淺談借助傳感器實驗對新型教學模式的探索

羅亞菲 駱興高 朱興旺

作者簡介：羅亞菲（1990～），女，漢族，山東聊城人，浙江省杭州第十四中學，研究方向：高中物理實驗教學；

駱興高（1964～），男，漢族，浙江義烏人，浙江省杭州第十四中學，研究方向：高效課堂及資優生培養；

朱興旺（1979～），男，漢族，浙江金華人，浙江省杭州第十四中學，研究方向：物理教育。

摘? 要：光電效應的實驗現象是證明光具有粒子性的關鍵證據，傳統實驗光電效應現象比較明顯，但光電流與電壓的關系圖像、遏止電壓與入射光頻率關系圖像難得出，導致遏止電壓、截止頻率、逸出功等抽象概念較難理解。文章使用電流、電壓傳感器，實驗可以直接顯示出光電流動態變化規律，課堂內可以直接得出光電流與電壓的關系圖像，課堂外還可以借助更加精密的儀器以小組探究的形式進一步研究遏止電壓與入射光頻率的線性關系。

關鍵詞：光電效應；傳感器實驗；科學探究

中圖分類號：G633.7??? 文獻標識碼：A??? 文章編號：1673-8918（2024）17-0120-04

高中物理課程既包含著很多理論知識，又有大量的學生實驗和課堂演示實驗，理論結合實踐是物理學科的顯著特點。而探究性學習是把兩者相結合的有效、必要手段，同時也是提升學生學科素養的關鍵內容。文章以“光電效應相關實驗”為例，對研究型教學的應用展開了探討，并提出了相應的策略和建議。

光電效應是證明光的粒子性的關鍵證據，在物理學史發展中是非常重要的轉折點。學生可能從科普書上了解過相關知識，但對其具體實驗現象、發生過程、實驗原理都不熟悉，而光電效應的微觀解釋又很抽象。通過本節課內容學習，能夠讓學生體會從宏觀實驗現象中分析微觀粒子作用的方法，提高學生將物理理論與現實應用相關聯的能力，培養學生物理學科思維的形成。

若教學中僅通過理論知識講解，對學生核心素養的提升幫助不明顯。該年段的學生已經幾乎完成了高中物理的整體知識架構，具有一定的科學探究能力，能在教師的引導下進行科學推理，在實驗現象中提出問題、猜想和假設。光電效應實驗受到實驗器材精度的影響不易成功，在教師教學用書中也提到教學中著重討論分析實驗規律。現象明顯的定量實驗就顯得更為重要，教學過程用到的基于傳感器的光電效應實驗和較為精密的普朗克常數測定儀可以解決這一難題。

一、 教學目標的確立

新課標對本節課的要求是：“通過實驗，了解光電效應現象。知道愛因坦光電效應方程及其意義。能根據實驗結論說明光的波粒二象性。”基于課標、學情、教材，具體教學目標確立如下：①觀測光電效應現象。用紫光燈照射鋅板，觀察與鋅板連接在一起的靜電計指針偏角變化。通過這一實驗激發學生學習動機，引發學生思考實驗現象背后的原因。②理解勒納德電路圖的設計思路，借助傳感器測量光電流，觀察光電流隨正向電壓增大時的變化規律，得出光電流趨于飽和的實驗現象。根據實驗現象推理光電流趨于飽和的原因。促使學生培養在圖像中提取信息的意識、提高解釋科學現象的能力。③把正向電壓改為反向電壓，觀察光電流隨反向電壓增大時的大小變化規律，得出光電流會變成0的實驗事實。提出遏止電壓的概念。利用濾光片得到不同顏色的光照下，遏止電壓不同的實驗結果。④針對光電效應經典解釋中的疑難引出愛因斯坦的光電效應理論。讓學生體會科研過程中，科學家迎難而上的勇氣與偉大的創新能力。⑤引入普朗克常數測量精密儀器，課后讓有深度學習能力的學生借助精密儀器測量普朗克常數。

二、 教學環節與活動

（一）觀察現象，提出問題

1887年，赫茲在研究電磁波的實驗中偶然發現，接收電路的間隙如果受到光照，就更容易產生電火花，這就是最早發現的光電效應，也是赫茲細致觀察的意外收獲。但是赫茲意外發現的實驗裝置特別復雜。因此在觀測光電效應現象時，我們一般采用的都是選擇性必修三課本第71頁所示的裝置。

活動1? 把鋅板連接在靜電計上，并使鋅板帶負電，靜電計指針張開。分別用白光燈和紫外燈照射鋅板，觀察靜電計指針的變化。分析該現象說明了什么問題，引入光電效應的概念。

