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高中物理中光电效应的教学探索
甘肃平凉信息工程学校
曲应前
744000 ［关键词］：光电效应 实验教学 探索
光电效应是自然界中一种重要的物理现象，是光具有“粒子性”的有力证据之一。然而，在教学中学生对这种现象的理解只停留在表面上，特别是对光电效应基本规律的认识还存在着一定的偏差。为了加深学生对这部分内容的学习，不断提高学生的抽象逻辑思维，笔者在教学中结合学生实际，从教学思路和教学方法上不断探索，取得了良好的教学效果。
一、以实验为突破口，介绍光电效应
实验是物理学的基础，以实验为突破口介绍光电效应符合学生的认知规律，形象直观，学生容易接受，有利于增强学生对光电效应的感性认识，培养学生的形象逻辑思维。所以，搞好实验教学对学生理解光电效应非常重要。
(一)、根据演示实验介绍光电效应现象：把一块擦亮的锌板连接在验电器上，用弧光灯照射锌板，让学生注意观察验电器的指针将张开一个角度，这时教师问学生：验电器的指针为什么会张开？学生思考后回答：因为验电器的指针带上了同种电荷因排斥而张开，教师接着问：验电器上的电荷从何而来？学生猜答：可能是锌板上的某种电荷通过导线传递给了验电器，教师继续问：那么锌板带电不带电？学生联想到以前学过的摩擦和感应起电以及化学知识猜答到：锌板应该带电，原因是锌板由于受到光的照射，原来的电中和状态遭到破坏，它上面的某种电荷从锌板上脱离出来，从而使锌板带上了跟脱离锌板的电荷性质相反的电荷，教师再问：锌板应该带正电还是带负电？这时，教师可以拿另外一个带正电的金属小球靠近锌板，教师提醒学生注意观察，结果金属小球被排斥，学生马上就会认为锌板带正电，从而断定从锌板上脱离出去的电荷应该是自由电子。通过这样连续的设问和演示论证，大大激发了学生学习的积极性，唤醒了学生求知的欲望，这时教师可以因势利导，引导学生根据演示实验中所发生的光电现象，总结得出光电效应的结论：金属及其化合物在光的照射下向外发射电子的现象，叫做光电效应，在这种现象中产生的电子叫光电子，形成的电流叫光电流。
（二）、依据学生实验总结光电效应规律：光电效应的产生是有条件的，而且遵循一定的规律。为了使学生深刻理解光电效应的科学内涵，准确把握光电效应的基本规律，教师在教学中要引导学生认真做好光电效应实验，通过实验总结光电效应所遵循的基本规律，通过总结规律进一步提高学生的思维能力和实验操作技能。首先，要向学生仔细介绍光电效应的实验装置，使他们弄清装置中每一个部件在实验中所起的作用。其次，要充分发挥学生和教师的主体和主导作用，指导学生认真做好光电效应实验，认真分析实验中所发生的一切物理现象，以及这些现象所揭示的物理规律，最后，根据实验结果得出光电效应所遵循的四条基本结论：
1、对于任何一种金属都有一个极限频率，只有当入射光的频率大于该极限频率时光电效应才会发生，否则就不能产生光电效应。
2、光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大，而与入射光的强度没有任何关系。
3、从入射光照射到金属表面到光电子从金属表面逸出几乎是同时进行的，一般不超过10-9秒。
4、当入射光的频率大于金属的极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比。即单位时间内发射出的光电子数与入射光的强度成正比。
在以上结论中提到“极限频率”和“入射光强度”两个概念。所谓极限频率，它是指能使金属发生光电效应的光的最低频率，不同的金属有不同的极限频率，这个问题通过实验可以得到证实。所谓光的强度，它是指单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子总能量，如果单位时间射到金属表面上单位面积的光子数为n，每个光子的能量为hν，则光强度为nhν，单位为J／m，h是普朗克常数，这两个概念有必要向学生讲清楚。
二、以量子说为依据，解释光电效应
