宋連鵬

(海軍大連艦艇學(xué)院　基礎(chǔ)部，遼寧大連　116018)

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基于素質(zhì)培養(yǎng)的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

宋連鵬

(海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部，遼寧大連116018)

摘要針對(duì)光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果，忽視實(shí)驗(yàn)過(guò)程的問(wèn)題，該文通過(guò)對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理信息的整理設(shè)計(jì)，挖掘?qū)W(xué)生進(jìn)行素質(zhì)培養(yǎng)的切入點(diǎn)。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)、解釋和驗(yàn)證過(guò)程中的成功經(jīng)驗(yàn)，剖析實(shí)驗(yàn)中解決問(wèn)題所采用的“轉(zhuǎn)換”的實(shí)驗(yàn)方法，掌握實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理的基本技能，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，充分發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的作用。

關(guān)鍵詞素質(zhì)培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)方法；實(shí)驗(yàn)技能；創(chuàng)新能力

作為經(jīng)典的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，光電效應(yīng)是大學(xué)低年級(jí)學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)，遺憾的是學(xué)生往往只是為驗(yàn)證理論而做實(shí)驗(yàn)，沒(méi)學(xué)到真正的知識(shí)。如果教師能夠正確引導(dǎo)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)是大有幫助的。

1創(chuàng)新能力培養(yǎng)

科學(xué)上的創(chuàng)新成果，在國(guó)內(nèi)的最高水平標(biāo)志是國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)，在國(guó)際上的最高水平標(biāo)志是諾貝爾獎(jiǎng)。遺憾的是我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)多次出現(xiàn)空缺[1]，至于諾貝爾獎(jiǎng)更是無(wú)從談起。如何培養(yǎng)創(chuàng)新能力，這是我們不得不面對(duì)的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提供了難得的平臺(tái)。

1.1光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

1887年赫茲在用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波存在的過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，撰寫(xiě)了一篇“紫外線對(duì)放電的影響”論文，發(fā)表后引起許多科學(xué)家的關(guān)注。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到以下定律：1)任何金屬都有一定的極限頻率，要發(fā)生光電效應(yīng)，入射光的頻率必須大于這一頻率；2)光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率增大而增大；3)光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比；4)光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，約1×10-9s[2]。這些都與光的波動(dòng)說(shuō)是矛盾的。根據(jù)光的波動(dòng)說(shuō)，光電效應(yīng)應(yīng)該沒(méi)有頻率限制，只要照射時(shí)間足夠長(zhǎng)都可以發(fā)生光電效應(yīng)，而且光強(qiáng)越強(qiáng)電子逸出金屬表面的最大初速度越大；光照到金屬表面，能量總要有一個(gè)積累過(guò)程，不應(yīng)該是瞬時(shí)的。

通過(guò)光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生重視意外情況。意外情況往往透露了人們還未發(fā)現(xiàn)的信息，意味著獲得創(chuàng)新成果的重大機(jī)遇。赫茲在做驗(yàn)證電磁波存在的實(shí)驗(yàn)中，他并不是只關(guān)注預(yù)期的結(jié)果，而是對(duì)意外情況也高度警惕，認(rèn)真對(duì)待。引申類(lèi)似的情況，還有霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)的過(guò)程。同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)矛盾，積極主動(dòng)抓熱點(diǎn)問(wèn)題，在問(wèn)題矛盾中才存在機(jī)遇。光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以后為什么能吸引大批的科學(xué)家從事相關(guān)研究，就在于這里有矛盾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典理論存在不可調(diào)和的矛盾。

1.2光電效應(yīng)的解釋

面對(duì)這一系列的矛盾，愛(ài)因斯坦受普朗克能量子假說(shuō)的啟示，在他的著名論文“關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)”[3]中提出光量子假說(shuō)，即光所攜帶的能量是一個(gè)個(gè)不連的能量“顆粒”，稱(chēng)為光量子。 愛(ài)因斯坦也由此得出了著名的光電效應(yīng)方程：

利用光量子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，每種金屬都有確定的逸出功，光子的能量必須大于金屬的逸出功才能產(chǎn)生光電流，即存在頻率限制；每個(gè)光量子的能量同頻率成正比，頻率越大能量越大，光電子的初動(dòng)能也越大；光子與金屬中電子的作用不需要能量積累，因此是瞬時(shí)的。

愛(ài)因斯坦的成功是抓住解決困難的關(guān)鍵，在普朗克能量子假說(shuō)的啟示下，勇敢地提出了突破經(jīng)典理論的光量子假說(shuō)，邁出了關(guān)鍵的一步。當(dāng)然，愛(ài)因斯坦具備常人沒(méi)有的創(chuàng)新的靈感和敏銳的意識(shí)，而這些靈感和意識(shí)與他始終站在科學(xué)的前沿和對(duì)能量子理論的充分了解是分不開(kāi)的。這就需要不斷學(xué)習(xí)積累，了解新動(dòng)態(tài)，遇到新問(wèn)題時(shí)才能綜合各方面情況，勇敢地提出新的假說(shuō)。

