宋連鵬

(海軍大連艦艇學(xué)院　基礎(chǔ)部，遼寧大連　116018)

?

基于素質(zhì)培養(yǎng)的光電效應(yīng)實驗教學(xué)設(shè)計

宋連鵬

(海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部，遼寧大連116018)

摘要針對光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)實驗教學(xué)中出現(xiàn)的重視實驗結(jié)果，忽視實驗過程的問題，該文通過對光電效應(yīng)實驗背景、實驗方法和數(shù)據(jù)處理信息的整理設(shè)計，挖掘?qū)W(xué)生進(jìn)行素質(zhì)培養(yǎng)的切入點。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)、解釋和驗證過程中的成功經(jīng)驗，剖析實驗中解決問題所采用的“轉(zhuǎn)換”的實驗方法，掌握實驗操作和數(shù)據(jù)處理的基本技能，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的實驗技能，充分發(fā)揮大學(xué)物理實驗培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的作用。

關(guān)鍵詞素質(zhì)培養(yǎng)；實驗方法；實驗技能；創(chuàng)新能力

作為經(jīng)典的大學(xué)物理實驗，光電效應(yīng)是大學(xué)低年級學(xué)生必做的實驗，遺憾的是學(xué)生往往只是為驗證理論而做實驗，沒學(xué)到真正的知識。如果教師能夠正確引導(dǎo)，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)是大有幫助的。

1創(chuàng)新能力培養(yǎng)

科學(xué)上的創(chuàng)新成果，在國內(nèi)的最高水平標(biāo)志是國家自然科學(xué)獎，在國際上的最高水平標(biāo)志是諾貝爾獎。遺憾的是我國國家自然科學(xué)一等獎多次出現(xiàn)空缺[1]，至于諾貝爾獎更是無從談起。如何培養(yǎng)創(chuàng)新能力，這是我們不得不面對的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。光電效應(yīng)實驗為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提供了難得的平臺。

1.1光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

1887年赫茲在用實驗驗證電磁波存在的過程中，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，撰寫了一篇“紫外線對放電的影響”論文，發(fā)表后引起許多科學(xué)家的關(guān)注。通過大量實驗得到以下定律：1)任何金屬都有一定的極限頻率，要發(fā)生光電效應(yīng)，入射光的頻率必須大于這一頻率；2)光電子的最大初動能隨入射光頻率增大而增大；3)光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比；4)光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，約1×10-9s[2]。這些都與光的波動說是矛盾的。根據(jù)光的波動說，光電效應(yīng)應(yīng)該沒有頻率限制，只要照射時間足夠長都可以發(fā)生光電效應(yīng)，而且光強(qiáng)越強(qiáng)電子逸出金屬表面的最大初速度越大；光照到金屬表面，能量總要有一個積累過程，不應(yīng)該是瞬時的。

通過光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生重視意外情況。意外情況往往透露了人們還未發(fā)現(xiàn)的信息，意味著獲得創(chuàng)新成果的重大機(jī)遇。赫茲在做驗證電磁波存在的實驗中，他并不是只關(guān)注預(yù)期的結(jié)果，而是對意外情況也高度警惕，認(rèn)真對待。引申類似的情況，還有霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)的過程。同時引導(dǎo)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)矛盾，積極主動抓熱點問題，在問題矛盾中才存在機(jī)遇。光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以后為什么能吸引大批的科學(xué)家從事相關(guān)研究，就在于這里有矛盾，實驗結(jié)果與經(jīng)典理論存在不可調(diào)和的矛盾。

1.2光電效應(yīng)的解釋

面對這一系列的矛盾，愛因斯坦受普朗克能量子假說的啟示，在他的著名論文“關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點”[3]中提出光量子假說，即光所攜帶的能量是一個個不連的能量“顆?！?，稱為光量子。 愛因斯坦也由此得出了著名的光電效應(yīng)方程：

利用光量子假說圓滿解釋了光電效應(yīng)，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，每種金屬都有確定的逸出功，光子的能量必須大于金屬的逸出功才能產(chǎn)生光電流，即存在頻率限制；每個光量子的能量同頻率成正比，頻率越大能量越大，光電子的初動能也越大；光子與金屬中電子的作用不需要能量積累，因此是瞬時的。