为了从微观角度解释光电效应的基本规律，需要向学生介绍光的量子学说方面的知识。这部分内容是很抽象的，要求教师要用形象生动的语言和高度筛选的典型事例，精妙的向学生介绍这一学说。譬如把每一个光子看成是一颗小米粒，把光看成是由一颗颗像小米粒一样的光子构成的，这样既形象又生动，学生容易接受。
1、对金属极限频率的解释：当光照射金属时，相当于光子打在金属上，如果金属中的某个电子吸收一个光子的全部能量后，该电子的能量在数值上正好等于电子摆脱原子核的库仑引力等束缚时所做的功，这个电子就可以恰好从金属表面逃逸出，这时照射光光子的频率ν0就是这种金属的极限频率。如果照射光的频率ν＜ν
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2则一个光子的能量hν＜hν0，这样的一个光子传给电子的能量不足以使电子摆脱原子核的束缚，这时就不能产生光电效应；如果ν＞ν0，即hν＞hν0，这时一个光子的能量传给电子后，就可以使电子摆脱原子核的束缚逃离金属表面成为光电子，就能够产生光电效应。一般不同的金属，其原子核对核外电子的束缚程度不同，这就使得电子要逃离金属表面时，克服原子核的库仑引力所做的功不同，所以，不同的金属有不同的极限频率。
2、对光电子最大初动能的解释：由于光子和电子都是微观粒子，在光子的能量传给电子的过程中，只能是一个光子的能量全部传给一个电子，而一个电子吸收一个光子的能量后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，这样的电子并不向外射出，有的向金属表面运动，而向金属表面运动的电子，经过不同的路程，途中损失的能量也不相同，只有金属表面的电子，吸收光子后逸出金属表面时，克服金属原子核的库仑力所做的功（称为逸出功，用w表示）最少，这时电子逃离金属表面时速度最大，具有最大的初动能。
3、对光电效应瞬时性的解释：光子的能量被电子吸收的过程所需时间极短，几乎不需要能量积累的过程。同时电子获得能量后，电子摆脱原子核束缚的时间也极短，从而使光电效应瞬时发生，从光照射到金属表面到金属表面发射电子的时间不超过10-9秒。
4、光电流强度与光强度成正比的解释：发生光电效应时，如果入射光的强度变大，就表示入射光单位时间通过垂直光的传播方向单位面积内光的能量变大，也就是单位时间内的光子数量增多，从而使单位时间内从金属上打出来的电子数增多。因此单位时间内的光电子个数与单位时间内入射光的光子个数成正比。
三、以学习效果为核心，进行教学评价
教学的目的在于传授知识，发展学生能力。教学的效果关键要看学生对知识掌握的程度和学生能力的提高两个方面。首先，从知识结构来说，通过对光电效应的学习，使学生从宏观到微观，从感性到理性对光的本性有比较深刻的理解和认识。从而使他们懂得光是一种特殊的物质，不仅具有波动性，而且具有粒子性，也就是说光具有“波粒”二象性。光的干涉、衍射、偏振等现象证明了光的波动性，光电效应证明了光的粒子性。光的波动性和粒子性反映了光的本性中矛盾的两个方面，在任何情况下光的二象性都是存在的，只是在不同条件下的表现形式不同，一般情况下，光在传播过程中，波动性表现得比较显著，而当光与其它物质相互作用时，粒子性表现得比较显著。其次，从能力结构而言，由于光电效应这节课既有直观的实验教学，又有抽象的理论阐述，通过对这部分内容的学习，既可以提高学生的实践操作技能和动手能力，又可以使学生在智力技能方面得到很好的锻炼。因此，在教学中教师应该从实际出发，根据教学要求，认真挖掘教材，优化教学结构，调整教学内容，精选教学方法，合理使用教具，以学生为主体，充分发挥教师在教学中的主导作用，大力调动学生学习的积极性，认真备课，精心施教，只有这样，才能取得良好的教学效果。
工作单位:甘肃省平凉信息工程学校教务科
职务:物理教师
通信地址:甘肃省平凉市崆峒区新民南路88号
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