1.3光電效應(yīng)的驗(yàn)證

愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋堪稱(chēng)完美，這個(gè)假說(shuō)是否正確，還需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。美國(guó)物理學(xué)家密立根從1904年起就開(kāi)始做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)十余年的奮斗，密立根發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面地證實(shí)了愛(ài)因斯坦光電方程。 求出了普朗克常數(shù)h的值，與普朗克1900年從黑體輻射求得的h值(6.55×10-27erg·s)吻合度極好。

密立根之所以取得成功是因?yàn)樗麨橄龑?shí)驗(yàn)誤差采取了許多創(chuàng)意無(wú)限且卓有成效的措施：1)為了獲得較好的單色光，密立根讓高壓汞燈發(fā)出的光分別通過(guò)石英單色儀和濾光片；2)為了消除金屬表面的氧化膜，他將實(shí)驗(yàn)樣品固定在真空管內(nèi)的小輪上，借助于裝在真空管外面的可動(dòng)電磁鐵來(lái)操控。做驗(yàn)證假說(shuō)實(shí)驗(yàn)的難度是非常大的，不僅需要實(shí)驗(yàn)者能根據(jù)假說(shuō)設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)方法，還需采取種種措施減小誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度。

2實(shí)驗(yàn)方法培養(yǎng)

光電管是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的核心電子元件。它將金屬模封裝在真空管內(nèi)，金屬膜為陰極，在光照射下，電子從陰極金屬板上逸出，外加電場(chǎng)就可以形成電流，通過(guò)檢流計(jì)檢測(cè)電流的大小，將微觀電子的探測(cè)轉(zhuǎn)換為宏觀電流的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)微觀到宏觀的“轉(zhuǎn)換”。

電流為零時(shí)，電壓為負(fù)值，該電壓被稱(chēng)為“截止電壓”?！敖刂闺妷骸笔秦?fù)電壓，或者說(shuō)反向電壓，作用是阻礙電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。電流為零說(shuō)明陰極表面層逸出的具有最大初動(dòng)能的電子剛好沒(méi)有到達(dá)陽(yáng)極，這時(shí)電子初動(dòng)能等于反抗截止電壓所做的功。這樣可以通過(guò)測(cè)量截止電壓來(lái)測(cè)電子的初動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)初動(dòng)能的測(cè)量到電壓測(cè)量的“轉(zhuǎn)換”。

每種金屬都存在發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率，這個(gè)頻率稱(chēng)為“截止頻率”。一個(gè)具有截止頻率的光子照射金屬，打出電子初動(dòng)能為零，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可知，具有截止頻率光子的能量就等于逸出功。這樣就實(shí)現(xiàn)抽象概念逸出功的測(cè)量到“截止頻率”測(cè)量的“轉(zhuǎn)換”。 “截止頻率”也不是可以直接測(cè)量的物理量，因此把初動(dòng)能和逸出功的表達(dá)式代入愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程變形得：

這是一個(gè)關(guān)于入射光頻率和截止電壓的直線方程，斜率即為普朗克常數(shù)與基本電荷電量e的比值。因此可以通過(guò)測(cè)量不同頻率光照射下的截止電壓，擬合出直線方程，進(jìn)而得到斜率計(jì)算普朗克常數(shù)。這樣就通過(guò)數(shù)學(xué)變換實(shí)現(xiàn)“截止頻率”的測(cè)量到不同頻率下截止電壓測(cè)量的“轉(zhuǎn)換”，同時(shí)也避開(kāi)了光頻率的測(cè)量。

通過(guò)一系列的“轉(zhuǎn)換”將最初的3個(gè)不可測(cè)物理量最終轉(zhuǎn)換為熟知的電壓的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)普朗克常數(shù)的測(cè)量。

3實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一個(gè)顯著的作用就是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)也是多方面的。

3.1培養(yǎng)操作能力

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中使用的是具有多種譜線的汞燈，為了得到不同的單色光和不同光強(qiáng)，設(shè)計(jì)了濾色片和光闌兩種配件，在需要時(shí)進(jìn)行切換。但是靈敏的光電管不允許汞燈直接照射，汞燈又不能經(jīng)常開(kāi)關(guān)，因此在切換濾色片和光闌時(shí)要先遮擋汞燈光源，再進(jìn)行切換，使用時(shí)再除掉遮光蓋。實(shí)驗(yàn)中耐心細(xì)致、簡(jiǎn)潔有序的操作必不可少。

