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1、光电效应教学设计中国人民大学附属中学 李志刚校内指导教师 宓奇区指导教师 刘丹杰 苏明义 宋诗伟一、 指导思想与理论依据1.建构主义：以建构主义理论为指导，把认知建立在学生对客观的主动探究、发现的基础上。建构主义理论一个重要概念是图式，图式是指个体对世界的知觉理解和思考的方式。图式是认知结构的起点和核心，或者说是人类认识事物的基础。图式的形成和变化是认知发展的实质，认知发展受三个过程的影响：即同化、顺化和平衡。同化是指学习个体对刺激输入的过滤或改变过程。也就是说个体在感受刺激时，把它们纳入头脑中原有的图式之内，使其成为自身的一部分。顺应是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信
2、息时所引起的儿童认知结构发生重组与改造的过程，即个体的认知结构因外部刺激的影响而发生改变的过程。平衡是指学习者个体通过自我调节机制使认知发展从一个平衡状态向另一个平衡状态过渡的过程。2.物理教学的基本特征可以概括提炼为以下四点：以创设问题情景为切入点呈现现象 以观察实验(事实)为基础 展现特征以培养学生思维能力为核心经典/量子 以提升学生探究能力为重点有效控制变量二、 教学背景分析1.内容分析：选修3-5波粒二象性全章以人类对波粒二象性的认识的历史过程为线索，在介绍和引领学生体会现代物理学研究的曲折过程之中，重建原有的对物质性质、规律的认知结构。本节课比较完整地展现了光电效应的发现、实验研究、
3、理论解释、再实验研究的物理学研究过程。实验和理论研究中建立了很多概念：光电子，逸出功，光子，其中“光子”概念是最核心的概念。整个的研究过程，贯穿了人们对能量守恒观念从宏观到微观的拓展。本节课是经典理论与量子理论的第一次碰撞，光的波动性干扰(光作为波的连续性光的分立、不确定的粒子性)，以及微观抽象，给光电效应的解释带来很大障碍。2.学生分析：学生已经学习了波动理论，对光的波动性的认知构建比较清晰牢固，本节光电效应现象可能与学生已有的认知产生强烈冲突，而学生具有对未知领域的神秘感和强烈的好奇心和求知欲，但往往重结论、轻过程。可以引导学生思考、体会实验现象，设计实验方案，尝试解释实验结果。之后引导性
4、介绍爱因斯坦的革命性观点，学生可以继续对实验结果进行讨论。如何使学生认识到经典理论的不足，是前提。为了实现这种思维转化，需提供凸显矛盾的事实。为此，本节课把实验事实作为学习的基础，引导学生进行类比和想象，形成量子思维和方法。本课应注重在“以现象激发思维，以探究发现规律，以问题促使创造”，呈现历史，展现学科精神。三、 教学目标与重点、难点设计1.教学目标【知识与技能】 (1)了解光电效应研究史实、光电效应现象、掌握光子的概念；(2)知道光电效应现象的规律；(3)理解光电效应方程的各个物理量的含义及其对光电效应的解释。【过程与方法】(1)通过探究“光电效应规律”的过程，体会物理实验在物理学发展过程
5、中的重要作用，体会物理概念的形成过程，从而加深对概念的理解；(2)沿着实际物理学史的进程展开教学，使学生更能体验科学家的思维和科学的研究方法，真正达到“像科学家一样思考问题”；(3)通过探究过程体会控制变量方法的运用；【情感态度价值观】(1)体验探究自然界规律的艰辛与喜悦(2)陶冶崇尚科学、仰慕科学家，欣赏物理学的奇妙与和谐(3)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；(4)体会自然现象的多面性以及认识视角的多样性2.教学重点和难点重点：(1)光电效应实验的设计与讨论(2)光电效应的理论解释难点：(1)光电效应实验的设计与讨论(2)组织引导对光电效应的理论解释的讨论四、
