“光电效应”的教学设计与创新

任炳杰

（江苏省白蒲高级中学 江苏如皋 226511）

“光电效应”的教学设计与创新

任炳杰

（江苏省白蒲高级中学 江苏如皋 226511）

结合光电效应教学研究现状，针对光电效应传统教学存在的问题，从彰显物理学科特征出发，对光电效应重新进行教学设计，并指出了光电效应教学中需明确的两个问题．

光电效应 教学设计 光电效应方程

光电效应是20世纪近代物理学的重要发现之一，使得人类对物质世界量子性质的认识迈出了实质性的一步．光电效应也是高中阶段近代物理部分教学的重要内容，各版本的教材都用了较大篇幅介绍光电效应．教学过程中若采用传统陈述性教学思路，往往感觉课堂气氛沉闷、学生学习缺乏条理，部分学生存在“死记硬背”现象，很难取得良好的教学效果．近年来围绕光电效应教学积累了可观的研究资料，但是体现物理学科特征、遵循学生认知规律、给出清晰逻辑思维脉络的教学设计仍然有待进一步研究．本文鉴于光电效应教学的研究现状，就光电效应的教学设计与创新阐述了实践中的几点想法与做法．

1 传统教学存在的问题

光电效应课堂教学的教学主线通常从光电效应发现的物理史实出发，给出研究光电效应中光电子发射情况的电路图，根据电路图研究光电效应现象并提出关于饱和电流、遏止电压和截止频率的实验规律；然后在尝试用经典电磁理论解释光电效应现象时遇到了困难，进而提出爱因斯坦在普朗克量子理论启发下提出“光子说”对光电效应进行了解释且与实验规律相吻合；最后说明密立根用精湛的实验技术测量光电效应中几个重要物理量并算出了普朗克常量h，从而检验了爱因斯坦光电效应方程的正确性．

传统光电效应课堂教学往往采用陈述性教学思路，缺乏学生探究活动和自主建构过程，特别是在介绍照射光的强度、照射光的频率与多个物理量之间的关系时，学生认知难度较大，难以认识到光电效应的本质内容．在实际教学过程中往往会有“物理量多、逻辑关系复杂、教学效果不理想”的感觉．审视传统教学思路不难发现，没有理清两个方面的逻辑关系是导致上述问题产生的根本原因，叙述如下：

（1）光电效应中需要研究的是光电子的逸出情况，包括光电子的初动能和单位时间内逸出的光电子数目．而光电管电路研究的是饱和电流、遏止电压、截止频率与光照情况的关系，这种转变略显突兀，缺乏必要的逻辑铺垫，使得不少学生对光电效应的第一印象就是饱和电流、遏止电压与截止频率这些奇怪的名词，无法通过光电管实验现象建构对光电效应本质的认识．

（2）经典电磁理论解释光电效应时遇到了困难，需要新的观念、新的思想和新的理论对光电效应进行解释．仅说明了经典电磁理论与实验规律矛盾，却没有指出为什么会出现矛盾，回避了经典电磁理论观念的核心问题，对光的能量是怎样认识的．由于对光的能量认知的缺失，学生不能联想到从能量量子化角度重新解释光电效应，导致爱因斯坦“光子说”的提出略显生硬．

2 彰显物理学科特征的光电效应教学设计

基于以上传统教学中出现的问题，尝试对传统教学过程进行优化设计，着力解决上述两个方面存在的逻辑关系缺陷，力图使课堂教学流程逻辑关系清晰、物理课程特征明显．同时为学生设计了系列思维活动，扭转了传统教学以教师陈述为中心的弊端，将物理课堂还给学生，让学生在积极思维中自主建构光电效应相关知识．

2．1 引入新课

如图1所示，锌板与验电器相连，先用与毛皮摩擦过的橡胶棒触碰锌板，使得锌板带上负电，验电器指针张开．用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化情况，并思考现象产生的原因．