愛因斯坦的成功是抓住解決困難的關(guān)鍵，在普朗克能量子假說的啟示下，勇敢地提出了突破經(jīng)典理論的光量子假說，邁出了關(guān)鍵的一步。當(dāng)然，愛因斯坦具備常人沒有的創(chuàng)新的靈感和敏銳的意識，而這些靈感和意識與他始終站在科學(xué)的前沿和對能量子理論的充分了解是分不開的。這就需要不斷學(xué)習(xí)積累，了解新動態(tài)，遇到新問題時才能綜合各方面情況，勇敢地提出新的假說。

1.3光電效應(yīng)的驗證

愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋堪稱完美，這個假說是否正確，還需要實驗的驗證。美國物理學(xué)家密立根從1904年起就開始做光電效應(yīng)實驗，經(jīng)過十余年的奮斗，密立根發(fā)表的實驗結(jié)果全面地證實了愛因斯坦光電方程。 求出了普朗克常數(shù)h的值，與普朗克1900年從黑體輻射求得的h值(6.55×10-27erg·s)吻合度極好。

密立根之所以取得成功是因為他為消除實驗誤差采取了許多創(chuàng)意無限且卓有成效的措施：1)為了獲得較好的單色光，密立根讓高壓汞燈發(fā)出的光分別通過石英單色儀和濾光片；2)為了消除金屬表面的氧化膜，他將實驗樣品固定在真空管內(nèi)的小輪上，借助于裝在真空管外面的可動電磁鐵來操控。做驗證假說實驗的難度是非常大的，不僅需要實驗者能根據(jù)假說設(shè)計出簡單易行的實驗方法，還需采取種種措施減小誤差，提高實驗精度。

2實驗方法培養(yǎng)

光電管是光電效應(yīng)實驗的核心電子元件。它將金屬模封裝在真空管內(nèi)，金屬膜為陰極，在光照射下，電子從陰極金屬板上逸出，外加電場就可以形成電流，通過檢流計檢測電流的大小，將微觀電子的探測轉(zhuǎn)換為宏觀電流的測量，實現(xiàn)微觀到宏觀的“轉(zhuǎn)換”。

電流為零時，電壓為負(fù)值，該電壓被稱為“截止電壓”。“截止電壓”是負(fù)電壓，或者說反向電壓，作用是阻礙電子向陽極運動。電流為零說明陰極表面層逸出的具有最大初動能的電子剛好沒有到達(dá)陽極，這時電子初動能等于反抗截止電壓所做的功。這樣可以通過測量截止電壓來測電子的初動能，實現(xiàn)初動能的測量到電壓測量的“轉(zhuǎn)換”。

每種金屬都存在發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率，這個頻率稱為“截止頻率”。一個具有截止頻率的光子照射金屬，打出電子初動能為零，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知，具有截止頻率光子的能量就等于逸出功。這樣就實現(xiàn)抽象概念逸出功的測量到“截止頻率”測量的“轉(zhuǎn)換”。 “截止頻率”也不是可以直接測量的物理量，因此把初動能和逸出功的表達(dá)式代入愛因斯坦光電效應(yīng)方程變形得：

這是一個關(guān)于入射光頻率和截止電壓的直線方程，斜率即為普朗克常數(shù)與基本電荷電量e的比值。因此可以通過測量不同頻率光照射下的截止電壓，擬合出直線方程，進(jìn)而得到斜率計算普朗克常數(shù)。這樣就通過數(shù)學(xué)變換實現(xiàn)“截止頻率”的測量到不同頻率下截止電壓測量的“轉(zhuǎn)換”，同時也避開了光頻率的測量。

通過一系列的“轉(zhuǎn)換”將最初的3個不可測物理量最終轉(zhuǎn)換為熟知的電壓的測量，實現(xiàn)對普朗克常數(shù)的測量。

3實驗技能培養(yǎng)

大學(xué)物理實驗一個顯著的作用就是培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能，光電效應(yīng)實驗對學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)也是多方面的。

3.1培養(yǎng)操作能力

光電效應(yīng)實驗中使用的是具有多種譜線的汞燈，為了得到不同的單色光和不同光強(qiáng)，設(shè)計了濾色片和光闌兩種配件，在需要時進(jìn)行切換。但是靈敏的光電管不允許汞燈直接照射，汞燈又不能經(jīng)常開關(guān)，因此在切換濾色片和光闌時要先遮擋汞燈光源，再進(jìn)行切換，使用時再除掉遮光蓋。實驗中耐心細(xì)致、簡潔有序的操作必不可少。

3.2培養(yǎng)數(shù)據(jù)記錄能力[5]

普朗克常數(shù)的測量需要記錄的僅僅是5個電壓，但是電壓測量記錄的順序要做精心的設(shè)計，波長小的光頻率大，對應(yīng)的能量大，測量時應(yīng)該優(yōu)先測量，如表1所示；否則在切換濾色片后容易產(chǎn)生電壓表的超量程現(xiàn)象，從而影響實驗結(jié)果的精度。