6、 教学资源与教学过程设计1.教学资源：锌板，铁板，紫外线光源，普通光源，验电器，导线，皮毛，橡胶棒，普朗克常量测定仪(或光电效应实验装置) 视频资源。2.教学过程:教学环节教师为主的活动学生为主的活动设计意图1. 光电效应的现象引入及实验讨论介绍赫兹的发现，引出光电效应的现象。 问题1：要在课堂上重复这个现象,需要哪些器材？教师给出并介绍一套器材,光直接照射不带电锌板，做演示实验(实验失败)： 问题2：实验失败的可能原因分析：研究对象引导：光(光照时间、颜色)、材料(锌板)、电子逸出后的空间的电特性物理情境引导：金属板的微观电结构结构在发生光电效应前后如何改变？问题3：要研究这个现象，可以从哪
7、些方面入手？思考、讨论并提出可能的设想观察实验现象,分析实验失败原因,给出改进方案简单的方案，可以确认有电子能逸出讨论：涉及光、材料、逸出的电子(速度,动能,方向,)，时间，颜色从历史回顾中引入正题，让学生进入思考境界。激发求知欲和讨论欲，使学生尽快融入课堂2. 光电效应的规律探究1.介绍勒纳德等人的关注点，引导关注点聚焦到四个方面,然引导实验方案设计与讨论。2.引导学生尝试给出“从经典电磁波理论观点出发的预期结果” 问题设计：一边长为L=1cm的正方形薄锌板,距光源r=1m .光源的功率为P=1W. 假定光源向各个方向发射的能量是相同的,锌的逸出功是4.31eV,假定锌板表面的原子紧密排列,
8、每个原子有两个自由电子,电子可以持续吸收光能直至逸出时损耗能量.试计算:(1)薄锌板表面上的自由电子的数目 ;(2)至少经历多长时间才会有光电子逸出.3.布置学生动手实验(需看学校实验器材到位情况)观察记录实验现象分组/与老师一起讨论并研究方案(装置)分组讨论经典电磁理论预期的实验结果。动手实验并记录实验现象引导学生通过实验设计运用方法研究多变量问题。引导学生从理论到有目的的实验3. 电磁理论解释的疑难介绍或请学生报告实验的结果，并简单介绍物理学史，关注点实验结果经典解释勒纳德截止频率低于截止频率不发生光电效应瞬时性无论入射光怎么微弱，反应时间10-9 s饱和电流光电子能量只与入射光频率有关遏
9、止电压光越强，单位时间发射的电子数越多分组报告预期结果与实验结果的比较重点在引导学生产生认知冲突,和体会学习严密逻辑推理的经验4. 爱因斯坦的理论解释1.介绍爱因斯坦的光子说， 2.金属板的微观结构如何？光电效应的微观上会是什么图景？（附：光量子假设：光的发射、吸收和传播是以能量为h的微粒形式(实际是局域化的波)呈现爱因斯坦光电效应方程光电子的最大初动能爱因斯坦对光电效应的解释 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以不需时间累积。 由光电效应方程，当初动能为零时，可得极限频率： 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大。 由方程可知光电子最大初动能和光的频率成线性关系光子说能
10、圆满解释光电效应，但当时并未被广泛承认）尝试写出光电效应方程，尝试解释光电效应结论引导学生构建适当的微观图景，将宏观现象与微观机制相联系5. 密立根的实验验证体会密立根实验研究的严谨与魅力:“经过十年之久的实验与我自己的预料相反，这项工作终于成了爱因斯坦方程式在很小误差范围内的直接实验证据。”6. 光电效应的意义1. 进一步建立量子力学大厦重要砖块2. 从实验到理论再到实验的研究(历史回顾)1887 赫兹(H.Hertz)无意中发现光电效应现象。1899 J.J.汤姆生(J.J.Thomson)测量出光电流的荷质比，肯定光电流和阴极射线同样都是高速电子（获1906诺贝尔奖）1900 勒纳德 (
11、Lenard)发现光的强度对截止电压没有影响，提出触发假说（获1905诺贝尔奖）1905 爱因斯坦(Einstein)提出光量子理论和光电方程（因被密立根实验证实而被广泛接受，获1921诺贝尔奖）19041916 密立根(Millikan)历时十多年，在1916年发表实验证实爱因斯坦的光量子理论和光电方程，并由此测得普朗克常数（获1923诺贝尔奖）体会实践总结再实践再总结的科学研究过程情感态度价值观的体验引导，体会人类对规律认知的特点-螺旋上升7. 关于光电效应的拓展问题还可能对引导学生讨论关于这个实验还可能研究的问题(可能研究的问题点)，从学生想到的问题中挑选一到两个进行较为深入的讨论。1.
