基于物理核心素養的“光電效應”實驗教學探索

童有彩 張安軍

(合肥市第七中學,安徽 合肥 230088)

物理學是一門實驗科學,物理概念建構和物理規律建立都離不開大量的實驗探究.如何通過實驗教學發展學生的物理核心素養?本文以“光電效應”實驗教學為例,詳細闡述通過實驗器材的改進,實驗方法的創新、實驗數據的精準處理等,完成預定的實驗教學目標,實現學生學科素養的逐步提升.

1 物理實驗與核心素養

物理學科核心素養是物理學科育人價值的集中體現,主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個要素構成.想要真正提升學生的核心素養,實驗教學是十分重要的.一個完整的實驗程序應包括:實驗目的、實驗原理、實驗設計、實驗步驟、實驗記錄、數據收集、數據處理、實驗分析、實驗結論、結論分析、誤差分析以及實驗改進.物理實驗流程中各個環節與物理核心素養4個方面都是緊密聯系的(表1).

表1 實驗環節與物理學科核心素養目標實現的關聯一覽表

2 光電效應實驗教學設計

“光電效應”實驗的教學思路如圖1.

圖1

整體而言,光電效應實驗具體設計采取“演示—分組探究—再演示”的形式:首先通過讓學生觀察演示實驗現象,引出光電效應概念,進而引發學生的猜想;其次通過分組實驗,讓學生參與和體驗探究過程,初步驗證自己的猜想,拓展學生對光電效應規律及影響因素的了解,提升學生之間的合作探究能力,助力學生學科核心素養的提升;最后教師通過自制光電效應演示儀,借助傳感器讓學生直觀地觀察到光電流與電壓完整的變化關系曲線,進而加深學生對光電效應的理解.通過學生實驗和教師演示實驗進行比照,強化實驗信度,提升課堂實驗教學效果.與此同時,在教學中貫穿物理學史的講授,使教學邏輯線索連貫,幫助學生明晰問題背景,形成完整的物理知識結構.

具體而言,在光電效應實驗的各個環節體現對學生物理學科核心素養的培養.

2.1 明確實驗目的

明確實驗目的是開展實驗教學設計的首要前提.光電效應實驗要求學生通過演示實驗了解光電效應的一般過程和基本原理,通過閱讀光電效應的相關物理學史了解實驗內容和背景,能夠基于演示實驗現象進行思考和猜想,探究光電效應中電子發射情況與光照強度、光的顏色(頻率)等物理量之間的關系.

該實驗教學目標的設置滲透了對學生物理核心素養培養的要求,對光電效應基本原理的了解能夠促使學生完善物質觀、運動與相互作用觀和能量觀;對觀察到的實驗現象的思考和猜想能夠提高學生科學思維和科學探究能力;了解科學家們探究歷程和科學精神能夠促使學生科學態度和責任的不斷完善.

2.2 明晰實驗原理

光電效應實驗的基本原理是通過改變照射光的強弱、光的顏色,觀察光電效應現象逸出的光電子的情況;利用電場對逸出的光電子進行控制和測量;利用電路知識建立大小、方向可控的電場.該實驗原理內含了運動和相互作用觀念以及控制變量的科學方法.

2.3 進行實驗設計

在明確實驗目的和實驗原理的基礎上進行具體的實驗設計.通過對教材和課標的研讀,光電效應的學生探究實驗主要包括以下關鍵環節:利用極板收集光電子;利用電流表測量光電子數量;利用分壓式電路建立大小、方向可控的電場;利用正向電場聚攏逸出的光電子,促進光電子的收集;利用反向電場阻礙電子到達收集板,從而得出光電子逸出的最大初動能(最大初速度).

2.4 進行實驗探究,觀察記錄現象

光電效應的探究實驗需完成3個探究目標:第一,探究影響光電效應中電子發射情況與照射光強弱、顏色(頻率)的關系;第二,探究在不同強弱的同種色光照射下,當光電管兩端加上正向電壓時,光電流隨正向電壓的變化關系;第三,探究不同頻率的光照射下,當光電管兩端加上反向電壓時,光電流隨反向電壓的變化關系.

