浅谈借助传感器实验对新型教学模式的探索

罗亚菲 骆兴高 朱兴旺

作者简介：罗亚菲（1990～），女，汉族，山东聊城人，浙江省杭州第十四中学，研究方向：高中物理实验教学；

骆兴高（1964～），男，汉族，浙江义乌人，浙江省杭州第十四中学，研究方向：高效课堂及资优生培养；

朱兴旺（1979～），男，汉族，浙江金华人，浙江省杭州第十四中学，研究方向：物理教育。

摘  要：光电效应的实验现象是证明光具有粒子性的关键证据，传统实验光電效应现象比较明显，但光电流与电压的关系图像、遏止电压与入射光频率关系图像难得出，导致遏止电压、截止频率、逸出功等抽象概念较难理解。文章使用电流、电压传感器，实验可以直接显示出光电流动态变化规律，课堂内可以直接得出光电流与电压的关系图像，课堂外还可以借助更加精密的仪器以小组探究的形式进一步研究遏止电压与入射光频率的线性关系。

关键词：光电效应；传感器实验；科学探究

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1673-8918（2024）17-0120-04

高中物理课程既包含着很多理论知识，又有大量的学生实验和课堂演示实验，理论结合实践是物理学科的显著特点。而探究性学习是把两者相结合的有效、必要手段，同时也是提升学生学科素养的关键内容。文章以“光电效应相关实验”为例，对研究型教学的应用展开了探讨，并提出了相应的策略和建议。

光电效应是证明光的粒子性的关键证据，在物理学史发展中是非常重要的转折点。学生可能从科普书上了解过相关知识，但对其具体实验现象、发生过程、实验原理都不熟悉，而光电效应的微观解释又很抽象。通过本节课内容学习，能够让学生体会从宏观实验现象中分析微观粒子作用的方法，提高学生将物理理论与现实应用相关联的能力，培养学生物理学科思维的形成。

若教学中仅通过理论知识讲解，对学生核心素养的提升帮助不明显。该年段的学生已经几乎完成了高中物理的整体知识架构，具有一定的科学探究能力，能在教师的引导下进行科学推理，在实验现象中提出问题、猜想和假设。光电效应实验受到实验器材精度的影响不易成功，在教师教学用书中也提到教学中着重讨论分析实验规律。现象明显的定量实验就显得更为重要，教学过程用到的基于传感器的光电效应实验和较为精密的普朗克常数测定仪可以解决这一难题。

一、 教学目标的确立

新课标对本节课的要求是：“通过实验，了解光电效应现象。知道爱因坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。”基于课标、学情、教材，具体教学目标确立如下：①观测光电效应现象。用紫光灯照射锌板，观察与锌板连接在一起的静电计指针偏角变化。通过这一实验激发学生学习动机，引发学生思考实验现象背后的原因。②理解勒纳德电路图的设计思路，借助传感器测量光电流，观察光电流随正向电压增大时的变化规律，得出光电流趋于饱和的实验现象。根据实验现象推理光电流趋于饱和的原因。促使学生培养在图像中提取信息的意识、提高解释科学现象的能力。③把正向电压改为反向电压，观察光电流随反向电压增大时的大小变化规律，得出光电流会变成0的实验事实。提出遏止电压的概念。利用滤光片得到不同颜色的光照下，遏止电压不同的实验结果。④针对光电效应经典解释中的疑难引出爱因斯坦的光电效应理论。让学生体会科研过程中，科学家迎难而上的勇气与伟大的创新能力。⑤引入普朗克常数测量精密仪器，课后让有深度学习能力的学生借助精密仪器测量普朗克常数。

二、 教学环节与活动

（一）观察现象，提出问题

1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接收电路的间隙如果受到光照，就更容易产生电火花，这就是最早发现的光电效应，也是赫兹细致观察的意外收获。但是赫兹意外发现的实验装置特别复杂。因此在观测光电效应现象时，我们一般采用的都是选择性必修三课本第71页所示的装置。

活动1  把锌板连接在静电计上，并使锌板带负电，静电计指针张开。分别用白光灯和紫外灯照射锌板，观察静电计指针的变化。分析该现象说明了什么问题，引入光电效应的概念。

