問題情景教學下對“光的粒子性”的反思

孫科學

【摘? ? 要】“光的粒子性”是波粒二象性一章中至關重要的一節(jié)內(nèi)容，是選考中的一個重要知識點，也是學生理解較為困難的一個知識點，對于如何更好地開展這節(jié)內(nèi)容的教學，筆者試著從實驗教具的改進、教學內(nèi)容順序的重新調(diào)整等方面做了一番思考。

【關鍵詞】光電效應? 遏止電壓? 逸出功

中圖分類號：G4? ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.161

人教版《物理》（選修3-5）中第十七章第二節(jié)“光的粒子性”，這一節(jié)內(nèi)容在本章中，可以說是至關重要的，也是高考選考中的一個重要的知識考點。本節(jié)課的重點就是通過光電效應相關實驗現(xiàn)象的演示，來引導學生親歷物理學的科學探究過程，體驗物理學史上對光的本性的認知過程，體會探索自然規(guī)律的艱辛和喜悅。但是本節(jié)課的內(nèi)容筆者在幾次教學過程中，遇到了很多問題。其一，本節(jié)知識是由光電效應的實驗規(guī)律、光電效應解釋中的很多疑難、愛因斯坦的光電效應方程、康普頓效應和光子的動量五部分組成，內(nèi)容較多，難度較大，知識也過于抽象，再加上本校學生理解能力上的不足，往往在新課教學的過程中，不少學生還是會有很多理解上的困難。其二，這一節(jié)課的引入就是做光電效應的實驗，引發(fā)學生的思考。而后“遏止電壓”“ 截止頻率”“飽和電流”等概念的得出也應該是從實驗當中而來。但是光電效應實驗要做成功，卻是比較困難的。其三，按照教材內(nèi)容的編排，在教學上我們一般就按照這樣的思路展開教學：先是光電效應實驗規(guī)律的探究;然后用經(jīng)典光的電磁理論去解釋光電效應，發(fā)現(xiàn)一些難以解決的問題;接著愛因斯坦以普朗克的能量子假說為基礎，提出量子假說，用光電效應方程解釋一些難以解釋的問題，最后是密立根實驗驗證。教材順序編排得很合理，但是筆者認為在實際教學過程中有些部分可以做適當?shù)恼{(diào)整，從而更好地幫助學生來理解和掌握。

針對以上問題，結合學生的課堂反應，在經(jīng)過幾次教學實踐以后，筆者覺得可以試著做一些改進，或許會有更好的教學效果。

一、對實驗設備的一些改進和想法

按照課本當中的實驗裝置做光電效應這個實驗時，紫外線燈輻射的能量只有一小部分照射到鋅板上面，鋅板表面又極容易氧化，如果再加上潮濕的空氣的話，這個實驗的成功率是很低的。即使發(fā)生了光電效應現(xiàn)象，現(xiàn)象的可視性也是很差的。但是如果換成一個圓柱形的鋅板制成的圓筒，把紫外線燈的功率再加強點放置在鋅板制成的圓筒中，如課文上，那么紫外線的能量絕大部分就可以輻射到鋅板上，光電效應的現(xiàn)象就可以更加明顯。

課本上接下來是研究光電效應現(xiàn)象。在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，即飽和電流。實際在做這個實驗的時候，即使光電管兩端所加的正向電壓達到200V以上，光電流幾乎在幾十微安左右，如果用一般的電流表去測電流的話，基本上是沒有讀數(shù)的。所以在電路圖中，電流表改為微安表更為恰當。同時為了實驗的可視性更好一些，電源也不妨換成可調(diào)式直流高壓電源。而在接下來研究正向電壓和光電流的大小關系以及后面光電管兩端加反向電壓時，存在遏止電壓這一現(xiàn)象，課本當中是直接給出了光電流與電壓之間的關系。這個關系我們按照課文的實驗裝置，如果要得到課文當中的伏安特性曲線的話，要不斷地調(diào)節(jié)電壓大小，記錄光電流數(shù)值，需要多組數(shù)據(jù)，耗時較長，紫外線燈長時間照射也容易對人造成損害。所以在課文的電路圖中，如果要讓學生親身參與體驗再得出結論，我們可以把電壓表和電流表直接換成電壓傳感器和電流傳感器，這樣操作過程中，光電流和電壓的伏安特性圖像就可以直接在計算機中顯現(xiàn)出來，既方便又省時。