12、 电子一次只吸收一个光子吗？吸收一个光子的概率有多大？2. 单位时间内逸出的电子数与光强度有关系3. 只有金属能发生光电效应吗？4. 在材料深处的电子吸收光子可能出不来吗？吸收了光子而出不来的电子在内部可能产生哪些效果？5. 逸出功与哪些因素有关？6. 光电效应有哪些应用？7. 光电效应是光子与电子发生了类完全非弹性碰撞,光子与电子可能发生一般非弹性碰撞/弹性碰撞吗？碰撞中的作用力如何研究？ 学生分组讨论，总结，再兴趣提升(3)板书设计17.2 光电效应一、光电效应现象-赫兹1.光电效应：照射到金属表面的一定频率的光能使金属中的电子从表面逸出的现象。2.光电子3.逸出功二、光电效应的实验规律-
13、勒纳德等1.截止频率2.瞬时性3.饱和电流4.遏止电压三、经典理论的理论解释四、爱因斯坦的理论1.光子的概念2.光电效应方程五、密立根实验六、拓展问题五、 学习效果评价设计1.学生课堂讨论与思维活动的参与程度、精神面貌和专注程度2.思考的力度和发言的质量3.课后思考作业完成的质量六、 教学设计特色说明与教学反思1.教学设计特色说明(1) 本节课结合物理教学的基本特征设计教学过程；知识脉络如下：以物理学史引入，通过实验激发问题确定研究方向并设计实验方案旧理论预测实验检验新理论介绍及核心观点分析新实验检验最终进一步提升兴趣。设计以观察实验为基础，以培养学生思维能力为核心引导学生像科学家一样思考，挖
14、掘光电效应知识背景下人文价值，教学设计主要教学过程遵循科学研究的一般认知规律，借助光电效应演示实验，先明确要研究的现象及具体研究点：电子逸出条件，逸出电子的最大初动能影响因素，单位时间内的逸出数目，有光照到有电子逸出的时间间隔；然后在此基础上确定研究方法，通过问题讨论与思维拓展促进学生参与，再理论预测及真正实验，再进行理论解释，然后再介绍密立根的实验。具有较强的逻辑性，能够促进学生的有效参与。(2)落实物理学科核心素养方面，主要在于促进学生的科学思维和科学方法训练与参与。凝练科学发现过程、升华科学思维、体会科学方法、提升科学素养下了很大功夫。(3)教学做到“深入浅出”，即备课过程教师应该深入研究和思考相关知识、教法、学生认知水平和学习规律等各方面问题，但最终要想办法以简单、明了、清晰、尽量有趣的方式促进学生的学习效果的提升，使学生能够顺利从已有基础习得新知识、方法、态度并获得情感体验。通过学生熟悉的场景帮助学生构建光电效应的微观图景。2.教学反思课堂教学中通过一系列开放和半开放的问题引导，会有很多的课堂生成，激发学生的探究欲望的同时，应适时引导学生思考相关问题。例如开始设计的要对光电效应实验做进一步的研究可以有哪些研究点，学生提出了很多与预设不太一样的研究，这些点老师既要鼓励也要注意适时引导。6