研究教材资源 突破教学难点——以对高中物理教材2019年及2005年版“光电效应”的对比研究为例

方武增

(揭阳市惠来慈云实验中学 广东 揭阳 515200)

人教版高中《物理》(2019年版教材)是为落实立德树人根本任务，以《普通高中物理课程标准(2017年版)》为依据编写的，在继承和借鉴的基础上实现了创新.作为一线物理教师，要研究好新教材，聚焦学科核心素养、提升物理课程的育人价值[1].光电效应内容是经典物理学与量子物理学之间的重要衔接，涉及普朗克、爱因斯坦、密立根等物理学家的研究成果，内容丰富，但却复杂且抽象，所以光电效应是高中物理学习的一个难点内容.本文通过人教版两个版本教材中“光电效应”内容对比并结合笔者多年的教学实践，对“光电效应”这一教学难点进行了分析与总结.

1 两个版本教材中“光电效应”内容的对比

对人教版高中《物理》(2005年版教材)(以下简称“2005年版教材”)、人教版高中《物理》(2019年版教材)(以下简称“2019年版教材”)两版本关于“光电效应”内容比较，大部分是一致的，体现出了物理工作者严谨的作风，对修改制定新教材内容可谓慎之又慎.在确保内容科学性的前提下，且努力保持内容基本稳定的同时，又体现出了创新之处.两版本对于“光电效应”的内容呈现，有以下不同，如表1所示.

表1 两版本对于“光电效应”内容呈现的差异对比

续表1

2 新版教材内容的呈现方式凸显科学性与人文性

2.1 突出“光电效应”的历史地位

2019年版教材中独立以“光电效应”作为一节的标题，突出“光电效应”的重要性及历史地位.光电效应：是指光照射到某些物质上引起物质的电性质发生变化，将光能量转化为电能的现象.光电效应分内光电效应与外光电效应，本文研究的是外光电效应：被光激发产生的电子逸出物质表面，从而产生光电流的现象[2].今时今日，光电效应的应用广泛渗透于生产、生活、科研等多个领域.

2.2 引入的演示实验更具体

教材中插图素材，既提供了较为直观且新颖有趣的物理情景，又包含了相应的物理知识，有利于学生学习[3].2005年版教材里，“用紫外线灯照射锌板”，但锌板未被紫外线照射时，初状态带什么电，是

带正电?负电?还是不带电?并未说明，且从图1来看，紫外光线已射出，只能看到验电器指针末状态；2019年版教材里，确定“使锌板带负电，验电器指针张开”，明确了一个初状态，这样一来用紫外线灯照射锌板，出现的末状态就可与初状态对比.当然，更重要的是若用图1的方案，光电效应使锌板达到的电位较低，数量级为100，而指针验电器对几伏的电位差是检验不出来的，所以图1的做法，现实是不易看出效果的.而图2的做法，先使锌板带负电，验电器指针张开，而当紫光照射时，验电器指针迅速合拢，效果相对明显.

图1 2005年版教材光电效应引入的演示实验

图2 2019年版教材光电效应引入的演示实验

2.3 体现物理课本的人文气息

2019年版教材新增加了“纪念爱因斯坦光电效应理论的邮票”，如图3所示，凸显了爱因斯坦的物理学术地位(当然，爱因斯坦影响更大的是相对论，是20世纪物理学的核心贡献之一).2005年版教材中写到爱因斯坦在1905年发表了题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章，讲述了“光电效应”：爱因斯坦提出光电效应的解释时，实验测量尚不精确，再加上这种观点与以往的观点大相径庭，因此并未立即得到承认，被说成是“在思辨中迷失目标”的“冒昧的假设”.这一段内容在2019年版教材里已被删除，因为后面密立根通过实验测量金属的截止电压Uc与入射光的频率ν，以此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，检验爱因斯坦光电效应方程正确与否.实验的结果表明，两种方法得出的普朗克常量h在0.5%的误差范围内是一致的.这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据.而爱因斯坦由于提出了光电效应理论而获得1921年的诺贝尔物理学奖.

图3 纪念爱因斯坦光电效应理论的邮票

2.4 光电效应的实验规律总结更有逻辑性

2005年版教材，光电效应的实验规律总结为：存在着饱和电流、存在着遏止电压和截止频率、光电效应具有瞬时性，共3点；而2019年版教材，这一规律总结为4点，将“截止频率与截止电压”拆开成独立两项，并将“截止频率”置于首项，此处改动，实际是将“条件项”前置，而在随后的“光电效应解释中的疑难”“爱因斯坦光电效应方程可以很好地解释光电效应实验中的各种现象”中也均将“截止频率”独立一项并置于首项.这样的编排，有利于学生学习，即先从“条件”入手，再学习“饱和电流”等问题.确实，若不能满足光电效应发生的“条件”，后面的精彩内容根本无从谈起，所以2019年版教材的规律总结更有逻辑性.

图4 光电效应的Ek-ν图像

3 聚焦“学困”信息 突破教学难点 提升教材价值

新版教材设计得好，一方面是佩服与感激参编人员，另一方面得依靠教材教学，但不是“依赖”，更不是照本宣科，而是要利用好教材，根据学情对教材资源拓展开发，突出重点、突破难点.本文主要讲“难点”，“难点”是由学科内容与学生的思维水平和认知能力共同决定的.单纯的研究教材、研究高考题内容，只能让教师明白“要教什么”，而学生的学习效果如何？“学困”在哪里？只有植根于真实且复杂的一线教学中才能了解并切身体察.根据笔者入职以来对“光电效应”这一知识的课内讲解，和从学生的回答及做题结果反馈的情况，梳理并总结了学生对于该知识的“困惑”点，收集并聚焦这些“学困”信息，有利于突破教学难点，提升教材价值.