2.4.1 探究實驗1

實驗器材有:調擋手電、鐵架臺、光電管、濾光片、靈敏電流計、導線(如圖2),電路設計如圖3所示,實物連接如圖4、圖5所示,實驗教學過程如下.

圖2

圖3

圖5

(1) 探究光電管在不同色光照射下光電流情況,通過比較分析得出每種金屬存在截止頻率.觀察不同色光照射時指針偏轉情況,發現紅光由于頻率低沒能產生光電流,其他光都能產生光電流.進而引出截止頻率概念.

(2) 改變同種色光和光電管的距離或手電筒擋位,探究光電流大小與照射光強度的關系.改變照射光強度,發現光電流大小與照射光強弱呈正相關.

(3) 通過遮擋光源或開關光源研究光電效應的瞬時性特點.觀察白紙遮擋照射光前后指針位置變化,發現當光照射到光電管時,光電流幾乎同時產生.進而得到光電效應的產生具有瞬時性特點.

2.4.2 探究實驗2

實驗器材有:調擋手電、鐵架臺、光電管、濾光片、靈敏電流計、電壓表、開關、導線、滑動變阻器、學生電源,電路設計如圖6,實驗教學過程如下.

圖6

(1) 加正向電壓時,電壓增大,光電流增大,最終都趨于一個最大值(飽和值),總結得出飽和光電流概念.進一步實驗發現同種色光照射光越強,飽和光電流越大.

(2) 加反向電壓時,隨著電壓增大,光電流逐漸減小,直至減為零.總結得出反向截止電壓概念.研究發現同種照射光,反向截止電壓大小相等,與光照強度無關.不同照射光截止電壓不同.

總之,通過上述兩個探究實驗(如圖7),學生小組合作,基于具體的實驗現象進行科學推理和論證,充分理解截止頻率的內涵,認識光電流的大小與照射光強弱成正相關以及光電效應瞬時性的特點,在小組合作探究實驗中提高學生基于證據進行科學論證、解釋交流的科學探究能力,培養其嚴謹認真的科學態度.

圖7

2.5 分析實驗結果

在完成實驗探究后要對實驗結果進行充分的分析和討論.該實驗的主要實驗現象:光電效應存在截止頻率;正向電壓下存在飽和電流,不同光照強度下飽和電流不同,光強越大飽和電流越大;反向電壓下存在截止電壓,同種頻率光截止電壓相同,不同頻率光下截止電壓不同,照射光頻率越高截止電壓越大;光電效應發生具有瞬時性.

本文在演示實驗和探究實驗中采取問題鏈的形式引導學生分析實驗結果.

演示實驗現象引發的問題:

(1) 什么是光電效應現象?

(2) 光電效應的發生有什么條件?

(3) 為什么會發生光電效應條件?

(4) 金屬種類對光電效應有無影響?

(5) 光對光電效應有什么影響?

(6) 光電效應電子為什么會逸出?

(7) 光電效應電子逸出的速度和方向會如何?

探究實驗1引發的問題:

(1) 為什么光電效應存在截止頻率?

(2) 為什么光電效應與光強有關?

(3) 為什么光電效應能瞬間發生?

探究實驗2引發的問題:

(1) 為什么要利用正向電壓研究光電效應?

(2) 為什么光電效應存在飽和電流?

(3) 光電效應與光照強度有關有著怎樣的關系?

(4) 為什么要利用反向電壓研究光電效應?

(5) 光電效應實驗存在截止電壓意味著什么?

總之,在3個問題鏈的引導下,學生對實驗現象進行分析解釋,不斷提高科學推理能力;在交流和討論中認識光具有粒子性,完善其物質和能量觀念.

2.6 實驗設計和操作中存在的缺陷和誤差

光電效應實驗可能的缺陷和誤差主要有:光電子的收集是否完全收集;不同金屬板實驗結果是否一致;是否有別的因素影響實驗結果.引導學生對實驗誤差進行分析,對實驗設計進行改進,有助于培養學生質疑和創新能力.

為了盡可能減少實驗設計和操作中的誤差,本文利用自制光電效應演示儀和傳感器(如圖8),繪制光電效應光電流與電壓關系圖像,定量探究光電流和電壓的關系.

