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对人教版教材中“光电效应”实验的商榷

2015-12-10姚奕晓

物理教学探讨 2015年11期
关键词:光电效应电磁波紫外线

姚奕晓

摘 要:为了使实验效果更明显,新课标人教版教材的光电效应实验(选修3-5模块、第十章、第二节P30)在原来的大纲版教材实验的基础上进行了一些改动:把原来不带电的锌板改为带上负电,然后再进行实验。这一改动虽使实验现象变得明显了,却也带来了一些新的问题,本文将这些问题提出,供同仁们共同探讨。

关键词:光电效应;弧光灯;紫外线;电磁波;空气电离

中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2015)11-0061-2

2015年7月人民教育出版社编审谷雅慧教授深入基层,给广西物理教师的解释教材指导工作,还和大家一起对实验中的疑难问题做了认真的讨论。

新课标教材对“光电效应”实验做了改动,大纲版教材中,这个实验是通过弧光灯的照射,使不带电的锌板带电,从而证明了光电效应。但实际上,实验较难做成功。新课标版对此做了一些改动——先让锌板带上负电,再用紫外线灯照射,这一改动,让实验效果明显了,实验的难度也降低了。

对于这一改动,有的老师有不同意见。

笔者的思考和疑问是:

原实验(大纲版教材第三册、第二十一章、第一节P41):

把一块擦得很亮的锌板连接在验电器上,用弧光灯照射锌板(如图1),验电器的指针就张开了,进一步检查表明锌板带的是正电,这个实验说明在弧光灯的照射下,锌板中的一些自由电子从表面飞出来了,锌板缺少了电子,于是带正电。

图1 原实验示意图

实验的流程是:紫外线照射—锌板带正电荷—说明锌板失去电子—证明了光电效应。这一过程逻辑严密,无懈可击。

改动后的实验(人教版新课标教材、选修3-5模块、第十章、第二节P30):

图2 改动后的实验

实验的流程是:带负电的锌板—紫外线灯照射—验电器指针偏角逐渐减小。

但问题产生了:这个实验只是证明了紫外线照射下,锌板所带负电逐渐减小。造成锌板所带负电逐渐减小的原因就不只一个了。下面把所有可能的原因一一罗列:

(1)紫外线本身能导电,把锌板的负电荷导走了;

(2)紫外线照射下,空气电离,使锌板的负电被导走了;

(3)光电效应。

我们先分析第(1)条:紫外线本身能导电吗?紫外线是电磁波,2004年7月23日居庸关长城15名游客遭雷击,包括《中国新闻网》在内的许多媒体均报道了专家们对此的解释:被雷击的原因是游客打手机所至,有专家进一步解释:“手机的电磁波是导体”。这一说法,更是引发热议,甚至央视2013年在《是真的吗》节目还专门就这个问题进行了实验和探讨,结论当然是否认了“电磁波是导体”之说。可见,电磁波是否会导电,真的有必要在此进行解释。

再看第(2)条:紫外线会使空气电离吗?会!关于紫外线使空气电离的文献很多,这里就不再列举了。既然紫外线能使空气电离,那么如何说明锌板带负电减少是由于光电效应,还是由于空气电离后锌板的负电荷被导走?如何说明锌板带负电减少与紫外线使空气电离无关?这就麻烦了!

最后第(3)条:光电效应,造成了锌板所带负电减少——这当然就是课本编写者希望得到的结论。但得到这个结论之前,必须先否认第(1)条原因,排除第(2)条原因,才有可能得到这一结论。

能否排除第(2)条原因呢?我们可以设计一个这样的实验来说明:

用同样的弧光灯去照一块极限频率高于紫外线频率的、带同样电量负电荷的金属板,如果发现所带负电荷减小的幅度可以忽略,则说明紫外线使空气电离造成的影响可以忽略,第(2)条原因可以排除;但如果发现金属板所带负电荷减小的幅度较大,则说明不能忽略空气电离的影响,新课标教材所做的改动不成功。

也许有老师会问:那原来大纲版教材中的实验中,紫外线同样也会使空气电离,为什么没这些问题?

大纲版实验中,锌版是不带电的,光照使之带电了,紫外线同样也会使空气电离,但空气的电离并不会使锌板带电的,反而会使实验效果弱化——有些改进实验中,在真空环境中做同样的实验,发现实验现象比在空气中明显了许多,正是这个原因。

综上所述,新课标教材中对这个实验的改动值得商榷:虽然实验的效果明显了,但这个效果是否是光电效应的原因所至?即使是,也得花相当的时间和笔墨进行说明,有节外生枝之嫌。

编者按:光电效应实验非常重要。爱因斯坦用光的量子理论成功地解释了光电效应,获得了诺贝尔物理学奖。光电效应是现代光电应用技术的重要基础。做光电效应实验时,不同的光源有不同的强度,不同的频谱分布。不同的材料(包括锌板)发生光电效应也会对照射光源的强度与频谱有不同的要求。如何在中学物理教学中做好光电效应实验的确需要认真研究和讨论。

参考文献:

[1]卢亭.专家称居庸关长城游客遭雷击事件系由打手机引发.中国新闻网,2004[2004-07-25].http://www.chinanews.com/news/2004year/2004-07-25/26/464024.shtml

[2]朱建华.光电效应实验的改进[J].太原大学教育学院学报,2012,30(1):82—85

(栏目编辑 王柏庐)

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