任炳杰

（江蘇省白蒲高級(jí)中學(xué) 江蘇如皋 226511）

“光電效應(yīng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

任炳杰

（江蘇省白蒲高級(jí)中學(xué) 江蘇如皋 226511）

結(jié)合光電效應(yīng)教學(xué)研究現(xiàn)狀，針對(duì)光電效應(yīng)傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，從彰顯物理學(xué)科特征出發(fā)，對(duì)光電效應(yīng)重新進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并指出了光電效應(yīng)教學(xué)中需明確的兩個(gè)問題．

光電效應(yīng) 教學(xué)設(shè)計(jì) 光電效應(yīng)方程

光電效應(yīng)是20世紀(jì)近代物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一，使得人類對(duì)物質(zhì)世界量子性質(zhì)的認(rèn)識(shí)邁出了實(shí)質(zhì)性的一步．光電效應(yīng)也是高中階段近代物理部分教學(xué)的重要內(nèi)容，各版本的教材都用了較大篇幅介紹光電效應(yīng)．教學(xué)過(guò)程中若采用傳統(tǒng)陳述性教學(xué)思路，往往感覺課堂氣氛沉悶、學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏條理，部分學(xué)生存在“死記硬背”現(xiàn)象，很難取得良好的教學(xué)效果．近年來(lái)圍繞光電效應(yīng)教學(xué)積累了可觀的研究資料，但是體現(xiàn)物理學(xué)科特征、遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、給出清晰邏輯思維脈絡(luò)的教學(xué)設(shè)計(jì)仍然有待進(jìn)一步研究．本文鑒于光電效應(yīng)教學(xué)的研究現(xiàn)狀，就光電效應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新闡述了實(shí)踐中的幾點(diǎn)想法與做法．

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

光電效應(yīng)課堂教學(xué)的教學(xué)主線通常從光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的物理史實(shí)出發(fā)，給出研究光電效應(yīng)中光電子發(fā)射情況的電路圖，根據(jù)電路圖研究光電效應(yīng)現(xiàn)象并提出關(guān)于飽和電流、遏止電壓和截止頻率的實(shí)驗(yàn)規(guī)律；然后在嘗試用經(jīng)典電磁理論解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí)遇到了困難，進(jìn)而提出愛因斯坦在普朗克量子理論啟發(fā)下提出“光子說(shuō)”對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了解釋且與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相吻合；最后說(shuō)明密立根用精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)量光電效應(yīng)中幾個(gè)重要物理量并算出了普朗克常量h，從而檢驗(yàn)了愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性．

傳統(tǒng)光電效應(yīng)課堂教學(xué)往往采用陳述性教學(xué)思路，缺乏學(xué)生探究活動(dòng)和自主建構(gòu)過(guò)程，特別是在介紹照射光的強(qiáng)度、照射光的頻率與多個(gè)物理量之間的關(guān)系時(shí)，學(xué)生認(rèn)知難度較大，難以認(rèn)識(shí)到光電效應(yīng)的本質(zhì)內(nèi)容．在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中往往會(huì)有“物理量多、邏輯關(guān)系復(fù)雜、教學(xué)效果不理想”的感覺．審視傳統(tǒng)教學(xué)思路不難發(fā)現(xiàn)，沒有理清兩個(gè)方面的邏輯關(guān)系是導(dǎo)致上述問題產(chǎn)生的根本原因，敘述如下：

（1）光電效應(yīng)中需要研究的是光電子的逸出情況，包括光電子的初動(dòng)能和單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目．而光電管電路研究的是飽和電流、遏止電壓、截止頻率與光照情況的關(guān)系，這種轉(zhuǎn)變略顯突兀，缺乏必要的邏輯鋪墊，使得不少學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的第一印象就是飽和電流、遏止電壓與截止頻率這些奇怪的名詞，無(wú)法通過(guò)光電管實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象建構(gòu)對(duì)光電效應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)．