表1　波長頻率及截止電壓

表2　光電管I-UAK關(guān)系

續(xù)　表

3.3培養(yǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化能力

實驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化能力是學(xué)生必備的基本能力。光電管的伏安特性曲線要在坐標(biāo)紙上正確地描繪出來，也可用數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)作圖，如圖1所示。觀察分析圖1即可驗證實驗定律：所有的光電流都是隨著電壓的增大趨近一個定值——飽和光電流；曲線1和曲線2是相同光強(qiáng)不同頻率下的伏安特性曲線，頻率大的光電子初動能大，在相同的電壓下形成的光電流大(曲線2)；曲線1和曲線3是相同頻率不同光強(qiáng)下的伏安特性曲線，4 mm光闌面積是2 mm光闌面積的4倍，4倍的光強(qiáng)得到大約4倍的光電流。進(jìn)一步可以分析討論，密立根時代由于技術(shù)條件的限制，不能直接測量截止電壓，密立根是通過光電管伏安特性擬合出截止電壓的。這樣即讓學(xué)生了解測光電管伏安特性的意義，也體現(xiàn)知識的融會貫通，開闊了學(xué)生的思維空間。

圖1　伏安特性曲線

零電流法[6]測量普朗克常數(shù)直線方程的擬合，可以借助數(shù)據(jù)處理軟件完成，如圖2所示，得到普朗克常數(shù)。分析式(2)發(fā)現(xiàn)還可以得到截止頻率fC=3.542×1014Hz，作為實驗的拓展在培養(yǎng)學(xué)生

能力的同時豐富教學(xué)內(nèi)容。也可以引導(dǎo)鼓勵學(xué)生用學(xué)過的C語言編寫一個小程序供大家使用，采用開放式的使用模式，使用的同時學(xué)生可以將自己的改進(jìn)或創(chuàng)意添加到程序當(dāng)中，使程序得到進(jìn)一步的完善。學(xué)以致用調(diào)動學(xué)生的積極性，團(tuán)隊協(xié)作精神在潛移默化中得到了培養(yǎng)。

圖2　Uc-f關(guān)系曲線

4結(jié)束語

大學(xué)物理實驗是大學(xué)生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，通過光電效應(yīng)實驗教學(xué)不僅幫助學(xué)生驗證了光電效應(yīng)相關(guān)定律，而且使學(xué)生掌握了物理實驗的思想和方法，了解體會了實驗的創(chuàng)意設(shè)計、創(chuàng)新技法，從而培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王延志.光電效應(yīng)實驗對原創(chuàng)能力的培養(yǎng)[J].物理實驗，2006，26(1):36-39.

[2]邵奇.大學(xué)物理實驗教程[M].北京:海潮出版社，2010.

[3]范岱年，許良英.愛因斯坦文集(第二卷)[M].北京:商務(wù)印書館，1977.

[4]吳秀琴.“ 霍爾位置傳感器測量楊氏模量”的課堂教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2013(1):11-12.

[5]庹靜.基于素質(zhì)培養(yǎng)的霍爾效應(yīng)實驗[J].物理與工程，2010，20(2):26-28.

[6]王云志，趙敏．光電效應(yīng)測普朗克常數(shù)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析[J].大學(xué)物理實驗，2011，24(2):93-95.

收稿日期:2015-02-28；修改日期: 2015-03-27

作者簡介：宋連鵬(1977-)，男，碩士，實驗師，主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)與研究工作。

中圖分類號G642.423；O472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.009

Teaching Design of Photoelectric Effect Experiment Based on Quality Cultivation

SONG Lianpeng

(Department of Basic，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China)

AbstractFor the fact of attaching great importance to the experimental results but not the experimental process in the teaching of photoelectric effect experiment，this paper shows the breakthrough point of cultivation of students’ comprehensive quality in the experiment teaching through the design of the background of experiment，experimental method and the processing of data of experiment.It guides the students to focus on the successful experiences in the process of discovering the photoelectric effect，explaining the photoelectric effect and verifying the photoelectric effect，analyze the clever way called “transformation” which is used to use in experiment，and master the skills of the experimental operation and data process.All these does not only cultivate students’ innovation ability but also improve student experiment skills，which make the physical experiment of university play an important role in the cultivation of students’ comprehensive quality.

Key wordsquality cultivation;experimental method;experimental skills;innovation capability