图1

实验现象表明验电器指针闭合，说明锌板从带负电变为不带电，引导学生分析其原因，即在紫外线照射条件下锌板失去了电子．介绍该现象最早是由赫兹在研究电磁波实验时偶然发现，德国物理学家勒纳得和英国物理学家汤姆孙相继进行了研究，提出光电效应即照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象，逸出的电子称为光电子．

2．2 探究光电子发射情况与光的强弱及频率的关系

提出问题：物理学家发现光电效应以后，迫切想知道光电子逸出情况与光的强弱、频率的关系．电子属于微观粒子范畴，无法用肉眼观察，阅读下面两段材料思考怎样将不能直接观察的光电子发射情况转变为便于实验观测的物理量．

材料1：现代技术中传感器是这样一类元件即能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学物理量，并把它们按照一定的规律转换为便于处理和测量的电学量（电压、电流等）．

材料2：根据电流定义，电荷的定向移动形成电流，如果让逸出的光电子能够形成定向移动，那么就可以通过对电流的测量来反映光电子的发射情况．

学生讨论：尝试利用传感器原理设计电路，用电学量来反映光电子的初动能和单位时间内逸出的数目，经过小组合作交流、教师指导设计电路如图2和图3所示．

图2

图3

若在极板A，K间施加正向电压，则光电子逸出后由K极板向A极板做加速运动，逐渐增加正向电压，能够到达A极板的光电子逐渐增多，光电流增大，当正向电压达到一定数值时，逸出的光电子将全部到达A极板，则光电流增加到最大值，即达到饱和电流．可以看出单位时间内逸出的光电子数目决定了饱和电流大小，将光电子数目（非电学量）转换成饱和电流（电学量）．

若在极板A，K之间施加反向电压，则光电子逸出后由K极板向A极板做减速运动，逐渐增加反向电压，光电子到达A极板动能逐渐减小，当反向电压达到一定数值时，光电子恰好不能到达A极板，此时光电流变成零，所加反向电压称为遏止电压．可以看出光电子的最大初动能决定了遏止电压大小，将光电子逸出具有的最大初动能（非电学量）转换成遏止电压（电学量）．

实验规律：探究金属钠的光电效应现象与光照强度和光照频率之间的关系．实验涉及饱和电流、遏止电压、截止频率、瞬时性以及光照强度和光照频率，由于涉及变量因素较多，利用控制变量法设计表1记录实验现象，以便于归纳实验规律．

表1 实验现象

学生通过小组合作学习，利用表格数据可以归纳出光电效应4个基本实验规律：

（1）红光不能使金属钠产生光电效应，而紫光、紫外线能使金属钠产生光电效应，说明存在截止频率，当入射光频率低于截止频率时，不论入射光强弱如何均不能产生光电效应；

（2）入射光频率一定的条件下，入射光越强饱和电流越大，说明单位时间内逸出的光电子数目越多；

（3）遏止电压与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关，入射光频率越大遏止电压越大，说明光电子的最大初动能仅取决于入射光的频率；

（4）产生光电效应的时间表明，无论入射光强弱如何，几乎在入射光照射到金属瞬间即产生光电效应．

2．3 光电效应的理论解释

学生活动：阅读下面两段材料，体会经典物理学和量子化理论对物质世界认知图景的差别，特别关注对光的能量的认识，尝试从经典物理学和量子化理论两个角度对光电效应进行解释，同时完成表2．

表2 对光电效应的两种解释

材料1：经典物理学对物质世界的认识具有连续性和整体性，认为物体具有的能量是一个整体，比如物体的重力势能取决于质量和高度且可以取任意值．对于光的能量来说，一般认为光的强度越强表示光的能量越大，光的能量是一个不可分割的整体．