（2）經(jīng)典電磁理論解釋光電效應(yīng)時(shí)遇到了困難，需要新的觀念、新的思想和新的理論對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行解釋．僅說(shuō)明了經(jīng)典電磁理論與實(shí)驗(yàn)規(guī)律矛盾，卻沒有指出為什么會(huì)出現(xiàn)矛盾，回避了經(jīng)典電磁理論觀念的核心問題，對(duì)光的能量是怎樣認(rèn)識(shí)的．由于對(duì)光的能量認(rèn)知的缺失，學(xué)生不能聯(lián)想到從能量量子化角度重新解釋光電效應(yīng)，導(dǎo)致愛因斯坦“光子說(shuō)”的提出略顯生硬．

2 彰顯物理學(xué)科特征的光電效應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于以上傳統(tǒng)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，嘗試對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，著力解決上述兩個(gè)方面存在的邏輯關(guān)系缺陷，力圖使課堂教學(xué)流程邏輯關(guān)系清晰、物理課程特征明顯．同時(shí)為學(xué)生設(shè)計(jì)了系列思維活動(dòng)，扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)教學(xué)以教師陳述為中心的弊端，將物理課堂還給學(xué)生，讓學(xué)生在積極思維中自主建構(gòu)光電效應(yīng)相關(guān)知識(shí)．

2．1 引入新課

如圖1所示，鋅板與驗(yàn)電器相連，先用與毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒觸碰鋅板，使得鋅板帶上負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開．用紫外線燈照射鋅板，觀察驗(yàn)電器指針的變化情況，并思考現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．

圖1

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明驗(yàn)電器指針閉合，說(shuō)明鋅板從帶負(fù)電變?yōu)椴粠щ?，引?dǎo)學(xué)生分析其原因，即在紫外線照射條件下鋅板失去了電子．介紹該現(xiàn)象最早是由赫茲在研究電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，德國(guó)物理學(xué)家勒納得和英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫相繼進(jìn)行了研究，提出光電效應(yīng)即照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，逸出的電子稱為光電子．

2．2 探究光電子發(fā)射情況與光的強(qiáng)弱及頻率的關(guān)系

提出問題：物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)以后，迫切想知道光電子逸出情況與光的強(qiáng)弱、頻率的關(guān)系．電子屬于微觀粒子范疇，無(wú)法用肉眼觀察，閱讀下面兩段材料思考怎樣將不能直接觀察的光電子發(fā)射情況轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌趯?shí)驗(yàn)觀測(cè)的物理量．

材料1：現(xiàn)代技術(shù)中傳感器是這樣一類元件即能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)物理量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為便于處理和測(cè)量的電學(xué)量（電壓、電流等）．

材料2：根據(jù)電流定義，電荷的定向移動(dòng)形成電流，如果讓逸出的光電子能夠形成定向移動(dòng)，那么就可以通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量來(lái)反映光電子的發(fā)射情況．

學(xué)生討論：嘗試?yán)脗鞲衅髟碓O(shè)計(jì)電路，用電學(xué)量來(lái)反映光電子的初動(dòng)能和單位時(shí)間內(nèi)逸出的數(shù)目，經(jīng)過(guò)小組合作交流、教師指導(dǎo)設(shè)計(jì)電路如圖2和圖3所示．

圖2

圖3

若在極板A，K間施加正向電壓，則光電子逸出后由K極板向A極板做加速運(yùn)動(dòng)，逐漸增加正向電壓，能夠到達(dá)A極板的光電子逐漸增多，光電流增大，當(dāng)正向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，逸出的光電子將全部到達(dá)A極板，則光電流增加到最大值，即達(dá)到飽和電流．可以看出單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目決定了飽和電流大小，將光電子數(shù)目（非電學(xué)量）轉(zhuǎn)換成飽和電流（電學(xué)量）．

若在極板A，K之間施加反向電壓，則光電子逸出后由K極板向A極板做減速運(yùn)動(dòng)，逐漸增加反向電壓，光電子到達(dá)A極板動(dòng)能逐漸減小，當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，光電子恰好不能到達(dá)A極板，此時(shí)光電流變成零，所加反向電壓稱為遏止電壓．可以看出光電子的最大初動(dòng)能決定了遏止電壓大小，將光電子逸出具有的最大初動(dòng)能（非電學(xué)量）轉(zhuǎn)換成遏止電壓（電學(xué)量）．

