“光的粒子性”疑点突破及教学示例

汪建军

【摘 要】新版普通高中物理课程标准要求以学生为根本，以学科核心素养为导向开展教学。本文分析了“光的粒子性”教学中的疑点问题，同时设计了相应的释疑教学过程，以期帮助物理教师在突破教学疑点的过程中，培养学生的物理核心素养。

【关键词】光的粒子性;光电效应;康普顿效应;教学疑点;核心素养

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）10-0080-02

“光的粒子性”是高中物理选修3—5第十七章第2节的内容，本节内容涉及光电效应和康普顿效应的实验规律及解释，是学生接触普朗克量子概念后的一次应用，对学生物理观念的转变和使用现有理论解释新的现象提出了较高要求[1]。为了方便教学生成，教材在本节内容中设置了一些需要教师向学生讲清楚的“疑点问题”，这些疑点问题往往涉及“为什么”。对这些疑点进行剖析、讲解，让学生经历疑惑、探究、推理、思考到彻底理解整个过程，能使学生的物理核心素养得到真正发展。

1   相同的光照强度下，增加入射光的频率能否增大饱和光电流

疑点产生：教师往往通过改变光的强度来演示饱和光电流与光强的关系，通过改变入射光的频率来演示遏止电压与频率的关系。此过程也让学生产生了一个疑点：改变入射光的频率能否使相同光强下的饱和光电流增大呢？

疑点突破，生长素养：

师：光强代表的是单位面积上光的电磁辐射功率，它和光子数有关。若用 I 表示光强，ν 表示光的频率，A 表示照射区域面积，N 表示时间间隔 t 内照到 A 上的光子总数，则I=Nhv/At。请思考，在光强一定的情况下，光子数量和频率有什么关系？

生：频率越高，光子数量越少。

师：单个光子的能量和频率有什么关系？

生：根据 ε=hv 可知，频率越高，单个光子的能量越大。

师：光强相同的低频率光和高频率光的光子数目谁多？

生：低频率光的光子数多，高频率光的光子数少。

师：相同光强下，低频率光拥有数量多、能量小的光子，高频率光拥有数量少、能量大的光子。若用相同光强的低频率光和高频律光去打金属内的电子，打出的光电子数量会有什么区别？

生：低频率光打出的多，因为只要频率超过截止频率，较多的光子就会导致可以收到光子的电子数量增多，从而光电子数量就会增多，饱和光电流也就会增大。

生：我觉得不一定，因为如果接收到光子的电子是深层电子，虽然能克服逸出功，但是不一定能飞出金属表面成为光电子;相反，高频率光中虽然光子较少，但单个光子的能量较大，可以让深层电子飞出金属表面成为光电子，所以这种情况下的光电子数量可能更多。

笔者充分肯定学生的见解，并展示如图1、图2所示的研究光电效应实验的图像。

向学生解释，有人用锑铯（Sb-Cs）和银氧铯（Ag-O-Cs）两种不同的材料做了相对灵敏度和波长的关系实验，这里的相对灵敏度能间接反映光强一定时饱和光电流的大小和频率之间的关系[2]。从图1和图2中可以得出，光强一定时饱和光电流随入射光频率的变化关系不能简单地认为是不变、减小或增大，这也印证了刚才大家的推论是有道理的。

这样的教学过程解释了教学疑点，培养了学生的科学思维和科学态度。

2   电子为什么不能吸收多个光子，从而发生光电效应

疑点产生：光电效应中，电子可吸收一个能量大于逸出功的光子，从而逸出金属表面成为光电子。善于思考的学生自然会想到，如果电子能一次吸收多个光子，或者先后吸收多个光子，使总能量超过逸出功，那么应该也会发生光电效应。如此，从能量守恒角度看，截止频率就不存在了。

疑點突破，生长素养：此点是教学中常见的学生疑惑点。为什么电子不能多光子吸收，这主要是由中学阶段所研究的光电效应实验条件所决定的。对此疑点，教师可通过定量分析的方式引导学生理解。

师：假设光电效应实验的光源功率为15 W，光的平均波长λ=20537×10?7 m，光源距被照金属表面的距离为0.5 m，金属原子的半径约为5×10?11 m，则单个原子上每秒钟有多少光子到达？两个光子到达原子的间隔时间为多少？

师：爱因斯坦曾讲过“下雨天两个雨滴同时打在一个蚂蚁身上的几率不会小于光电效应中一个电子同时吸收两个光子的几率”，从计算结果中我们也能看出这一点，另外两个光子先后作用同一个原子的时间需要31.25 s之多。如果电子吸收第一个光子后未能逸出金属表面，这么长的时间足以让电子和周围的原子碰撞消耗掉吸收的光子能量。

师：通过以上分析可知，要想实现多光子吸收，在现有的实验条件下基本不可能。那么怎样的实验条件可以使多光子吸收的概率增大，从而变得可能呢？

生：增加单位面积上的光子数，即用光强很强的光。

师：那是什么光？

生：激光。

教师应多鼓励和指导学生探究与思考，将科学思维的培养落到实处。

3   光电效应中光子与电子的作用为什么不考虑动量守恒

疑点产生：教材解释康普顿效应，用到了光子和电子相互作用的动量守恒和能量守恒联立的式子，然而在光电效应中却只用到了能量守恒，这不免会让学生疑惑：光电效应中的动量难道不守恒吗？

疑点突破，生长素养：此问题涉及光电效应和康普顿效应发生的条件，利用课本介绍的光电效应入射光为可见光和康普顿效应入射光为X射线的实验条件向学生解释清楚。

师：课本上介绍的光电效应实验和康普顿效应实验分别采用的是什么光源？

生：光电效应采用的是紫外线，康普顿效应采用的是X射线，X射线的光子能量高。

师：请计算紫外线光子和X射线光子的能量范围。

生：将数据带入ε=hv=h可知，紫外线的光子能量范围在3.1—6.2 eV;X射线的光子能量范围是1.24×102—1.24×105 eV。

师：课本给出表1：

表1中的逸出功大小和紫外线光子及X射线光子能量大小具有可比性吗？

生：和紫外线光子间相差不大，但和X射线光子能量无可比性，逸出功远小于X射线光子能量。

师：逸出功的大小反映了原子对电子束缚能力的强弱。在用X射线照射原子发生康普顿效应的过程中，由于原子对电子的束缚作用，相对光子对电子的作用可忽略不计，即由光子和电子组成的系统中，原子对光子作用的外力远小于光子与电子作用之间的内力，故可以认为，光子与电子组成的系统动量守恒。然而在光电效应中，显然原子和电子之间的束缚力对光子和电子之间的作用力来说不能忽略，所以不能认为光电效应过程中光子和电子组成的系统动量守恒，而应该是光子、电子和金属原子整个系统的动量守恒。

带领学生经历这一分析过程，能让学生体会动量守恒定律是自然界普遍的规律，教师需要加强学生对动量守恒系统的认识能力。

新知识的教学一般要让学生经历“问题—猜想—解释—验证—应用”的过程。教师对教学疑点，要注重从“为什么”进行解答，通过恰当有效的思维活动，充分发挥解释知识原理和疑点的重要作用，从而发展学生的核心素养。

【参考文献】

[1]赵凯华.有关光电效应和康普顿效应的若干问题[J].物理教学，2013（1）.

[2]李曙光.光强一定时饱和光电流随入射光频率的变化关系辨析[J].大学物理，2003（8）.