李彪 張燕怡 劉娜

(中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

1 實(shí)驗(yàn)背景分析

演示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)來(lái)自人教版《物理·選修3-5》中“光的粒子性”.這個(gè)實(shí)驗(yàn)作為“光的粒子性”的知識(shí)根基，在教學(xué)中占有很大的比重.本實(shí)驗(yàn)具有的特點(diǎn)如下.

(1)內(nèi)容量大，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，要解決光電效應(yīng)的4個(gè)問(wèn)題，即光電效應(yīng)產(chǎn)生條件、作用時(shí)間、單位時(shí)間內(nèi)光電子個(gè)數(shù)和最大初動(dòng)能，從而得到光電效應(yīng)的4條規(guī)律；

(2)新概念多，涉及到的新概念有光電流、飽和光電流、截止頻率和遏止電壓等；

(3)邏輯性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論的關(guān)系、宏觀和微觀的聯(lián)系、各物理量之間的關(guān)系等都涉及到了較強(qiáng)的邏輯性.通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，一方面讓學(xué)生探究和理解光電效應(yīng)，另一方面，為后面的光量子和光電效應(yīng)方程的教學(xué)打好基礎(chǔ)和做好鋪墊.因此，做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)是教好和學(xué)好本節(jié)知識(shí)的前提.

學(xué)生在接觸這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)遇到一些困難.首先是實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)原理，看得懂實(shí)驗(yàn)電路圖，但卻不知道為什么要這么設(shè)計(jì)；第二是直覺(jué)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾，這對(duì)一些新概念的物理教學(xué)會(huì)產(chǎn)生負(fù)遷移；第三是建立宏觀和微觀的聯(lián)系，但學(xué)生的感知是宏觀的，缺乏對(duì)宏觀現(xiàn)象的微觀想象.因此，本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)重點(diǎn)是光電效應(yīng)的4條規(guī)律和光電效應(yīng)的微觀圖像.教學(xué)難點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理和新概念的理解[1].

2 重難點(diǎn)突破

問(wèn)題1：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生從思考如何測(cè)量單位時(shí)間產(chǎn)生的光電子數(shù)入手.首先引導(dǎo)學(xué)生了解光電子本身就是電子，因此可以把測(cè)量光電子個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為測(cè)量電量；那電量又該如何測(cè)量呢？學(xué)生可能會(huì)有很多的想法，給時(shí)間討論，然后再逐個(gè)討論其可行性；最后引導(dǎo)到測(cè)電流.當(dāng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，從陰極逸出部分的光電子會(huì)跑到陽(yáng)極上，如果有回路就能形成電流由此得到光電流這個(gè)概念.

在這里的教學(xué)中，不急于直接給出光電流的概念，而是通過(guò)層層引導(dǎo)，喚起學(xué)生已有的舊知識(shí)，然后和新的知識(shí)建立聯(lián)系.并且在此環(huán)節(jié)中，滲透物理學(xué)中“轉(zhuǎn)化”的思想，把無(wú)形抽象的物理量轉(zhuǎn)化為直接可測(cè)的物理量.

接下來(lái)討論如何測(cè)量光電流？學(xué)生最直觀的想法是把光電管和電流表串聯(lián)，看電流表的讀數(shù).此時(shí)給學(xué)生提出問(wèn)題，這里電流的大小能代表全部的光電子數(shù)嗎？這個(gè)時(shí)候可以幫助學(xué)生建立起光電效應(yīng)的微觀圖像，這也是本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一.通過(guò)多媒體向?qū)W生展示光電子逸出時(shí)，速度的方向是四面八方的(如圖1所示).

圖1 不同電壓下光電子的運(yùn)動(dòng)情況

只有特定速度的電子能到達(dá)陽(yáng)極.那該如何將這些漏網(wǎng)的電子一網(wǎng)打盡呢？引導(dǎo)學(xué)生可以從電場(chǎng)的知識(shí)去考慮，可以在兩極間加電場(chǎng)，使更多的電子到達(dá)陽(yáng)極.只要電壓足夠大，就能將這些光電子一網(wǎng)打盡.所以，這時(shí)候?qū)嶒?yàn)電路就從最初的簡(jiǎn)單光電管和電流表的串聯(lián)變成給光電管加正向電壓.此時(shí)，再次對(duì)電路提出問(wèn)題：該如何調(diào)節(jié)光電管兩端的電壓呢？加滑動(dòng)變阻器.那該分壓還是限流呢？如果接入電壓表，那該外接還是內(nèi)接呢.讓學(xué)生討論，得到最終的實(shí)驗(yàn)方案.從最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案到最終的實(shí)驗(yàn)電路，學(xué)生一步步參與其中，不僅理解了實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的原理，突破了本節(jié)課的難點(diǎn)，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，提升了科學(xué)思維.