在完成这个看似简单的实验时，还可引发学生思考以下问题：为什么要先打磨锌板？为什么要让锌板带负电？为什么要用紫外灯照射？

时间关系，我们可以在课内对这几个问题进行简单理论分析和解释，每一个问题的实验探究可由课外兴趣小组完成。①未经打磨的锌板进行实验观察实验现象，打磨之后重复操作观察实验现象。②直接让锌板连接静电计，初始都不带电，用紫外灯照射锌板观察到静电计指针偏转现象不明显。让静电计和锌板一起带正电，再用紫外灯照射锌板，观察指针张角几乎不变。③让静电计和锌板一起带上负电，用紫外灯照射锌板，观察指针张角明显变小。

（二）分析电路，探究实验规律

在光电效应的发现和研究过程中，赫兹的助手勒纳德做出了重要贡献，他简化了实验装置，如图1（右）所示。带领学生认识光电管的结构。学生分析电路，明确在光电管正负极不导通的情况下电流计中会有电流流过的原理。

勒纳德研究了光电流与电压的关系、饱和光电流与入射光强度的关系。除此之外，勒纳德还将正向电压改为反向电压来测量电子的最大初动能。在教学过程中，我们对这个实验进行了详细探究，重温科学家的研究过程，培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。

大部分实验装置给出的数据都是定性分析，很少能够快速得到光电流与电压的关系图像，有部分自组装的实验装置采用描点作图的方法来得到关系图，耗时较长。

活动2  通过传感器实验装置观测光电流随电压增加和减小的变化规律

这里引入的光电效应传感器实验装置原理如图1（右）所示，实物图如图1（左）所示。通过本装置可以直观地看到电流传感器反馈出的光电流，还可以观察到光电流产生的瞬时性特点。

图1  光电效应传感器实验装置原理图

连接好实物电路图，传感器调零，闭合开关观察电流传感器展示的图像。光电管两端电压为0时，光电流就产生了，这与活动1的实验现象相匹配，说明电子逸出后有初速度。

调节电位器增加光电管两端的正向电压，在电脑中界面观察光电流随着正向电压的增加而增加，如图2所示。得出电流会趋向于某一个稳定值的结论，让学生对饱和光电流的理解有翔实的数据支撑。如果我们控制电压随时间几乎均匀变化，这时电脑界面观察到的电流随时间变化规律可以等效为电流随电压的变化规律。然后把正向电压调小，再观察光電流随电压变小的变化规律，最终电压为0时，电流恢复到最初的稳定值，如图2所示，该实验结果的展示快速、可靠、直观，可以看到电流的动态变化。

图2  光电流随电压变化的规律

提出问题：不加电压的情况下就产生了光电流，有没有可能使光电流为零呢？

通过分析实验电路，不加电压时光电子有初速度可以达到阳极。如果让电子无法达到阳极就可以使得光电流为零，不难得出使光电流为零的操作方法——加反向电压。

活动3  饱和光电流与哪些因素有关

得到光电流与电压的关系后，分析光电流达到饱和的原因，可以结合微观机制和动画的形式进行理论分析，提出问题：饱和光电流与哪些因素有关？

结合前面实验现象，猜测光的强度和波长可能会对饱和光电流有影响。

本小节实验中通过改变照射灯的亮度改变入射光的光照强度，利用窄带滤光片（图3上）获得不同波长的单色光。首先使接入电路的电压为反向电压，调节反向电压使得光电流为零，引出遏止电压的概念。

从光电流为零对应的反向电压开始，减小反向电压到零，再把电压改为正向电压逐渐增加正向电压，得到光电流随电压的变化图像。

先选择绿色滤光片，套在光电管暗盒的进光口处，用较暗光源照射光电管，得出I-U图像；再用较亮光源照射光电管，得出对照图像，如图3（左下）；继续在光源亮度不变的情况下改用蓝色滤光片，再次进行对照实验，得到如图3（右下）所示的实验结果。

图3  光电流随电压变化图

在这里有必要对光照强度进行简化解释。光电效应中的入射光强度指的是单位时间内垂直入射到金属表面单位面积上的光子总能量，为Nhν（其中N表示单位时间内入射到金属单位面积上的光子数）。在发生光电效应的前提下，光照强度越大，光子数N越多，逸出的光电子就会越多。

仔细观察图3中的图像可知，两绿色滤光片遏制电压值差不多，但蓝色滤光片对应的遏止电压值明显更大。提出问题：遏止电压与入射光频率有着怎样的关系？

活动4  遏止电压与入射光频率的关系

理论上我们可以采用不同频率的窄带滤光片多次实验，得出多组I-U图像，从图像中读出遏止电压与其对应的频率一一对应。

首先把红色滤光片套在光电管暗盒进光口，让学生猜测它对应的光电流变化规律及遏止电压的位置与绿光和蓝光的关系，并自行在纸上画出可能的I-U图像。学生可能会猜测有光电效应发生，且遏止电压低于绿光。然后再进行实验操作，学生观察现象，发现红光并不能产生光电流，增加光源的亮度、增加正向电压都不能产生光电流。该如何解释这一现象？此处引出截止频率的概念。