實(shí)驗(yàn)規(guī)律：探究金屬鈉的光電效應(yīng)現(xiàn)象與光照強(qiáng)度和光照頻率之間的關(guān)系．實(shí)驗(yàn)涉及飽和電流、遏止電壓、截止頻率、瞬時(shí)性以及光照強(qiáng)度和光照頻率，由于涉及變量因素較多，利用控制變量法設(shè)計(jì)表1記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以便于歸納實(shí)驗(yàn)規(guī)律．

表1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

學(xué)生通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)，利用表格數(shù)據(jù)可以歸納出光電效應(yīng)4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律：

（1）紅光不能使金屬鈉產(chǎn)生光電效應(yīng)，而紫光、紫外線能使金屬鈉產(chǎn)生光電效應(yīng)，說(shuō)明存在截止頻率，當(dāng)入射光頻率低于截止頻率時(shí)，不論入射光強(qiáng)弱如何均不能產(chǎn)生光電效應(yīng)；

（2）入射光頻率一定的條件下，入射光越強(qiáng)飽和電流越大，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目越多；

（3）遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，入射光頻率越大遏止電壓越大，說(shuō)明光電子的最大初動(dòng)能僅取決于入射光的頻率；

（4）產(chǎn)生光電效應(yīng)的時(shí)間表明，無(wú)論入射光強(qiáng)弱如何，幾乎在入射光照射到金屬瞬間即產(chǎn)生光電效應(yīng)．

2．3 光電效應(yīng)的理論解釋

學(xué)生活動(dòng)：閱讀下面兩段材料，體會(huì)經(jīng)典物理學(xué)和量子化理論對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)知圖景的差別，特別關(guān)注對(duì)光的能量的認(rèn)識(shí)，嘗試從經(jīng)典物理學(xué)和量子化理論兩個(gè)角度對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行解釋，同時(shí)完成表2．

表2 對(duì)光電效應(yīng)的兩種解釋

材料1：經(jīng)典物理學(xué)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)具有連續(xù)性和整體性，認(rèn)為物體具有的能量是一個(gè)整體，比如物體的重力勢(shì)能取決于質(zhì)量和高度且可以取任意值．對(duì)于光的能量來(lái)說(shuō)，一般認(rèn)為光的強(qiáng)度越強(qiáng)表示光的能量越大，光的能量是一個(gè)不可分割的整體．

材料2：量子化理論提出物質(zhì)世界具有分立性和不連續(xù)性，認(rèn)為帶電微粒的能量只能是某個(gè)能量值ε＝hν的整數(shù)倍，帶電微粒輻射和吸收能量時(shí)也只能是以ε＝hν為單位一份一份地進(jìn)行．愛因斯坦在普朗克量子理論的啟發(fā)下提出“光子說(shuō)”，他認(rèn)為電磁輻射（包括光）不僅在輻射和吸收能量時(shí)以ε＝hν為單位一份一份地進(jìn)行，電磁輻射（包括光）本身就是由一個(gè)一個(gè)不可分割的能量子（光子）ε＝hν組成．

通過(guò)上述學(xué)生活動(dòng)，在利用經(jīng)典物理學(xué)和量子化理論兩個(gè)角度對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行解釋的過(guò)程中，加深了微觀世界量子化觀念的理解，學(xué)生思維品質(zhì)得到有效提升，為愛因斯坦光電效應(yīng)方程的提出奠定了基礎(chǔ)．

點(diǎn)評(píng)提升：教師對(duì)上述學(xué)生活動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，在此基礎(chǔ)上提出愛因斯坦光電效應(yīng)方程，對(duì)光電效應(yīng)4個(gè)基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行定量解釋．同時(shí)指出愛因斯坦因光電效應(yīng)方程完美解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，且1917年由美國(guó)物理學(xué)家密立根用精湛的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了證明，從而愛因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