在完成這個看似簡單的實驗時，還可引發學生思考以下問題：為什么要先打磨鋅板？為什么要讓鋅板帶負電？為什么要用紫外燈照射？

時間關系，我們可以在課內對這幾個問題進行簡單理論分析和解釋，每一個問題的實驗探究可由課外興趣小組完成。①未經打磨的鋅板進行實驗觀察實驗現象，打磨之后重復操作觀察實驗現象。②直接讓鋅板連接靜電計，初始都不帶電，用紫外燈照射鋅板觀察到靜電計指針偏轉現象不明顯。讓靜電計和鋅板一起帶正電，再用紫外燈照射鋅板，觀察指針張角幾乎不變。③讓靜電計和鋅板一起帶上負電，用紫外燈照射鋅板，觀察指針張角明顯變小。

（二）分析電路，探究實驗規律

在光電效應的發現和研究過程中，赫茲的助手勒納德做出了重要貢獻，他簡化了實驗裝置，如圖1（右）所示。帶領學生認識光電管的結構。學生分析電路，明確在光電管正負極不導通的情況下電流計中會有電流流過的原理。

勒納德研究了光電流與電壓的關系、飽和光電流與入射光強度的關系。除此之外，勒納德還將正向電壓改為反向電壓來測量電子的最大初動能。在教學過程中，我們對這個實驗進行了詳細探究，重溫科學家的研究過程，培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度。

大部分實驗裝置給出的數據都是定性分析，很少能夠快速得到光電流與電壓的關系圖像，有部分自組裝的實驗裝置采用描點作圖的方法來得到關系圖，耗時較長。

活動2? 通過傳感器實驗裝置觀測光電流隨電壓增加和減小的變化規律

這里引入的光電效應傳感器實驗裝置原理如圖1（右）所示，實物圖如圖1（左）所示。通過本裝置可以直觀地看到電流傳感器反饋出的光電流，還可以觀察到光電流產生的瞬時性特點。

圖1? 光電效應傳感器實驗裝置原理圖

連接好實物電路圖，傳感器調零，閉合開關觀察電流傳感器展示的圖像。光電管兩端電壓為0時，光電流就產生了，這與活動1的實驗現象相匹配，說明電子逸出后有初速度。

調節電位器增加光電管兩端的正向電壓，在電腦中界面觀察光電流隨著正向電壓的增加而增加，如圖2所示。得出電流會趨向于某一個穩定值的結論，讓學生對飽和光電流的理解有翔實的數據支撐。如果我們控制電壓隨時間幾乎均勻變化，這時電腦界面觀察到的電流隨時間變化規律可以等效為電流隨電壓的變化規律。然后把正向電壓調小，再觀察光電流隨電壓變小的變化規律，最終電壓為0時，電流恢復到最初的穩定值，如圖2所示，該實驗結果的展示快速、可靠、直觀，可以看到電流的動態變化。

圖2? 光電流隨電壓變化的規律

提出問題：不加電壓的情況下就產生了光電流，有沒有可能使光電流為零呢？

通過分析實驗電路，不加電壓時光電子有初速度可以達到陽極。如果讓電子無法達到陽極就可以使得光電流為零，不難得出使光電流為零的操作方法——加反向電壓。

活動3? 飽和光電流與哪些因素有關

得到光電流與電壓的關系后，分析光電流達到飽和的原因，可以結合微觀機制和動畫的形式進行理論分析，提出問題：飽和光電流與哪些因素有關？

結合前面實驗現象，猜測光的強度和波長可能會對飽和光電流有影響。

本小節實驗中通過改變照射燈的亮度改變入射光的光照強度，利用窄帶濾光片（圖3上）獲得不同波長的單色光。首先使接入電路的電壓為反向電壓，調節反向電壓使得光電流為零，引出遏止電壓的概念。

從光電流為零對應的反向電壓開始，減小反向電壓到零，再把電壓改為正向電壓逐漸增加正向電壓，得到光電流隨電壓的變化圖像。

先選擇綠色濾光片，套在光電管暗盒的進光口處，用較暗光源照射光電管，得出I-U圖像；再用較亮光源照射光電管，得出對照圖像，如圖3（左下）；繼續在光源亮度不變的情況下改用藍色濾光片，再次進行對照實驗，得到如圖3（右下）所示的實驗結果。

圖3? 光電流隨電壓變化圖

在這里有必要對光照強度進行簡化解釋。光電效應中的入射光強度指的是單位時間內垂直入射到金屬表面單位面積上的光子總能量，為Nhν（其中N表示單位時間內入射到金屬單位面積上的光子數）。在發生光電效應的前提下，光照強度越大，光子數N越多，逸出的光電子就會越多。

仔細觀察圖3中的圖像可知，兩綠色濾光片遏制電壓值差不多，但藍色濾光片對應的遏止電壓值明顯更大。提出問題：遏止電壓與入射光頻率有著怎樣的關系？

活動4? 遏止電壓與入射光頻率的關系

理論上我們可以采用不同頻率的窄帶濾光片多次實驗，得出多組I-U圖像，從圖像中讀出遏止電壓與其對應的頻率一一對應。

首先把紅色濾光片套在光電管暗盒進光口，讓學生猜測它對應的光電流變化規律及遏止電壓的位置與綠光和藍光的關系，并自行在紙上畫出可能的I-U圖像。學生可能會猜測有光電效應發生，且遏止電壓低于綠光。然后再進行實驗操作，學生觀察現象，發現紅光并不能產生光電流，增加光源的亮度、增加正向電壓都不能產生光電流。該如何解釋這一現象？此處引出截止頻率的概念。