3.1 光电效应的成果并非是爱因斯坦一人之功

学生因“解题”的需要，频繁用到爱因斯坦光电效应方程hν=Ek+We，潜意识将“光电效应”等同于“爱因斯坦”.确实，爱因斯坦对光电效应的研究是突破性的，爱因斯坦光电效应方程解决了很多困扰已久的问题.但事实上,自赫兹1887年最早发现光电效应的迹象以来,有不少物理学家包括赫兹的助手们和斯托列托夫等对光电效应现象进行了分析,但受历史条件的局限,开始没有获得重大突破.1897年电子的发现为光电效应规律的探究创造了重要的条件.诺贝尔物理学奖得主德国人勒纳德于1902年总结了光电效应的几条实验规律[4].而爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的文章是发表于1905年.所以就光电效应的成果而言，并非是爱因斯坦一人的功劳，是一代又一代的物理学家前赴后继、用毕生努力展开研究与探索取得的革命性成果，而爱因斯坦是站在巨人的肩膀上.引导学生客观评价前人成就，也是提升课程育人价值的重要组成部分.

3.2 自由电子实际是不能吸收光子而发生光电效应的

由动量守恒定律

由能量守恒定律

从以上结果来看，两个v并不相同，说明，当光子与一个原来静止的自由电子碰撞前后，并未能同时满足动量守恒与能量守恒，说明光电效应不是光子与金属内的自由电子相互作用.光电效应实际是光子与金属内的束缚电子的相互作用.

3.3 当入射光频率大于金属极限频率时并非每个光子都能激发出光电子

金属中的大量电子运动状态各异，且均处于不同的能态之中，激发的电子所需要的能量也不尽相同，光子不仅从金属表面而且可以从金属深处激发出电子，对于后一种情况消耗的能量比前一种情况消耗的能量要大.此外，光电子的初动能还会受到金属表面涂敷材料、接触气体及金属表面清洁程度等因素的影响，因此，光电子从同一金属表面逸出所消耗的能量也不尽相同.所以，只有具有最高能量的电子(对于金属即为费米能)，并且逸出所消耗的能量最少(即为该金属的逸出功)的电子逸出时，才有最大的初动能；反之，对于那些能量相对较低的电子，和逸出所消耗的能量较多的电子而言，即使吸收了频率大于金属极限频率的光子，仍不一定能从金属逸出，成为光电子.这也说明了：当入射光频率大于金属极限频率，有可能激发出光电子，但并非每个光子都能激发出光电子.

3.4 光电子数与入射光的频率是有关系的

发生光电效应时，当入射光较强时，单位时间内照射到金属表面的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大，如图5所示，强黄光产生的光电流比弱黄光产生的光电流要大.很多初学者就认为：光电子数仅与光强有关，而与入射光的频率无关.实际上，“光强越大，单位时间内发射的光电子数目就越多”是在入射光频率一定的条件下得出来的.在前面提到“当入射光频率大于金属极限频率时并非每个光子都能激发出光电子”，而由ε=hν可知不同频率的光子激发出光电子的本领是不同的，当入射光的频率增大时，光子的能量增大，光电子的粒子性也加强，光子与电子碰撞的概率也增大了，这样就大大增加了光电子被激发逸出的概率；而且光子的能量增大，提高了电子受激后的能量，这样也就大大增加了光电子被激发逸出的概率.

图5 光电流与电压的关系

3.5 一个电子在短时间内吸收多个光子可以实现

爱因斯坦曾表示：光电效应中一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同时打在一个蚂蚁身上的几率.一方面说明了一个电子吸收两个光子的小概率，另一方面也保留了实现的可能.普通光源照射下的双光子吸收概率确实是非常小的，以致于在实验中无法观察到.1960年后，随着激光器的诞生，激光被引入实用领域，当用激光作光源进行光电效应时．多光子吸收已经证明也是可以实现的.2013年北京高考理综卷(第20题)：“以往我们所认识的光电效应是单光子的光电效应，即一个电子在极短时间内吸收到一个光子然后从金属表面逸出.当用强激光照射金属时，由于强激光的光子密度极大，一个电子可以在短时间内吸收多个光子从而形成多光子的光电效应，且这已被实验证实……”.描述的就是关于多光子光电效应的问题.

以上5点为笔者在近几年教学中所收集到的“学困”信息，可结合教材的资源作为备课素材，以便实现更有效的教学.

4 后记

教材建设是教育和教学改革的重要组成部分，新时代背景下的教材建设更要与时俱进.教材也要在教学实践中不断完善和提高.新教材的成功编制，背后是一项系统且复杂的工作，来之不易，然而“好书”是需要读者善研究、会使用，才能发挥出新教材最大功效.当然，限于课本的篇幅，所述内容不可能面面俱到，何况对于高中物理教学而言，主要是通过光电效应的学习，让学生明白光具有粒子性.但由于“光电效应”知识过于抽象，“光电子”概念又不同于生活中的具体事物，“学困”的出现再所难免，则需教师根据学生反馈找到“学困”所在，以此融合教材资源进行“高端备课”，才有利于突破教学难点，提升教材的价值.