材料2：量子化理论提出物质世界具有分立性和不连续性，认为带电微粒的能量只能是某个能量值ε＝hν的整数倍，带电微粒辐射和吸收能量时也只能是以ε＝hν为单位一份一份地进行．爱因斯坦在普朗克量子理论的启发下提出“光子说”，他认为电磁辐射（包括光）不仅在辐射和吸收能量时以ε＝hν为单位一份一份地进行，电磁辐射（包括光）本身就是由一个一个不可分割的能量子（光子）ε＝hν组成．

通过上述学生活动，在利用经典物理学和量子化理论两个角度对光电效应实验规律进行解释的过程中，加深了微观世界量子化观念的理解，学生思维品质得到有效提升，为爱因斯坦光电效应方程的提出奠定了基础．

点评提升：教师对上述学生活动进行点评，在此基础上提出爱因斯坦光电效应方程，对光电效应4个基本实验规律进行定量解释．同时指出爱因斯坦因光电效应方程完美解释了光电效应现象，且1917年由美国物理学家密立根用精湛的实验进行了证明，从而爱因斯坦荣获1921年诺贝尔物理学奖．

3 光电效应教学中需明确的两个问题

3．1 为什么金属中电子只吸收一个光子的能量

从经典理论观点看，如果光子能量小于金属逸出功，金属中电子吸收光子能量以后能量会高于周围的其他电子，该电子处于非热平衡状态，根据热力学理论，吸收光子能量的电子会将能量均匀地分散给周围其他电子，趋向于热平衡状态．统计力学计算表明这个均匀分散的过程一般不会超过10-8s．从量子化理论看，电子吸收光子能量以后从基态跃迁至激发态，而电子处于激发态的平均寿命一般也不会超过10-8s，会自发地从激发态跃迁至基态，将能量以光子的形式释放出去．

从上述分析可知，电子吸收一个光子能量以后，一般能保持这部分能量不超过10-8s，那么电子能否吸收第二个光子能量逸出，关键在于电子吸收光子的时间间隔．一般而言对于正常强度光源，可以算出每个原子吸收光子的平均时间间隔约为10-1～10-2s，远小于10-8s．由此表明电子在吸收一个光子能量以后，来不及吸收第二个光子能量，便已经将吸收的第一个光子能量消耗，因此，通常强度光源，只能出现吸收一个光子能量逸出的情况．只有在特殊强度的光源（例如激光光源）作用下，才可能出现光电效应．

3．2 光电效应方程的两种表述形式

高中阶段一般认为金属逸出功W0是使电子脱离某种金属所做功的最小值，那么方程Ek＝hν-W0中的动能Ek为光电子的最大初动能，因此这种表述形式具有特殊性，仅适用于最容易脱离金属的电子．光电效应实验发现，同一频率入射光照射情形下，由于不同电子脱离金属所需做功的数值是不相同的，因此逸出后的初动能也是不一样的．事实上爱因斯坦光电效应方程最初的表述形式具有普遍意义，适用于每个逸出的光电子，表达式可以写成Ek＝hν-W，式中W是使电子脱离某种金属所需做的功，而Ek是电子逸出后具有的初动能（数值上小于最大初动能）．可以看出后种表达形式更具有普遍意义，教学过程中应向学生交代清楚，高中阶段学习的光电效应方程仅是爱因斯坦理论的一种特殊表述形式，从而有助于学生理解爱因斯坦光电效应方程的本质含义．

光电效应在物理学发展历程中具有划时代的历史意义，课堂教学不应该仅仅传授给学生相关知识，更为重要的是通过光电效应的学习，使学生能感受物理学发展的脉络，体会物质世界的奥妙，感悟科学研究的精髓，从而形成科学的思维品质和世界观．

1 柳银厚．光电效应实验规律的认识．中学物理教学参考，2013（9）：38～39

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3 汤家合．“光电效应”教学中应明确的问题．物理教学，2008（7）：17～18

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5 顾康清．对物理新课程科学探究教学的哲学思考．物理教学探讨，2010（7）：10～11

2014- 05- 16）