圖8

實驗器材:自制光電效應演示儀、電壓傳感器、電流放大器、電腦軟件.

實驗教學設計如下:

(1) 探究在光的頻率不變的情況下,飽和電流與入射光強的關系;

(2) 探究在光的頻率不變的情況下,截止電壓與入射光強的關系;

(3) 探究在光的頻率不同的情況下,截止電壓與入射光頻率的關系.

照射同一金屬,在光的頻率不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大(如圖9);一定頻率的光,無論光的強弱如何,截止電壓都是一樣的;入射光頻率越大,截止電壓越大(如圖10).

圖9

圖10

2.7 融入物理學史

物理學史是科學史的重要組成部分,展現了物理學家發現科學規律過程中所進行的思維活動、所運用的科學方法以及他們所具有的科學精神、所表現的科學道德.因此,將物理學史有機融入實驗教學不僅能夠促進學生科學思維的訓練和科學方法的習得,亦有助于促進學生對科學本質的認識,從而落實物理學科核心素養的培養.

光電效應現象最早是1887年由赫茲發現的,他在電磁波產生的研究實驗中,意外發現接收電路的間隙在受到光照時更容易產生電火花.霍爾瓦克斯在雜志中讀到赫茲的發現后設計了更簡單的實驗來檢測這種效應(如圖11),也就是人教版課本“問題導入”中的實驗(如圖12).

圖11

圖12

到了1899年湯姆遜證實是紫外線使得電子從鋅板逸出,而不是強電場導致.1902年物理學家勒納德研究光照強度如何影響光電效應,并發現實驗現象存在截止頻率和遏止電壓.所設計的實驗(圖13)就是人教版課本所呈現的實驗圖(圖14).

圖13

圖14

光電效應的實驗現象和結論用光的經典波動理論無法解釋,甚至存在矛盾.1905年愛因斯坦利用光學量子理論成功解釋了光電效應經典解釋中的疑難,之后密立根和康普頓實驗的結果都揭示了光的粒子性,此后科學家們意識到光的波粒二象性.從赫茲細心的發現到光電效應的研究、分析和解釋,再到光的波粒二象性理論的建立,可以看出科學研究是許多科學家共同的結晶,離不開每一個科學家所具備的素養.

3 實驗結果分析

光電效應實驗的目的是探究光電效應中電子發射情況與光照強度、光的顏色(頻率)等物理量之間的關系,但是其深層目的是想探究光電效應背后蘊含的物理知識規律和物理本質.學生在之前已經學過電、電路、磁、光等相關的知識,要引導學生運用已有的知識對實驗結果進行分析,如表2所示.

表2

學生利用所學的知識嘗試解釋后,才能意識到光電效應實驗的結果存在種種疑點,無法用經典電磁理論解釋,就能引發學生的思考.在此基礎上再進行愛因斯坦的光電效應理論的教學,最終學生就能理解光的波粒二象性理論的探索過程及意義.而物理的發展就是在科學家們對這些“不起眼的細節”“不經意的發現”的鍥而不舍中逐步發展起來的.

4 結語

本實驗設計的創新主要體現在以下幾個方面:首先,定性演示實驗和定量探究實驗相結合,由淺入深,層層遞進,不斷激發學生的探索欲望,在實驗教學的各個環節中融入核心素養培育;其次,本實驗利用自制光電效應演示儀和傳感器,定量地探究了飽和電流和截止電壓與光強和光頻率的關系,有效地將信息技術和物理實驗教學融合.

物理實驗教學的過程是培育和發展物理學科核心素養的重要手段,所以實驗的教學不能為了急于求成而“偷工減料”,死記硬背雖然能夠讓學生應付一些實驗習題,但學生的核心素養卻難以獲得提升.實驗教學要循序漸進,教學內容要貫穿實驗的全部環節,要讓學生在實驗學習中明晰做實驗目的,思考實驗該如何設計,明白操作要注意哪些,觀察記錄實驗的現象,看懂實驗得到數據.并能夠分析實驗現象,處理實驗數據,并據此得出結論.還可以進一步引導學生分析實驗誤差并嘗試提出降低誤差的改進建議等.