问题情景教学下对“光的粒子性”的反思

孙科学

【摘    要】“光的粒子性”是波粒二象性一章中至关重要的一节内容，是选考中的一个重要知识点，也是学生理解较为困难的一个知识点，对于如何更好地开展这节内容的教学，笔者试着从实验教具的改进、教学内容顺序的重新调整等方面做了一番思考。

【关键词】光电效应  遏止电压  逸出功

中图分类号：G4      文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.161

人教版《物理》（选修3-5）中第十七章第二节“光的粒子性”，这一节内容在本章中，可以说是至关重要的，也是高考选考中的一个重要的知识考点。本节课的重点就是通过光电效应相关实验现象的演示，来引导学生亲历物理学的科学探究过程，体验物理学史上对光的本性的认知过程，体会探索自然规律的艰辛和喜悦。但是本节课的内容笔者在几次教学过程中，遇到了很多问题。其一，本节知识是由光电效应的实验规律、光电效应解释中的很多疑难、爱因斯坦的光电效应方程、康普顿效应和光子的动量五部分组成，内容较多，难度较大，知识也过于抽象，再加上本校学生理解能力上的不足，往往在新课教学的过程中，不少学生还是会有很多理解上的困难。其二，这一节课的引入就是做光电效应的实验，引发学生的思考。而后“遏止电压”“ 截止频率”“饱和电流”等概念的得出也应该是从实验当中而来。但是光电效应实验要做成功，却是比较困难的。其三，按照教材内容的编排，在教学上我们一般就按照这样的思路展开教学：先是光电效应实验规律的探究;然后用经典光的电磁理论去解释光电效应，发现一些难以解决的问题;接着爱因斯坦以普朗克的能量子假说为基础，提出量子假说，用光电效应方程解释一些难以解释的问题，最后是密立根实验验证。教材顺序编排得很合理，但是笔者认为在实际教学过程中有些部分可以做适当的调整，从而更好地帮助学生来理解和掌握。

针对以上问题，结合学生的课堂反应，在经过几次教学实践以后，笔者觉得可以试着做一些改进，或许会有更好的教学效果。

一、对实验设备的一些改进和想法

按照课本当中的实验装置做光电效应这个实验时，紫外线灯辐射的能量只有一小部分照射到锌板上面，锌板表面又极容易氧化，如果再加上潮湿的空气的话，这个实验的成功率是很低的。即使发生了光电效应现象，现象的可视性也是很差的。但是如果換成一个圆柱形的锌板制成的圆筒，把紫外线灯的功率再加强点放置在锌板制成的圆筒中，如课文上，那么紫外线的能量绝大部分就可以辐射到锌板上，光电效应的现象就可以更加明显。

课本上接下来是研究光电效应现象。在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值，即饱和电流。实际在做这个实验的时候，即使光电管两端所加的正向电压达到200V以上，光电流几乎在几十微安左右，如果用一般的电流表去测电流的话，基本上是没有读数的。所以在电路图中，电流表改为微安表更为恰当。同时为了实验的可视性更好一些，电源也不妨换成可调式直流高压电源。而在接下来研究正向电压和光电流的大小关系以及后面光电管两端加反向电压时，存在遏止电压这一现象，课本当中是直接给出了光电流与电压之间的关系。这个关系我们按照课文的实验装置，如果要得到课文当中的伏安特性曲线的话，要不断地调节电压大小，记录光电流数值，需要多组数据，耗时较长，紫外线灯长时间照射也容易对人造成损害。所以在课文的电路图中，如果要让学生亲身参与体验再得出结论，我们可以把电压表和电流表直接换成电压传感器和电流传感器，这样操作过程中，光电流和电压的伏安特性图像就可以直接在计算机中显现出来，既方便又省时。

二、教材内容的讲解顺序的反思

如果本节内容按照教材的编排顺序，先讲光电效应的现象和规律，再解释其中的疑难。这样讲解的时候，在讲到实验规律的时候，如果教师真的是把实验做得很成功，每一步都做到位，那么学生还是可以接受的。但往往这一节课在讲解的时候，由于实验的难度很大，操作不易且成功率较低等因素的影响，教师一般并不会进行实验的演示。那么当教师讲到光电效应实验规律的时候，学生往往是云里雾里。所以，在教学的过程中，在不做实验的前提下，我们不妨换一种讲法，按这样的线索展开：

先简单演示或讲解光电效应现象→提出爱因斯坦光电效应方程→具体介绍光电效应的现象和规律→用光的电磁理论和爱因斯坦光电理论解释现象。按照这样的线索顺序展开，由于前面已经学习了爱因斯坦的光电效应方程和理论，所以后面即使没有实验的展示铺垫，学生在学到光电效应的众多现象的时候，也不会再感到很迷茫，教师也能逐步地去引导学生思考和辨析其中的现象所包含的原因。当然在实际的教学过程中，如果一股脑地把所有的实验现象全部告诉学生，实际效果可能也并不是很好。所以在给出爱因斯坦光电效应方程后，我们如果用问题情景式教学来展开现象和规律的教学，效果应该还能更好一些。

在课文解释紫外线照射光电管，产生光电流后，我们可以提出问题1：为什么要加正向电压？不加正向电压电路中有电流吗？引导学生分析，解答：光照射到阴极K上会发生光电效应现象，但只有极少数的电子能到达阳极A，电路中电流很小。加了正向电压后，大量的电子在电场力的作用下向阳极移动，电路中电流就大了很多。

接着提出问题2：如果保持光照条件不变，逐渐增大正向电压，大家认为会有什么变化？引导学生分析，解答：随着正向电压的增大，将有更多的从金属表面逸出的光电子会到达阳极A，所以光电流会增大。但是当逸出的光电子几乎全部到达阳极A后，电流将达到最大，我们称之为饱和电流。

至此，光电效应的绝大部分现象和规律，都已通过前期爱因斯坦光电效应理论和方程的铺垫，再结合问题的提出，在教学实践中发现大部分学生基本可以通过教师的逐步引导，慢慢地给出正确的结论。当然，光电效应现象中的瞬时性以及光照时间延长并不能够促使光电效应的发生等一些规律，是很难直接让学生自己思考得出的，还是需要直接告诉学生其中的原因的。而通过这样一种问题教学方式的应用，在缺少必要实验演示的情况下，我们教师不是简单地将知识全部灌输给学生，而是让那些原本繁复、难以理解的现象，通过让学生亲身参与教师的教学来一起讨论、猜想，自己去得出结论，使他们真正理解和掌握这节课的内容。

在物理课堂上，教师不仅仅是教授给学生书本上的物理知识，更应该做的是引导学生像科学家一样去思考，去追问。在物理教学过程中，引领学生去接受科学的思维，形成科学的思考方法，领悟科学探索的精髓，激发学习科学、探索未知的勇气和信心，更是我们每一位物理教师努力和前进的方向与目标。