問(wèn)題2：新概念的理解

(1)飽和光電流

首先給學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)，改變光電管兩端的正向電壓，電流表的讀數(shù)跟著變大.讓學(xué)生思考這是為什么？部分學(xué)生會(huì)受電流微觀表達(dá)式的影響，認(rèn)為速度越大電流越大.接著繼續(xù)演示當(dāng)光電管兩端正向電壓大到一定程度時(shí)，電流表的讀數(shù)就不再發(fā)生變化.讓學(xué)生思考這又是為什么？此時(shí)學(xué)生的認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生了矛盾.這時(shí)候是幫助學(xué)生再次建立正確的微觀圖像的好時(shí)機(jī).雖然光電子速度增大，但單位體積的個(gè)數(shù)也變少了，因此從I=nevs這個(gè)式子是很難判斷電流的大小.所以，引導(dǎo)學(xué)生從單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極的光電子數(shù)來(lái)考慮，電壓越大到達(dá)陽(yáng)極的光電子數(shù)越多，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度，陰極產(chǎn)生的光電子全部都到達(dá)陽(yáng)極了，這時(shí)候的電流最大.從而得到飽和光電流的概念.通過(guò)飽和光電流的大小反應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)，解決了如何測(cè)量單位時(shí)間產(chǎn)生的光電子數(shù)的問(wèn)題.

(2)遏制電壓

在這些新概念問(wèn)題的處理上，通過(guò)利用一系列問(wèn)題設(shè)計(jì)啟發(fā)學(xué)生思考，并充分喚起他們已有的知識(shí)背景，借學(xué)生之口，說(shuō)出各個(gè)物理量和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的聯(lián)系，并充分利用多媒體和模擬軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程分析，從而突破難點(diǎn).

問(wèn)題3：4條規(guī)律的探究

把這4條規(guī)律的探究設(shè)計(jì)成一個(gè)表格(表1)，讓學(xué)生先猜想，教師再演示，最后總結(jié)得到實(shí)驗(yàn)規(guī)律.表格可以使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容條理化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明朗化，使復(fù)雜的事物簡(jiǎn)單化.完整的實(shí)驗(yàn)加上一目了然的表格，讓學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo).同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的能力，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

表1 光電效應(yīng)4個(gè)問(wèn)題的研究

問(wèn)題4：光電效應(yīng)的微觀圖像

為了讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有更深刻的了解，本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行模擬.采用的模擬軟件是PHET，它是由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡爾·威曼于2002年創(chuàng)立，科羅拉多大學(xué)的團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)運(yùn)營(yíng)的仿真程序.這個(gè)軟件可以調(diào)節(jié)光強(qiáng)、光的頻率以及正反向電壓的大小.并且能直觀顯示光電子數(shù)和光電流的大小，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.通過(guò)模擬，一方面能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面能很好地幫助學(xué)生建立起光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的微觀圖像，從而突出了本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn).

圖2 PHEH對(duì)反向電壓下光電子運(yùn)動(dòng)情況的模擬

3 總結(jié)與反思

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)重難點(diǎn)突破都是基于學(xué)生利用已有的知識(shí)來(lái)探索和解決新問(wèn)題.通過(guò)設(shè)置合理的情景和搭設(shè)合理臺(tái)階讓學(xué)生經(jīng)歷科研工作的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生思考和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力.為了避免教師“一言堂”和簡(jiǎn)單的“滿堂問(wèn)”，本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)在多處設(shè)置有啟發(fā)式的問(wèn)題，層層遞進(jìn)，啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生發(fā)表自己的觀點(diǎn)，讓課堂成為學(xué)生的舞臺(tái).本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)還充分利用了多媒體技術(shù)，對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，幫助學(xué)生建立起微觀圖像，從而樹(shù)立起正確的物理觀念，達(dá)到提升學(xué)生科學(xué)思維的目的[2].