3 光電效應(yīng)教學(xué)中需明確的兩個(gè)問題

3．1 為什么金屬中電子只吸收一個(gè)光子的能量

從經(jīng)典理論觀點(diǎn)看，如果光子能量小于金屬逸出功，金屬中電子吸收光子能量以后能量會(huì)高于周圍的其他電子，該電子處于非熱平衡狀態(tài)，根據(jù)熱力學(xué)理論，吸收光子能量的電子會(huì)將能量均勻地分散給周圍其他電子，趨向于熱平衡狀態(tài)．統(tǒng)計(jì)力學(xué)計(jì)算表明這個(gè)均勻分散的過(guò)程一般不會(huì)超過(guò)10-8s．從量子化理論看，電子吸收光子能量以后從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，而電子處于激發(fā)態(tài)的平均壽命一般也不會(huì)超過(guò)10-8s，會(huì)自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)，將能量以光子的形式釋放出去．

從上述分析可知，電子吸收一個(gè)光子能量以后，一般能保持這部分能量不超過(guò)10-8s，那么電子能否吸收第二個(gè)光子能量逸出，關(guān)鍵在于電子吸收光子的時(shí)間間隔．一般而言對(duì)于正常強(qiáng)度光源，可以算出每個(gè)原子吸收光子的平均時(shí)間間隔約為10-1～10-2s，遠(yuǎn)小于10-8s．由此表明電子在吸收一個(gè)光子能量以后，來(lái)不及吸收第二個(gè)光子能量，便已經(jīng)將吸收的第一個(gè)光子能量消耗，因此，通常強(qiáng)度光源，只能出現(xiàn)吸收一個(gè)光子能量逸出的情況．只有在特殊強(qiáng)度的光源（例如激光光源）作用下，才可能出現(xiàn)光電效應(yīng)．

3．2 光電效應(yīng)方程的兩種表述形式

高中階段一般認(rèn)為金屬逸出功W0是使電子脫離某種金屬所做功的最小值，那么方程Ek＝hν-W0中的動(dòng)能Ek為光電子的最大初動(dòng)能，因此這種表述形式具有特殊性，僅適用于最容易脫離金屬的電子．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一頻率入射光照射情形下，由于不同電子脫離金屬所需做功的數(shù)值是不相同的，因此逸出后的初動(dòng)能也是不一樣的．事實(shí)上愛因斯坦光電效應(yīng)方程最初的表述形式具有普遍意義，適用于每個(gè)逸出的光電子，表達(dá)式可以寫成Ek＝hν-W，式中W是使電子脫離某種金屬所需做的功，而Ek是電子逸出后具有的初動(dòng)能（數(shù)值上小于最大初動(dòng)能）．可以看出后種表達(dá)形式更具有普遍意義，教學(xué)過(guò)程中應(yīng)向?qū)W生交代清楚，高中階段學(xué)習(xí)的光電效應(yīng)方程僅是愛因斯坦理論的一種特殊表述形式，從而有助于學(xué)生理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程的本質(zhì)含義．

光電效應(yīng)在物理學(xué)發(fā)展歷程中具有劃時(shí)代的歷史意義，課堂教學(xué)不應(yīng)該僅僅傳授給學(xué)生相關(guān)知識(shí)，更為重要的是通過(guò)光電效應(yīng)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能感受物理學(xué)發(fā)展的脈絡(luò)，體會(huì)物質(zhì)世界的奧妙，感悟科學(xué)研究的精髓，從而形成科學(xué)的思維品質(zhì)和世界觀．

1 柳銀厚．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的認(rèn)識(shí)．中學(xué)物理教學(xué)參考，2013（9）：38～39

2 朱加沐．光電效應(yīng)的教學(xué)嘗試與思考．中學(xué)物理，2014（1）：28～29

3 湯家合．“光電效應(yīng)”教學(xué)中應(yīng)明確的問題．物理教學(xué)，2008（7）：17～18

4 倪建云．淺析“光電效應(yīng)”中的小疑惑．物理教師，2010（11）：41～43

5 顧康清．對(duì)物理新課程科學(xué)探究教學(xué)的哲學(xué)思考．物理教學(xué)探討，2010（7）：10～11

2014- 05- 16）