才能逸出金属表面；当入射光频率ν <νc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hν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ν 的光是由大量能量为 E =hν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，hEkW0一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：cW0 h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。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。

点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

例题

（教材36页）

学生通过运算得出相应的正确结果。

点评：理论联系实际，适量的练习题可以进一步巩固和掌握所学理论知识。6．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10~10倍，灵敏度高，用在工程、天文、58科研、军事等方面。7．康普顿效应（1）光的散射

光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

（2）康普顿效应1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长

和散射物质都无关。（3）康普顿散射的实验装置与规律：

按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！

散射中出现0的现象，称为康普顿散射。康普顿散射曲线的特点：① 除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长

② 新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为0

波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，0c(1cos)c = 0.0241Å=2.41×10-3nm（实验值）称为电子的Compton波长只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。（4）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难①根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。②无法解释波长改变和散射角的关系。（5）光子理论对康普顿效应的解释

①若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。

②若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。③因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。（6）康普顿散射实验的意义①有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； ②首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；

③证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。

展示演示文稿资料：康普顿

康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。

康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。展示演示文稿资料：吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作.1925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm)为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角(120)测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。

点评：应用物理学家的历史资料，不仅有真实感，增强了说服力，同时也能对学生进行发放教育，有利于培养学生的科学态度和科学精神，激发学生的探索精神。

（7）光子的能量和动量说明：动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用2Emchm2cEhPmchhhcc2c来描述波的

（三）课堂小结

教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。

点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。

教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。

（四）作业：“问题与练习”1～6题。

★教学体会

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花，水中月。

第五篇：粒子和宇宙教案

粒子和宇宙教案 新人教版选修3-5 粒子和宇宙 ★新课标要求

（一）知识与技能

1．了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史 2．初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一

（二）过程与方法

1．感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法 2．能够突破传统思维重新认识客观物质世界

（三）情感、态度与价值观

1．让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性。2．培养学生的科学探索精神。★教学重点

了解构成物质的粒子和宇宙演化过程 ★教学难点

各种微观粒子模型的理解 ★教学方法

教师启发、引导，学生讨论、交流。★教学用具：

1．Internet网络素材、报刊杂志、影视媒体等。

2．多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件（基于网络环境）播放等。★课时安排 1 课时 ★教学过程

（一）引入新课

教师：宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问题。宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀，要了解宇宙更早期的情况，我们必须研究组成物质的基本粒子。问题：现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么？

学生：构成物体的最小微粒为“原子”（不可再分）。

点评：从宇宙的起源角度去引起对物质构的粒子的了解，激发学生的兴趣，积极回答。教师：其实直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质不可分的最小微粒。20世纪初人们发现了电子，并认为原子并不是不可以再分，而且提出了原子结构模型的研究。问题：现在我们认为原子是什么结构模型，由什么组成？

学生回忆并回答：现在我们认为原子是核式结构，说明原子可再分，原子核由质子与中子构成。点评：引起学生回忆旧知识并巩固知识。

（二）进行新课

1．“基本”粒子 “不” 基本 教师：1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？ 学生思考并惊奇。点评：因为学生所能了解的最小粒子只有这些，所以这节课引起了学生的兴趣。（可以不按教材顺序介绍，接着介绍新粒子的发现）2．发现新粒子

教师：20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。请学生看教材（103页“发现新粒子”）思考下面的问题：

（1）从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？（2）通过科学核物理实验又发现了哪些粒子？（3）什么是反粒子？

（4）现在可以将粒子分为哪几类？ 在老师的引导下学生带着问题阅读教材。学生回答：

（1）1932年发现正电子；1937年发现μ子；1947年发现K介子与π介子（2）实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。

（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子。教师（讲授评析）：

强子：是参与强相互作用的粒子。（强子又分为介子和重子）轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。媒介子：传递各种相互作用的粒子。学生举例： 强子：质子、中子? 轻子：电子、电子中微子 媒介子：光子、胶子? 点评：激发学生了解相关知识，更进一步了解这个世界。比较三类粒子，让学生形成直观的认识，知道三类粒子的主要作用。3．夸克模型

问：上述粒子是不是最小单位，有没有内部结构呢？ 请学生看教材（第104页“夸克模型”）

学生：在老师的引导下学生带着问题阅读教材。

教师：1964年提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克（quark）。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。那么，现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？ 学生回答：

（1）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。?（2）夸克带电荷为元电荷的21?3或3倍

点评：提示学生现代科学不仅发现6种夸克而且发现了反夸克存在的证据。使学生知道知识的学习和科学的探究是无止境的。

教师（提示）：科学家们还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是物理学发展面临的一个重大课题。

夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步的发展。