基于素质培养的光电效应实验教学设计

宋连鹏

(海军大连舰艇学院　基础部，辽宁大连　116018)



基于素质培养的光电效应实验教学设计

宋连鹏

(海军大连舰艇学院基础部，辽宁大连116018)

摘要针对光电效应测普朗克常数实验教学中出现的重视实验结果，忽视实验过程的问题，该文通过对光电效应实验背景、实验方法和数据处理信息的整理设计，挖掘对学生进行素质培养的切入点。引导学生关注光电效应发现、解释和验证过程中的成功经验，剖析实验中解决问题所采用的“转换”的实验方法，掌握实验操作和数据处理的基本技能，从而培养学生的创新能力，提高学生的实验技能，充分发挥大学物理实验培养学生综合素质的作用。

关键词素质培养；实验方法；实验技能；创新能力

作为经典的大学物理实验，光电效应是大学低年级学生必做的实验，遗憾的是学生往往只是为验证理论而做实验，没学到真正的知识。如果教师能够正确引导，对培养学生的综合素质是大有帮助的。

1创新能力培养

科学上的创新成果，在国内的最高水平标志是国家自然科学奖，在国际上的最高水平标志是诺贝尔奖。遗憾的是我国国家自然科学一等奖多次出现空缺[1]，至于诺贝尔奖更是无从谈起。如何培养创新能力，这是我们不得不面对的一个严峻挑战。光电效应实验为培养学生创新能力提供了难得的平台。

1.1光电效应的发现

1887年赫兹在用实验验证电磁波存在的过程中，偶然发现了光电效应，撰写了一篇“紫外线对放电的影响”论文，发表后引起许多科学家的关注。通过大量实验得到以下定律：1)任何金属都有一定的极限频率，要发生光电效应，入射光的频率必须大于这一频率；2)光电子的最大初动能随入射光频率增大而增大；3)光电流的强度与入射光的强度成正比；4)光电子的发射几乎是瞬时的，约1×10-9s[2]。这些都与光的波动说是矛盾的。根据光的波动说，光电效应应该没有频率限制，只要照射时间足够长都可以发生光电效应，而且光强越强电子逸出金属表面的最大初速度越大；光照到金属表面，能量总要有一个积累过程，不应该是瞬时的。

通过光电效应的发现引导学生重视意外情况。意外情况往往透露了人们还未发现的信息，意味着获得创新成果的重大机遇。赫兹在做验证电磁波存在的实验中，他并不是只关注预期的结果，而是对意外情况也高度警惕，认真对待。引申类似的情况，还有霍尔发现霍尔效应的过程。同时引导学生善于发现矛盾，积极主动抓热点问题，在问题矛盾中才存在机遇。光电效应发现以后为什么能吸引大批的科学家从事相关研究，就在于这里有矛盾，实验结果与经典理论存在不可调和的矛盾。

1.2光电效应的解释

面对这一系列的矛盾，爱因斯坦受普朗克能量子假说的启示，在他的著名论文“关于光的产生和转化的一个启发性观点”[3]中提出光量子假说，即光所携带的能量是一个个不连的能量“颗粒”，称为光量子。 爱因斯坦也由此得出了著名的光电效应方程：

利用光量子假说圆满解释了光电效应，根据爱因斯坦光电效应方程，每种金属都有确定的逸出功，光子的能量必须大于金属的逸出功才能产生光电流，即存在频率限制；每个光量子的能量同频率成正比，频率越大能量越大，光电子的初动能也越大；光子与金属中电子的作用不需要能量积累，因此是瞬时的。

爱因斯坦的成功是抓住解决困难的关键，在普朗克能量子假说的启示下，勇敢地提出了突破经典理论的光量子假说，迈出了关键的一步。当然，爱因斯坦具备常人没有的创新的灵感和敏锐的意识，而这些灵感和意识与他始终站在科学的前沿和对能量子理论的充分了解是分不开的。这就需要不断学习积累，了解新动态，遇到新问题时才能综合各方面情况，勇敢地提出新的假说。

1.3光电效应的验证

爱因斯坦对光电效应的解释堪称完美，这个假说是否正确，还需要实验的验证。美国物理学家密立根从1904年起就开始做光电效应实验，经过十余年的奋斗，密立根发表的实验结果全面地证实了爱因斯坦光电方程。 求出了普朗克常数h的值，与普朗克1900年从黑体辐射求得的h值(6.55×10-27erg·s)吻合度极好。

密立根之所以取得成功是因为他为消除实验误差采取了许多创意无限且卓有成效的措施：1)为了获得较好的单色光，密立根让高压汞灯发出的光分别通过石英单色仪和滤光片；2)为了消除金属表面的氧化膜，他将实验样品固定在真空管内的小轮上，借助于装在真空管外面的可动电磁铁来操控。做验证假说实验的难度是非常大的，不仅需要实验者能根据假说设计出简单易行的实验方法，还需采取种种措施减小误差，提高实验精度。

2实验方法培养

光电管是光电效应实验的核心电子元件。它将金属模封装在真空管内，金属膜为阴极，在光照射下，电子从阴极金属板上逸出，外加电场就可以形成电流，通过检流计检测电流的大小，将微观电子的探测转换为宏观电流的测量，实现微观到宏观的“转换”。

电流为零时，电压为负值，该电压被称为“截止电压”。“截止电压”是负电压，或者说反向电压，作用是阻碍电子向阳极运动。电流为零说明阴极表面层逸出的具有最大初动能的电子刚好没有到达阳极，这时电子初动能等于反抗截止电压所做的功。这样可以通过测量截止电压来测电子的初动能，实现初动能的测量到电压测量的“转换”。

