光电效应教材解读与教学设计
赵彦彬
教材分析：本节上半节《光电效应》及下半节《康普顿效应》和上节《黑体辐射》一样都是证明光的粒子性的经典实验。通过本节实验及分析，再现光的粒子性诞生的过程，并初步涉及量子物理学理论（光的粒子性建立的过程就是量子物理初步建立的过程）。
本节内容复杂，需要教师帮学生理清知识结构，以使学生从宏观上把握教材内容。本节的知识网络如下：
光电效应
（定性实验）
教学设计：
1、从定性实验入手。让学生知道光电效应现象，知道光电子，知道锌板及验电器带正电。
2、介绍电子逸出情景，介绍逸出功，让学生从能量角度认识光电效应。（此处介绍逸出功等，帮助学生建立感性认识，让学生从易于理解的能量角度认识问题，分散了难点。）
注意认识金属电子吸收光子的能量增加了自身动能，这些动能促使电子挣脱其他粒子的束缚，向外逃逸，逃逸时动能逐渐减少，减少的动能转化成势能。电子逃出金属面时的动能 Ek=△Ek=E光-△Ep。式子中△Ek为电子逸出后和逸出前动能的差值，显然电子逸出前后都存在与温度相对应的热运动动能，这部分动能不需要在等式前后都加上，我们关心的是动能的增加量；E光是光子的能量，△Ep是电子增加的势能。
以上逃逸情景中，有一部分电子较为特殊：即表层电子的逃逸情况。容易知道，表层电子逃逸时消耗的动能最小，也即克服阻力做的功（对应转化成的势能）也最小。这个最小的功叫做这种金属的逸出功，此时对应的逸出动能最大。即Ek=E光-W0
需要注意的是，这里的△Ek、W0都是很多电子的平均值。就某一个具体的电子来说比平均值大或小，所以若对某一个电子应该有△Ek=E光±E动-W0 。 式子中E动为比平均值多或
实验电路
实验器材 光电效应 （定量实验）
实验现象 新的分析解释
实验原理 实验步骤
实验电路 实验器材
传统理论解释
创新理论： 光的粒子性 少的能量，这就是课本中提到的“若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功„„”的“原有的热运动能量”的含义。——这个问题教学中可不主动涉及。
3、定量实验电路介绍、实验步骤介绍。
需要让学生注意认识分压电路、知道光电子向各个方向运动的都有、知道通过光电管的电流大小由每秒到达阳极A的电子数目唯一决定（阴极K发射的电子不一定全部达到阳极A，所以阴极发射电子数目并不能完全决定光电流——指通过光电管的电流）、加上正向电压可以使更多电子偏转并加速射向阳极A。
需要注意介绍光电管也是一个电源，即使没有正向电压，也有电子到达阳极A。加上正向电压只是两个电源正向串联，所以电流更大。
4、实验现象。 （1）存在饱和电流。
现象：①电源正接时，光照条件不变时，随着电压增大，光电流逐渐增大，但最终趋向一个饱和值。②增大入射光强度，饱和电流增大。
（实验现象按课本叙述让学生阅读或根据实验情况去总结。）
推论：在发生光电效应时，入射光越强，阴极Ｋ上发射的光电子数目越多。
解释：举例子说明问题：假如黄光照射某金属，每秒打出100个能量不同、速度方向不同的电子（之所以能量不同是因为表层电子出来时具有最大初动能，稍靠里的消耗能量多，出来时的初始动能较小），所以分压电路提供的电压越大时，被加速、偏转加速并达到A 板的电子数越多。但是，每秒达到Ａ板的电子最多只能达到100个，这时的电流叫做饱和电流。
如果增强黄光亮度，则每秒打出的电子数增大，所以饱和电流会增大。 （2）存在遏止电压。
现象：①滑动变阻器触头在最左端（分压为零）时，光电流不为零。或者将直流电源断开时光电流不为零。②将电源反接，从零开始逐渐增加反向电压，光电流逐渐减小，当电压增大到某一值时光电流为零。此时的电压称为遏止电压Uc。
推论：光电子具有一定的初始动能。解释：从金属板发出的光电子具有初动能，这些电子能直接到达阳极A，甚至在有反向电场力阻碍情况下也能到达阳极A，直到反向电压增大到一定值时才能被完全阻止，这就是遏止电压Uc存在的原因。众多的电子初动能不尽相同，其中最大初动能Ek=eUc。
（3）存在截止频率（极限频率）。
现象：①对某种的金属进行光电效应实验，改变光的频率，当频率小于一定值将不会在
2 被打出光电子。这个频率叫该金属的截止频率，也叫极限频率，记为υc。换用不同的金属，截止频率也随之改变。②高于截止频率时，无论光强大小，遏止电压都是相同的。
推论：光电子的能量与入射光的频率有关，与光的强弱无关。
解释：传统观点无法解释。传统观点认为，光的能量与光强成正比，与频率无关。传统观点得出的结论是，只要光强足够大就能发生光电效应，不存在截止频率。
（4）存在瞬时性。
现象：光照的同时就有光电流产生，没有先后，没有时间的积累 推论：光的能量瞬时传递给了电子。
解释：传统观点无法解释。传统观点得出的结论是，如果光强较小，需要一定的时间积累才能使电子获得足够的动能。
5、爱因斯坦光的能量子理论解释光电效应——光电效应方程
普朗克观点：黑体辐射中已经介绍过，电磁波在辐射和吸收时是一份一份的能量子。 爱因斯坦观点：电磁波（包括光）本身就是一份一份的能量子组成，不仅仅是在辐射和吸收过程中。频率为υ的光的能量子为hυ.一束光含有很多个能量子，其总能量为E=N hυ.光的频率υ决定光的单个能量子大小，能量子个数N决定光强大小。
这里能量子即能量单元，其数值为hυ.能量单元值与频率成正比。也可称为：光的能量与频率正比。后来把能量子叫做一个光子。
安因斯坦光电效应方程：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hυ，这些能量的一部分克服金属的逸出功W0，剩下的表现为电子逸出后的初动能Ek，即
Ek=hυ - W0
式子中W0是克服阻力做功的最小值，所以Ek是最大初动能，Ek=安因斯坦对光电效应的解释：
（1）现象1，和传统解释相当，只是把“光”换成“光子”，一个光子打出一个电子。由学生直接解释。
（2）现象2，和传统解释相当，只是把“光”换成“光子”，一个光子打出一个电子。由学生直接解释。
（3）现象3：频率较小的光，光子能量较小，使电子获得的能量尚小于逸出功，所以存在截止频率。频率高于截止频率时，光强即使很小，但也有一定数目的光子打出电子，所以无论光线强弱，遏止电压相同，都满足
12mv。 21mevc2eUc。（电子能量不会随时间积累，比23 如多个光子连续作用，“合力”打出一个电子）
（4）现象4：光的能量是一次性地提供一个光子的能量，不需要积累，所以只要大于截止频率，无论光强弱，不需要时间积累就能直接打出电子。
