“光電效應”的教學設計與創新

任炳杰

（江蘇省白蒲高級中學 江蘇如皋 226511）

“光電效應”的教學設計與創新

任炳杰

（江蘇省白蒲高級中學 江蘇如皋 226511）

結合光電效應教學研究現狀，針對光電效應傳統教學存在的問題，從彰顯物理學科特征出發，對光電效應重新進行教學設計，并指出了光電效應教學中需明確的兩個問題．

光電效應 教學設計 光電效應方程

光電效應是20世紀近代物理學的重要發現之一，使得人類對物質世界量子性質的認識邁出了實質性的一步．光電效應也是高中階段近代物理部分教學的重要內容，各版本的教材都用了較大篇幅介紹光電效應．教學過程中若采用傳統陳述性教學思路，往往感覺課堂氣氛沉悶、學生學習缺乏條理，部分學生存在“死記硬背”現象，很難取得良好的教學效果．近年來圍繞光電效應教學積累了可觀的研究資料，但是體現物理學科特征、遵循學生認知規律、給出清晰邏輯思維脈絡的教學設計仍然有待進一步研究．本文鑒于光電效應教學的研究現狀，就光電效應的教學設計與創新闡述了實踐中的幾點想法與做法．

1 傳統教學存在的問題

光電效應課堂教學的教學主線通常從光電效應發現的物理史實出發，給出研究光電效應中光電子發射情況的電路圖，根據電路圖研究光電效應現象并提出關于飽和電流、遏止電壓和截止頻率的實驗規律；然后在嘗試用經典電磁理論解釋光電效應現象時遇到了困難，進而提出愛因斯坦在普朗克量子理論啟發下提出“光子說”對光電效應進行了解釋且與實驗規律相吻合；最后說明密立根用精湛的實驗技術測量光電效應中幾個重要物理量并算出了普朗克常量h，從而檢驗了愛因斯坦光電效應方程的正確性．

傳統光電效應課堂教學往往采用陳述性教學思路，缺乏學生探究活動和自主建構過程，特別是在介紹照射光的強度、照射光的頻率與多個物理量之間的關系時，學生認知難度較大，難以認識到光電效應的本質內容．在實際教學過程中往往會有“物理量多、邏輯關系復雜、教學效果不理想”的感覺．審視傳統教學思路不難發現，沒有理清兩個方面的邏輯關系是導致上述問題產生的根本原因，敘述如下：

（1）光電效應中需要研究的是光電子的逸出情況，包括光電子的初動能和單位時間內逸出的光電子數目．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系，這種轉變略顯突兀，缺乏必要的邏輯鋪墊，使得不少學生對光電效應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，無法通過光電管實驗現象建構對光電效應本質的認識．

（2）經典電磁理論解釋光電效應時遇到了困難，需要新的觀念、新的思想和新的理論對光電效應進行解釋．僅說明了經典電磁理論與實驗規律矛盾，卻沒有指出為什么會出現矛盾，回避了經典電磁理論觀念的核心問題，對光的能量是怎樣認識的．由于對光的能量認知的缺失，學生不能聯想到從能量量子化角度重新解釋光電效應，導致愛因斯坦“光子說”的提出略顯生硬．

2 彰顯物理學科特征的光電效應教學設計

基于以上傳統教學中出現的問題，嘗試對傳統教學過程進行優化設計，著力解決上述兩個方面存在的邏輯關系缺陷，力圖使課堂教學流程邏輯關系清晰、物理課程特征明顯．同時為學生設計了系列思維活動，扭轉了傳統教學以教師陳述為中心的弊端，將物理課堂還給學生，讓學生在積極思維中自主建構光電效應相關知識．

2．1 引入新課

如圖1所示，鋅板與驗電器相連，先用與毛皮摩擦過的橡膠棒觸碰鋅板，使得鋅板帶上負電，驗電器指針張開．用紫外線燈照射鋅板，觀察驗電器指針的變化情況，并思考現象產生的原因．

圖1

實驗現象表明驗電器指針閉合，說明鋅板從帶負電變為不帶電，引導學生分析其原因，即在紫外線照射條件下鋅板失去了電子．介紹該現象最早是由赫茲在研究電磁波實驗時偶然發現，德國物理學家勒納得和英國物理學家湯姆孫相繼進行了研究，提出光電效應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象，逸出的電子稱為光電子．

2．2 探究光電子發射情況與光的強弱及頻率的關系

提出問題：物理學家發現光電效應以后，迫切想知道光電子逸出情況與光的強弱、頻率的關系．電子屬于微觀粒子范疇，無法用肉眼觀察，閱讀下面兩段材料思考怎樣將不能直接觀察的光電子發射情況轉變為便于實驗觀測的物理量．

材料1：現代技術中傳感器是這樣一類元件即能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學物理量，并把它們按照一定的規律轉換為便于處理和測量的電學量（電壓、電流等）．

材料2：根據電流定義，電荷的定向移動形成電流，如果讓逸出的光電子能夠形成定向移動，那么就可以通過對電流的測量來反映光電子的發射情況．

學生討論：嘗試利用傳感器原理設計電路，用電學量來反映光電子的初動能和單位時間內逸出的數目，經過小組合作交流、教師指導設計電路如圖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極板做加速運動，逐漸增加正向電壓，能夠到達A極板的光電子逐漸增多，光電流增大，當正向電壓達到一定數值時，逸出的光電子將全部到達A極板，則光電流增加到最大值，即達到飽和電流．可以看出單位時間內逸出的光電子數目決定了飽和電流大小，將光電子數目（非電學量）轉換成飽和電流（電學量）．

