2019-2020年高中物理 172 科學的轉(zhuǎn)折光的粒子性教學設計 新人教選修3-5.doc

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2019-2020年高中物理 172 科學的轉(zhuǎn)折光的粒子性教學設計 新人教選修3-5 新課標要求 1．內(nèi)容標準 （1）了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點。體會量子論的建立深化了人們對于物質(zhì)世界的認識。 （2）通過實驗了解光電效應。知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。 （3）了解康普頓效應。 （4）根據(jù)實驗說明光的波粒二象性。知道光是一種概率波。 （5）知道實物粒子具有波動性。知道電子云。初步了解不確定性關系。 （6）通過典型事例了解人類直接經(jīng)驗的局限性。體會人類對世界的探究是不斷深入的。 例1 通過電子衍射實驗，初步了解微觀粒子的波粒二象性，體會人類對于物質(zhì)世界認識的不斷深入。 2．活動建議 閱讀有關微觀世界的科普讀物，寫出讀書體會。 新課程學習 17．2 科學的轉(zhuǎn)折：光的粒子性 ★新課標要求 （一）知識與技能 1．通過實驗了解光電效應的實驗規(guī)律。 2．知道愛因斯坦光電效應方程以及意義。 3．了解康普頓效應，了解光子的動量 （二）過程與方法 經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 領略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對科學的好奇心與求知欲，樂于探究自然界的奧秘，能體驗探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 ★教學重點 光電效應的實驗規(guī)律 ★教學難點 愛因斯坦光電效應方程以及意義 ★教學方法 教師啟發(fā)、引導，學生討論、交流。 ★教學用具： 投影片，多媒體輔助教學設備 ★課時安排 2 課時 ★教學過程 （一）引入新課 提問：回顧前面的學習，總結(jié)人類對光的本性的認識的發(fā)展過程？ （多媒體投影，見課件。） 學生回顧、思考，并回答。 教師傾聽、點評。 光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光是電磁波，光的偏振現(xiàn)象進一步說明光還是橫波。19世紀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，正當人們以為光的波動理論似乎非常完美的時候，又發(fā)現(xiàn)了用波動說無法解釋的新現(xiàn)象——光電效應現(xiàn)象。對這一現(xiàn)象及其他相關問題的研究，使得人們對光的又一本質(zhì)性認識得到了發(fā)展。 （二）進行新課 1．光電效應 教師：實驗演示。（課件輔助講述） 用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導線與不帶電的驗電器相連），使驗電 器張角增大到約為 30度時，再用與絲綢磨擦過的玻璃棒去靠近鋅板，則驗電器的指針張角會變大。 學生：認真觀察實驗。 教師提問：上述實驗說明了什么？ 學生：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。發(fā)射出來的電子叫做光電子。 2．光電效應的實驗規(guī)律 （1）光電效應實驗 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。 光電子在電場作用下形成光電流。 概念：遏止電壓 將換向開關反接，電場反向，則光電子離開陰極后將受反向電場阻礙作用。 當 K、A 間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值 Uc 時，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。 根據(jù)動能定理，有 （2）光電效應實驗規(guī)律 ① 光電流與光強的關系 飽和光電流強度與入射光強度成正比。 ② 截止頻率νc ----極限頻率 對于每種金屬材料，都相應的有一確定的截止頻率νc 。 當入射光頻率ν>νc 時，電子才能逸出金屬表面； 當入射光頻率ν <νc時，無論光強多大也無電子逸出金屬表面。 ③ 光電效應是瞬時的。從光開始照射到光電子逸出所需時間<10-9s。 3．光電效應解釋中的疑難 經(jīng)典理論無法解釋光電效應的實驗結(jié)果。 經(jīng)典理論認為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強越大，光波的電場強度的振幅也越大，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該越大。也就是說，光電子的能量應該隨著光強度的增加而增大，不應該與入射光的頻率有關，更不應該有什么截止頻率。 光電效應實驗表明：飽和電流不僅與光強有關而且與頻率有關，光電子初動能也與頻率有關。只要頻率高于極限頻率，即使光強很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時，無論光強再大也沒有光電流。 光電效應具有瞬時性。而經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。 為了解釋光電效應，愛因斯坦在能量子假說的基礎上提出光子理論，提出了光量子假設。 4．愛因斯坦的光量子假設 （1）內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為hν的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。也就是說，頻率為ν 的光是由大量能量為 E =hν的光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運動。 （2）愛因斯坦光電效應方程 在光電效應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)楣怆娮右莩龊蟮膭幽?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能。 （3）愛因斯坦對光電效應的解釋： ①光強大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 ②電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時間的累積。 ③從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系 ④從光電效應方程中，當初動能為零時，可得極限頻率： 愛因斯坦光子假說圓滿解釋了光電效應，但當時并未被物理學家們廣泛承認，因為它完全違背了光的波動理論。 5．光電效應理論的驗證 美國物理學家密立根，花了十年時間做了“光電效應”實驗，結(jié)果在1915年證實了愛因斯坦光電效應方程，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的實驗規(guī)律，榮獲1921年諾貝爾物理學獎。 密立根由于研究基本電荷和光電效應，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學獎。 點評：應用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神，激發(fā)學生的探索精神。 例題 （教材36頁） 學生通過運算得出相應的正確結(jié)果。 點評：理論聯(lián)系實際，適量的練習題可以進一步鞏固和掌握所學理論知識。 6．光電效應在近代技術中的應用 （1）光控繼電器 可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。 （2）光電倍增管 可對微弱光線進行放大，可使光電流放大105~108倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。 7．康普頓效應 （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 1923年康普頓在做 X 射線通過物質(zhì)散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角有關，而與入射線波長 和散射物質(zhì)都無關。 （3）康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律： 按經(jīng)典電磁理論：如果入射X光是某種波長的電磁波，散射光的波長是不會改變的！ 散射中出現(xiàn)的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。 康普頓散射曲線的特點： ① 除原波長外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長 ② 新波長隨散射角的增大而增大。 波長的偏移為 波長的偏移只與散射角有關，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長無關， = 0.0241=2.4110-3nm（實驗值） 稱為電子的pton波長 只有當入射波長與可比擬時，康普頓效應才顯著，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時遇到的困難 ①根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應等于入射光頻率。 ②無法解釋波長改變和散射角的關系。 （5）光子理論對康普頓效應的解釋 ①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，于是散射光的波長大于入射光的波長。 ②若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。 ③因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，所以波長改變和散射角有關。 （6）康普頓散射實驗的意義 ①有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設； ②首次在實驗上證實了“光子具有動量”的假設； ③證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，動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順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒。 康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。 展示演示文稿資料：吳有訓對研究康普頓效應的貢獻 1923年，吳有訓參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作. 1925—1926年，吳有訓用銀的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( )測量各種波長的散射光強度，作了大量X射線散射實驗。對證實康普頓效應作出了重要貢獻。 點評：應用物理學家的歷史資料，不僅有真實感，增強了說服力，同時也能對學生進行發(fā)放教育，有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學精神，激發(fā)學生的探索精神。 （7）光子的能量和動量 說明：動量能量是描述粒子的，頻率和波長則是用來描述波的 （三）課堂小結(jié) 教師活動：讓學生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學到黑板上總結(jié)，其他同學在筆記本上總結(jié)，然后請同學評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學生活動：認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。 點評：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學生概括總結(jié)能力。 教師要放開，讓學生自己總結(jié)所學內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構建他們自己的知識框架。 （四）作業(yè)：“問題與練習”1～6題。