3.2培養(yǎng)數(shù)據(jù)記錄能力[5]

普朗克常數(shù)的測(cè)量需要記錄的僅僅是5個(gè)電壓，但是電壓測(cè)量記錄的順序要做精心的設(shè)計(jì)，波長(zhǎng)小的光頻率大，對(duì)應(yīng)的能量大，測(cè)量時(shí)應(yīng)該優(yōu)先測(cè)量，如表1所示；否則在切換濾色片后容易產(chǎn)生電壓表的超量程現(xiàn)象，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。

表1　波長(zhǎng)頻率及截止電壓

表2　光電管I-UAK關(guān)系

續(xù)　表

3.3培養(yǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化能力

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化能力是學(xué)生必備的基本能力。光電管的伏安特性曲線要在坐標(biāo)紙上正確地描繪出來(lái)，也可用數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)作圖，如圖1所示。觀察分析圖1即可驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)定律：所有的光電流都是隨著電壓的增大趨近一個(gè)定值——飽和光電流；曲線1和曲線2是相同光強(qiáng)不同頻率下的伏安特性曲線，頻率大的光電子初動(dòng)能大，在相同的電壓下形成的光電流大(曲線2)；曲線1和曲線3是相同頻率不同光強(qiáng)下的伏安特性曲線，4 mm光闌面積是2 mm光闌面積的4倍，4倍的光強(qiáng)得到大約4倍的光電流。進(jìn)一步可以分析討論，密立根時(shí)代由于技術(shù)條件的限制，不能直接測(cè)量截止電壓，密立根是通過(guò)光電管伏安特性擬合出截止電壓的。這樣即讓學(xué)生了解測(cè)光電管伏安特性的意義，也體現(xiàn)知識(shí)的融會(huì)貫通，開(kāi)闊了學(xué)生的思維空間。

圖1　伏安特性曲線

零電流法[6]測(cè)量普朗克常數(shù)直線方程的擬合，可以借助數(shù)據(jù)處理軟件完成，如圖2所示，得到普朗克常數(shù)。分析式(2)發(fā)現(xiàn)還可以得到截止頻率fC=3.542×1014Hz，作為實(shí)驗(yàn)的拓展在培養(yǎng)學(xué)生

能力的同時(shí)豐富教學(xué)內(nèi)容。也可以引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生用學(xué)過(guò)的C語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)小程序供大家使用，采用開(kāi)放式的使用模式，使用的同時(shí)學(xué)生可以將自己的改進(jìn)或創(chuàng)意添加到程序當(dāng)中，使程序得到進(jìn)一步的完善。學(xué)以致用調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神在潛移默化中得到了培養(yǎng)。

圖2　Uc-f關(guān)系曲線

4結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅幫助學(xué)生驗(yàn)證了光電效應(yīng)相關(guān)定律，而且使學(xué)生掌握了物理實(shí)驗(yàn)的思想和方法，了解體會(huì)了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)、創(chuàng)新技法，從而培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王延志.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)原創(chuàng)能力的培養(yǎng)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006，26(1):36-39.

[2]邵奇.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:海潮出版社，2010.

[3]范岱年，許良英.愛(ài)因斯坦文集(第二卷)[M].北京:商務(wù)印書(shū)館，1977.

[4]吳秀琴.“ 霍爾位置傳感器測(cè)量楊氏模量”的課堂教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2013(1):11-12.

[5]庹靜.基于素質(zhì)培養(yǎng)的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J].物理與工程，2010，20(2):26-28.

[6]王云志，趙敏．光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24(2):93-95.

收稿日期:2015-02-28；修改日期: 2015-03-27

作者簡(jiǎn)介：宋連鵬(1977-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作。

中圖分類(lèi)號(hào)G642.423；O472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.009

Teaching Design of Photoelectric Effect Experiment Based on Quality Cultivation

SONG Lianpeng

(Department of Basic，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China)

AbstractFor the fact of attaching great importance to the experimental results but not the experimental process in the teaching of photoelectric effect experiment，this paper shows the breakthrough point of cultivation of students’ comprehensive quality in the experiment teaching through the design of the background of experiment，experimental method and the processing of data of experiment.It guides the students to focus on the successful experiences in the process of discovering the photoelectric effect，explaining the photoelectric effect and verifying the photoelectric effect，analyze the clever way called “transformation” which is used to use in experiment，and master the skills of the experimental operation and data process.All these does not only cultivate students’ innovation ability but also improve student experiment skills，which make the physical experiment of university play an important role in the cultivation of students’ comprehensive quality.

Key wordsquality cultivation;experimental method;experimental skills;innovation capability