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極板做減速運動，逐漸增加反向電壓，光電子到達A極板動能逐漸減小，當反向電壓達到一定數值時，光電子恰好不能到達A極板，此時光電流變成零，所加反向電壓稱為遏止電壓．可以看出光電子的最大初動能決定了遏止電壓大小，將光電子逸出具有的最大初動能（非電學量）轉換成遏止電壓（電學量）．

實驗規律：探究金屬鈉的光電效應現象與光照強度和光照頻率之間的關系．實驗涉及飽和電流、遏止電壓、截止頻率、瞬時性以及光照強度和光照頻率，由于涉及變量因素較多，利用控制變量法設計表1記錄實驗現象，以便于歸納實驗規律．

表1 實驗現象

學生通過小組合作學習，利用表格數據可以歸納出光電效應4個基本實驗規律：

（1）紅光不能使金屬鈉產生光電效應，而紫光、紫外線能使金屬鈉產生光電效應，說明存在截止頻率，當入射光頻率低于截止頻率時，不論入射光強弱如何均不能產生光電效應；

（2）入射光頻率一定的條件下，入射光越強飽和電流越大，說明單位時間內逸出的光電子數目越多；

（3）遏止電壓與入射光的頻率有關，與入射光的強弱無關，入射光頻率越大遏止電壓越大，說明光電子的最大初動能僅取決于入射光的頻率；

（4）產生光電效應的時間表明，無論入射光強弱如何，幾乎在入射光照射到金屬瞬間即產生光電效應．

2．3 光電效應的理論解釋

學生活動：閱讀下面兩段材料，體會經典物理學和量子化理論對物質世界認知圖景的差別，特別關注對光的能量的認識，嘗試從經典物理學和量子化理論兩個角度對光電效應進行解釋，同時完成表2．

表2 對光電效應的兩種解釋

材料1：經典物理學對物質世界的認識具有連續性和整體性，認為物體具有的能量是一個整體，比如物體的重力勢能取決于質量和高度且可以取任意值．對于光的能量來說，一般認為光的強度越強表示光的能量越大，光的能量是一個不可分割的整體．

材料2：量子化理論提出物質世界具有分立性和不連續性，認為帶電微粒的能量只能是某個能量值ε＝hν的整數倍，帶電微粒輻射和吸收能量時也只能是以ε＝hν為單位一份一份地進行．愛因斯坦在普朗克量子理論的啟發下提出“光子說”，他認為電磁輻射（包括光）不僅在輻射和吸收能量時以ε＝hν為單位一份一份地進行，電磁輻射（包括光）本身就是由一個一個不可分割的能量子（光子）ε＝hν組成．

通過上述學生活動，在利用經典物理學和量子化理論兩個角度對光電效應實驗規律進行解釋的過程中，加深了微觀世界量子化觀念的理解，學生思維品質得到有效提升，為愛因斯坦光電效應方程的提出奠定了基礎．

點評提升：教師對上述學生活動進行點評，在此基礎上提出愛因斯坦光電效應方程，對光電效應4個基本實驗規律進行定量解釋．同時指出愛因斯坦因光電效應方程完美解釋了光電效應現象，且1917年由美國物理學家密立根用精湛的實驗進行了證明，從而愛因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學獎．

3 光電效應教學中需明確的兩個問題

3．1 為什么金屬中電子只吸收一個光子的能量

從經典理論觀點看，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高于周圍的其他電子，該電子處于非熱平衡狀態，根據熱力學理論，吸收光子能量的電子會將能量均勻地分散給周圍其他電子，趨向于熱平衡狀態．統計力學計算表明這個均勻分散的過程一般不會超過10-8s．從量子化理論看，電子吸收光子能量以后從基態躍遷至激發態，而電子處于激發態的平均壽命一般也不會超過10-8s，會自發地從激發態躍遷至基態，將能量以光子的形式釋放出去．

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

3．2 光電效應方程的兩種表述形式

高中階段一般認為金屬逸出功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中的動能Ek為光電子的最大初動能，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．光電效應實驗發現，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值是不相同的，因此逸出后的初動能也是不一樣的．事實上愛因斯坦光電效應方程最初的表述形式具有普遍意義，適用于每個逸出的光電子，表達式可以寫成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能（數值上小于最大初動能）．可以看出后種表達形式更具有普遍意義，教學過程中應向學生交代清楚，高中階段學習的光電效應方程僅是愛因斯坦理論的一種特殊表述形式，從而有助于學生理解愛因斯坦光電效應方程的本質含義．

光電效應在物理學發展歷程中具有劃時代的歷史意義，課堂教學不應該僅僅傳授給學生相關知識，更為重要的是通過光電效應的學習，使學生能感受物理學發展的脈絡，體會物質世界的奧妙，感悟科學研究的精髓，從而形成科學的思維品質和世界觀．

1 柳銀厚．光電效應實驗規律的認識．中學物理教學參考，2013（9）：38～39

2 朱加沐．光電效應的教學嘗試與思考．中學物理，2014（1）：28～29

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

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

5 顧康清．對物理新課程科學探究教學的哲學思考．物理教學探討，2010（7）：10～11

2014- 05- 16）