二、教材內(nèi)容的講解順序的反思

如果本節(jié)內(nèi)容按照教材的編排順序，先講光電效應的現(xiàn)象和規(guī)律，再解釋其中的疑難。這樣講解的時候，在講到實驗規(guī)律的時候，如果教師真的是把實驗做得很成功，每一步都做到位，那么學生還是可以接受的。但往往這一節(jié)課在講解的時候，由于實驗的難度很大，操作不易且成功率較低等因素的影響，教師一般并不會進行實驗的演示。那么當教師講到光電效應實驗規(guī)律的時候，學生往往是云里霧里。所以，在教學的過程中，在不做實驗的前提下，我們不妨換一種講法，按這樣的線索展開：

先簡單演示或講解光電效應現(xiàn)象→提出愛因斯坦光電效應方程→具體介紹光電效應的現(xiàn)象和規(guī)律→用光的電磁理論和愛因斯坦光電理論解釋現(xiàn)象。按照這樣的線索順序展開，由于前面已經(jīng)學習了愛因斯坦的光電效應方程和理論，所以后面即使沒有實驗的展示鋪墊，學生在學到光電效應的眾多現(xiàn)象的時候，也不會再感到很迷茫，教師也能逐步地去引導學生思考和辨析其中的現(xiàn)象所包含的原因。當然在實際的教學過程中，如果一股腦地把所有的實驗現(xiàn)象全部告訴學生，實際效果可能也并不是很好。所以在給出愛因斯坦光電效應方程后，我們?nèi)绻脝栴}情景式教學來展開現(xiàn)象和規(guī)律的教學，效果應該還能更好一些。

在課文解釋紫外線照射光電管，產(chǎn)生光電流后，我們可以提出問題1：為什么要加正向電壓？不加正向電壓電路中有電流嗎？引導學生分析，解答：光照射到陰極K上會發(fā)生光電效應現(xiàn)象，但只有極少數(shù)的電子能到達陽極A，電路中電流很小。加了正向電壓后，大量的電子在電場力的作用下向陽極移動，電路中電流就大了很多。

接著提出問題2：如果保持光照條件不變，逐漸增大正向電壓，大家認為會有什么變化？引導學生分析，解答：隨著正向電壓的增大，將有更多的從金屬表面逸出的光電子會到達陽極A，所以光電流會增大。但是當逸出的光電子幾乎全部到達陽極A后，電流將達到最大，我們稱之為飽和電流。

至此，光電效應的絕大部分現(xiàn)象和規(guī)律，都已通過前期愛因斯坦光電效應理論和方程的鋪墊，再結合問題的提出，在教學實踐中發(fā)現(xiàn)大部分學生基本可以通過教師的逐步引導，慢慢地給出正確的結論。當然，光電效應現(xiàn)象中的瞬時性以及光照時間延長并不能夠促使光電效應的發(fā)生等一些規(guī)律，是很難直接讓學生自己思考得出的，還是需要直接告訴學生其中的原因的。而通過這樣一種問題教學方式的應用，在缺少必要實驗演示的情況下，我們教師不是簡單地將知識全部灌輸給學生，而是讓那些原本繁復、難以理解的現(xiàn)象，通過讓學生親身參與教師的教學來一起討論、猜想，自己去得出結論，使他們真正理解和掌握這節(jié)課的內(nèi)容。

在物理課堂上，教師不僅僅是教授給學生書本上的物理知識，更應該做的是引導學生像科學家一樣去思考，去追問。在物理教學過程中，引領學生去接受科學的思維，形成科學的思考方法，領悟科學探索的精髓，激發(fā)學習科學、探索未知的勇氣和信心，更是我們每一位物理教師努力和前進的方向與目標。