最后從I-U圖像讀出遏止電壓的數值，不同的窄帶濾光片對應不同的遏止電壓，理論上可以作出遏止電壓與入射光頻率的關系圖像。但由于光電管本身的各種參數對遏止電壓都會產生不同的影響，我們通過圖像讀出的遏止電壓誤差較大，課堂內可以得出正相關的結論，線性關系不易得出。

（三）理論解釋與愛因斯坦的光電效應方程

完成一系列實驗操作，從提出問題到做出假設，學生對光電效應理論有了進一步的認知，我們可以給出光電效應理論的科學發展過程。

當光照射金屬表面時，電子會吸收光的能量，吸收能量超過逸出功，電子就能逸出。光越強，逸出的光電子數量越多，光電流越大。這些結論與實驗相符合。

但是按照經典的電磁理論，還應得出如下結論：①不管光的頻率如何，只要光足夠強，都應該有光電子逸出，不應存在截止頻率。②光越強，初動能應該越大，遏止電壓越大。③如果光很弱，則電子需要幾分鐘到十幾分鐘才能獲得足以逸出的動能，這個時間遠大于觀察到的光電流產生時間。

基于經典理論解釋的局限性，愛因斯坦在普朗克假說的基礎上，給出光電效應的理論解釋。必須假定電磁波的能量不是連續的，即認為光本身就是由一個個不可分割的能量子組成，頻率為ν的光的能量子為hν，其中h為普朗克常量。這些能量子后來成為光子。愛因斯坦的光電效應方程為：Ek=hν-W0或hν=Ek+W0。

活動5? 普朗克常數測量儀

課外小組繼續探究，利用DH-GD-1普朗克常數測試儀，如圖4所示。該儀器可以較為精確地測量不同頻率的光對應的遏制電壓。讀出多組數據然后用excel描點畫圖，作出入射光頻率ν與遏止電壓U0的關系圖像。

圖4? 普朗克常數測試儀測量遏止電壓

先認識普朗克常數測試儀，光源是汞燈，在暗盒進光口處安裝了可選擇五種不同波長的窄帶濾光片和不同寬度的光闌，調節入射光頻率和入射光強度。

學生可以通過該裝置自行測量不同光闌時不同波長的光照射下的I-U圖，與課堂上傳感器裝置進行對比，此處不再贅述。

學生也可以通過“0電流法”測量不同波長的入射光對應的遏止電壓，在excel表格中記錄數據，作U0-ν圖，如圖4（右）所示。從擬合圖像中可以得出結論：遏止電壓U0與入射光頻率ν呈線性關系，斜率為0.3835。根據斜率計算得出普朗克常數為6.14×10-34J·s，誤差約為7.2%。本小節實驗有助于學生對光電效應更深層地理解。

至此，光電效應實驗形成了完整的閉環，既有定性分析，又有定量實驗，同時驗證了愛因斯坦光電效應方程。學生最終對光的粒子性概念及其作用規律形成系統理解，為下一階段的學習打下堅實基礎。

三、 教學反思與總結

本節課由3個教學環節，5個教學活動構成，依次解決了什么是光電效應→光電效應的研究電路圖→光電流與正向電壓、反向電壓的關系→影響飽和光電流的因素→光電效應存在遏止電壓→光電效應的截止頻率→光電效應的經典解釋與愛因斯坦的光電效應理論，這一系列的問題。通過精心設計的實驗，引導學生深度參與課堂，從自制光照鋅板靜電計有偏角這一現象出發，激發了學生的學習興趣與探究欲，活躍了課堂氣氛，而且在學生已有知識的基礎上，促進了學生對光電效應這一現象的主動探索和意義建構。另外，本節課尊重學生思維發展特點，在課堂內外結合的實驗探究過程中，深刻體驗科學探究的多個環節，從鋅板實驗現象提出問題，在勒納德的實驗中尋找證據，跟著愛因斯坦的解釋，結合測定普朗克常數實驗進行驗證。教學過程中，同學之間、師生之間對實驗過程和實驗結果持續進行交流、評估、反思。實驗過程中用紅色濾光片做實驗時，出現了預估之外的實驗現象，學生除了探究過程，還養成了科學的研究態度，愈挫愈勇的意志，實現學生多方位核心素養的提升。

參考文獻：

［1］童有彩，張安軍.基于物理核心素養的“光電效應”實驗教學探索［J］.物理教師，2023，44（9）：29-33.

［2］關洪.論愛因斯坦《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》一文的得失［J］.自然辯證法通訊，2005（2）：7-11，6.