自制教具 促进教学*——以“光电效应”实验设计为例

施生晶 吴健

(三明市第二中学 福建 三明 365000 )

1 问题的提出

物理实验是物理学研究的重要方法.教师在教学过程中，常遇到实验室仪器陈旧、短缺，无法满足教学内容，需要对仪器进行改进提升，需要教师自力更生，研制一些教具，满足课堂实验的需要，突破教学重点、难点，帮助学生掌握知识，提高学生学习物理的兴趣，提高教学效率.

2 自制教具 促进教学

问题1:如何激发学生学习“光电效应”的兴趣.

实验1:感受光转换电的实验.

实验器材：如图1所示的J0401演示电表、光伏电池板、可调亮度的白炽灯、导线若干.

图1 J0401演示电表与光伏电池板

教师演示：用导线把光伏电池板和电表连接，用白炽灯照射光伏电池板，再增大亮度.

实验现象：如图2所示,观察到指针向右侧偏转，随着灯的亮度增加，指针偏转角度变大.

图2 指针向右侧偏转

实验效果：教师通过创新实验，把光转换成电流的现象，呈现给学生，激发学生对光电效应求知的欲望.

问题2:若能测出光电流，对光电效应的规律判断会更直接、更可靠.

实验2:探究光电效应的规律.

实验器材:如图3(a)所示的J2517光电效应演示器、铜网、锌板、J0401演示电表(b图)、可调亮度的白炽灯、紫外灯、若干导线.

(a)演示器实物图

(b)J0401演示电表

教师演示1：用导线把光电效应演示器和电表连接，先用白炽灯照射锌板；再增大灯的亮度；延长照射锌板时间.

实验现象：如图4所示，在用白炽灯照射锌板，观察到指针停在“0”位置处，没有偏转.

图4 实验过程中演示电表指针位置

实验效果：学生通过观察，锌板在白炽灯照射下，虽然改变亮度和照射时间，但都没有光电流产生.要发生光电效应需要什么条件呢？通过实验，激发学生学习和思考的积极性，有利于促进下一步课堂的教学.

教师演示2：把白炽灯改为紫外灯，先用1盏紫外灯照射锌板，再用2盏紫外灯照射锌板.

实验现象：如图5所示，用1盏紫外灯照射锌板，电表指针向右偏转1格.

图5 1盏紫外灯照射锌板，电表指针向右偏转1格

如图6所示，用2盏紫外灯照射，电表指针向右偏转2格.

图6 2盏紫外灯照射，电表指针向右偏转2格

现象分析：因紫外光的频率大于白炽灯产生光的频率，紫外线能使锌板发生光电效应.用2盏紫外灯照射锌板，增加光的强度，产生更大电流.

实验结论：光电效应的发生跟光的频率有关；发生光电效应后，光电流跟光的强度有关.

实验效果：用仪器呈现电流大小，现象明显，提高教学效果，有利于促进学生进一步探究光电效应规律的热情.

问题3:如何理解爱因斯坦的光电效应方程

实验3:光子能量与重力势能类比.

实验器材：轨道模型，若干个相同玻璃球.

模型说明：针对初学者，教师要抓住学生刚接触光电效应方程的认识水平，从简单入手，先考虑单光子的光电效应，随着学习深入，再让学生全面掌握发生光电效应的原因.因此,本模型仅考虑电子吸收光子能量的问题,不讨论光子与电子作用的其他问题.

教师演示1：如图7所示，教师把紫球1和 红球2放在右侧轨道不同高度处，把球1和球2放在左侧轨道不同高度处.

模型分析：理解光子能量、逸出功W0.

(1)如图7所示，右侧轨道的球，离桌面越高，重力势能越大；教师引导学生，用类比的方法分析出：频率越大的光子具有的能量越大(如图8所示的光子hν1).

(2)左侧轨道的球，要上升到越高的位置，克服重力做功越大(如图7所示的球1)；让学生分析出：电子克服原子束缚需要的能量(逸出功W0)，不同材料逸出功不同(如图8所示的电子1和电子2).

图8 光电能量类比重力势能

实验效果：通过轨道模型类比，学生对抽象的光子能量和电子的逸出功有直观的认识.

教师演示2：如图9所示，教师把紫球放在右侧轨道上，从低到高，不同位置处释放紫球，让紫球和黑球碰撞.

实验现象：

(1)如图9所示，较低处释放的紫球，碰撞后的黑球，不能离开左侧轨道.

(2)较高处释放的紫球，碰撞后的黑球，可以离开左侧轨道，离开轨道时还有一定的能量.

模型分析：电子的初动能Ek.

(1)如图9所示，右侧较低轨道的紫球，离桌面较低，重力势能较小，两球碰撞后，黑球获得能量后，沿左侧轨道上升；因具有能量不够大，离不开轨道.如图10所示，让学生类比分析出：频率较小的光子照射锌板，电子吸收光子获得能量小于电子的逸出功，不会发生光电效应.

(2)如图9所示，右侧较高轨道的紫球，离桌面越高，重力势能越大，两球碰撞后，黑球获得能量较大，沿左侧轨道上升；因具有的能量较大，离开轨道时有一定的动能.如图10所示，让学生类比分析出：频率较大的光子照射锌板，电子吸收光子获得的能量大于电子的逸出功(发生了光电效应)，逸出后的电子还有一定的能量(初动能).

图10 类比光电效应中的逸出功

实验效果：利用自制教具，通过模型进行类比，学生很容易理解光电效应方程中抽象的逸出功和电子的初动能

这个创新教学的尝试，助力学生高效掌握知识，很好达到预期的教学效果.

3 实验反思

实验探究是物理核心素养的重要组成部分.新时代的物理教师要研究实验、改进实验、创新实验，教师要结合教学需求，进行必要的教具制作.教具自制要考虑：取材方便，制作简单，操作简单，现象明显，可信度高等，只有这样，实验教学才能达到理想效果，才能培养学生的创新能力.