每种金属都存在发生光电效应的极限频率，这个频率称为“截止频率”。一个具有截止频率的光子照射金属，打出电子初动能为零，根据爱因斯坦光电效应方程可知，具有截止频率光子的能量就等于逸出功。这样就实现抽象概念逸出功的测量到“截止频率”测量的“转换”。 “截止频率”也不是可以直接测量的物理量，因此把初动能和逸出功的表达式代入爱因斯坦光电效应方程变形得：

这是一个关于入射光频率和截止电压的直线方程，斜率即为普朗克常数与基本电荷电量e的比值。因此可以通过测量不同频率光照射下的截止电压，拟合出直线方程，进而得到斜率计算普朗克常数。这样就通过数学变换实现“截止频率”的测量到不同频率下截止电压测量的“转换”，同时也避开了光频率的测量。

通过一系列的“转换”将最初的3个不可测物理量最终转换为熟知的电压的测量，实现对普朗克常数的测量。

3实验技能培养

大学物理实验一个显著的作用就是培养学生的实验技能，光电效应实验对学生实验技能的培养也是多方面的。

3.1培养操作能力

光电效应实验中使用的是具有多种谱线的汞灯，为了得到不同的单色光和不同光强，设计了滤色片和光阑两种配件，在需要时进行切换。但是灵敏的光电管不允许汞灯直接照射，汞灯又不能经常开关，因此在切换滤色片和光阑时要先遮挡汞灯光源，再进行切换，使用时再除掉遮光盖。实验中耐心细致、简洁有序的操作必不可少。

3.2培养数据记录能力[5]

普朗克常数的测量需要记录的仅仅是5个电压，但是电压测量记录的顺序要做精心的设计，波长小的光频率大，对应的能量大，测量时应该优先测量，如表1所示；否则在切换滤色片后容易产生电压表的超量程现象，从而影响实验结果的精度。

表1　波长频率及截止电压

表2　光电管I-UAK关系

续　表

3.3培养数据转化能力

实验数据的转化能力是学生必备的基本能力。光电管的伏安特性曲线要在坐标纸上正确地描绘出来，也可用数据处理软件根据表2的数据进行计算机作图，如图1所示。观察分析图1即可验证实验定律：所有的光电流都是随着电压的增大趋近一个定值——饱和光电流；曲线1和曲线2是相同光强不同频率下的伏安特性曲线，频率大的光电子初动能大，在相同的电压下形成的光电流大(曲线2)；曲线1和曲线3是相同频率不同光强下的伏安特性曲线，4 mm光阑面积是2 mm光阑面积的4倍，4倍的光强得到大约4倍的光电流。进一步可以分析讨论，密立根时代由于技术条件的限制，不能直接测量截止电压，密立根是通过光电管伏安特性拟合出截止电压的。这样即让学生了解测光电管伏安特性的意义，也体现知识的融会贯通，开阔了学生的思维空间。

图1　伏安特性曲线

零电流法[6]测量普朗克常数直线方程的拟合，可以借助数据处理软件完成，如图2所示，得到普朗克常数。分析式(2)发现还可以得到截止频率fC=3.542×1014Hz，作为实验的拓展在培养学生

能力的同时丰富教学内容。也可以引导鼓励学生用学过的C语言编写一个小程序供大家使用，采用开放式的使用模式，使用的同时学生可以将自己的改进或创意添加到程序当中，使程序得到进一步的完善。学以致用调动学生的积极性，团队协作精神在潜移默化中得到了培养。

图2　Uc-f关系曲线

4结束语

大学物理实验是大学生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，通过光电效应实验教学不仅帮助学生验证了光电效应相关定律，而且使学生掌握了物理实验的思想和方法，了解体会了实验的创意设计、创新技法，从而培养了学生的综合素质。

参 考 文 献

[1]王延志.光电效应实验对原创能力的培养[J].物理实验，2006，26(1):36-39.

[2]邵奇.大学物理实验教程[M].北京:海潮出版社，2010.

[3]范岱年，许良英.爱因斯坦文集(第二卷)[M].北京:商务印书馆，1977.

[4]吴秀琴.“ 霍尔位置传感器测量杨氏模量”的课堂教学创新设计[J].现代教育科学，2013(1):11-12.

[5]庹静.基于素质培养的霍尔效应实验[J].物理与工程，2010，20(2):26-28.

[6]王云志，赵敏．光电效应测普朗克常数的数据处理及误差分析[J].大学物理实验，2011，24(2):93-95.

收稿日期:2015-02-28；修改日期: 2015-03-27

作者简介：宋连鹏(1977-)，男，硕士，实验师，主要从事大学物理实验教学与研究工作。

中图分类号G642.423；O472

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.009

Teaching Design of Photoelectric Effect Experiment Based on Quality Cultivation

SONG Lianpeng

(Department of Basic，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China)

AbstractFor the fact of attaching great importance to the experimental results but not the experimental process in the teaching of photoelectric effect experiment，this paper shows the breakthrough point of cultivation of students’ comprehensive quality in the experiment teaching through the design of the background of experiment，experimental method and the processing of data of experiment.It guides the students to focus on the successful experiences in the process of discovering the photoelectric effect，explaining the photoelectric effect and verifying the photoelectric effect，analyze the clever way called “transformation” which is used to use in experiment，and master the skills of the experimental operation and data process.All these does not only cultivate students’ innovation ability but also improve student experiment skills，which make the physical experiment of university play an important role in the cultivation of students’ comprehensive quality.

Key wordsquality cultivation;experimental method;experimental skills;innovation capability