最后从I-U图像读出遏止电压的数值，不同的窄带滤光片对应不同的遏止电压，理论上可以作出遏止电压与入射光频率的关系图像。但由于光电管本身的各种参数对遏止电压都会产生不同的影响，我们通过图像读出的遏止电压误差较大，课堂内可以得出正相关的结论，线性关系不易得出。

（三）理论解释与爱因斯坦的光电效应方程

完成一系列实验操作，从提出问题到做出假设，学生对光电效应理论有了进一步的认知，我们可以给出光电效应理论的科学发展过程。

当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量，吸收能量超过逸出功，电子就能逸出。光越强，逸出的光电子数量越多，光电流越大。这些结论与实验相符合。

但是按照经典的电磁理论，还应得出如下结论：①不管光的频率如何，只要光足够强，都应该有光电子逸出，不应存在截止频率。②光越强，初动能应该越大，遏止电压越大。③如果光很弱，则电子需要几分钟到十几分钟才能获得足以逸出的动能，这个时间远大于观察到的光电流产生时间。

基于经典理论解释的局限性，爱因斯坦在普朗克假说的基础上，给出光电效应的理论解释。必须假定电磁波的能量不是连续的，即认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子为hν，其中h为普朗克常量。这些能量子后来成为光子。爱因斯坦的光电效应方程为：Ek=hν-W0或hν=Ek+W0。

活动5  普朗克常数测量仪

课外小组继续探究，利用DH-GD-1普朗克常数测试仪，如图4所示。该仪器可以较为精确地测量不同频率的光对应的遏制电压。读出多组数据然后用excel描点画图，作出入射光频率ν与遏止电压U0的关系图像。

图4  普朗克常数测试仪测量遏止电压

先认识普朗克常数测试仪，光源是汞灯，在暗盒进光口处安装了可选择五种不同波长的窄带滤光片和不同宽度的光阑，调节入射光频率和入射光强度。

学生可以通过该装置自行测量不同光阑时不同波长的光照射下的I-U图，与课堂上传感器装置进行对比，此处不再赘述。

学生也可以通过“0电流法”测量不同波长的入射光对应的遏止电压，在excel表格中记录数据，作U0-ν图，如图4（右）所示。从拟合图像中可以得出结论：遏止电压U0与入射光频率ν呈线性关系，斜率为0.3835。根据斜率计算得出普朗克常数为6.14×10-34J·s，误差约为7.2%。本小节实验有助于学生对光电效应更深层地理解。

至此，光电效应实验形成了完整的闭环，既有定性分析，又有定量实验，同时验证了爱因斯坦光电效应方程。学生最终对光的粒子性概念及其作用规律形成系统理解，为下一阶段的学习打下坚实基础。

三、 教学反思与总结

本节课由3个教学环节，5个教学活动构成，依次解决了什么是光电效应→光电效应的研究电路图→光电流与正向电压、反向电压的关系→影响饱和光电流的因素→光电效应存在遏止电压→光电效应的截止频率→光电效应的经典解释与爱因斯坦的光电效应理论，这一系列的问题。通过精心设计的实验，引导学生深度参与课堂，从自制光照锌板静电计有偏角这一现象出发，激发了学生的学习兴趣与探究欲，活跃了课堂气氛，而且在学生已有知识的基础上，促进了学生对光电效应这一现象的主动探索和意义建构。另外，本节课尊重学生思维发展特点，在课堂内外结合的实验探究过程中，深刻体验科学探究的多个环节，从锌板实验现象提出问题，在勒纳德的实验中寻找证据，跟着爱因斯坦的解释，结合测定普朗克常数实验进行验证。教学过程中，同学之间、师生之间对实验过程和实验结果持续进行交流、评估、反思。实验过程中用红色滤光片做实验时，出现了预估之外的实验现象，学生除了探究过程，还养成了科学的研究态度，愈挫愈勇的意志，实现学生多方位核心素养的提升。

参考文献：

［1］童有彩，张安军.基于物理核心素养的“光电效应”实验教学探索［J］.物理教师，2023，44（9）：29-33.

［2］关洪.论爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个试探性观点》一文的得失［J］.自然辩证法通讯，2005（2）：7-11，6.