對人教版教材中“光電效應”實驗的商榷

姚奕曉

摘 要：為了使實驗效果更明顯，新課標人教版教材的光電效應實驗（選修3-5模塊、第十章、第二節P30）在原來的大綱版教材實驗的基礎上進行了一些改動：把原來不帶電的鋅板改為帶上負電，然后再進行實驗。這一改動雖使實驗現象變得明顯了，卻也帶來了一些新的問題，本文將這些問題提出，供同仁們共同探討。

關鍵詞：光電效應；弧光燈；紫外線；電磁波；空氣電離

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）11-0061-2

2015年7月人民教育出版社編審谷雅慧教授深入基層，給廣西物理教師的解釋教材指導工作，還和大家一起對實驗中的疑難問題做了認真的討論。

新課標教材對“光電效應”實驗做了改動，大綱版教材中，這個實驗是通過弧光燈的照射，使不帶電的鋅板帶電，從而證明了光電效應。但實際上，實驗較難做成功。新課標版對此做了一些改動——先讓鋅板帶上負電，再用紫外線燈照射，這一改動，讓實驗效果明顯了，實驗的難度也降低了。

對于這一改動，有的老師有不同意見。

筆者的思考和疑問是：

原實驗（大綱版教材第三冊、第二十一章、第一節P41）：

把一塊擦得很亮的鋅板連接在驗電器上，用弧光燈照射鋅板（如圖1），驗電器的指針就張開了，進一步檢查表明鋅板帶的是正電，這個實驗說明在弧光燈的照射下，鋅板中的一些自由電子從表面飛出來了，鋅板缺少了電子，于是帶正電。

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圖1 原實驗示意圖

實驗的流程是：紫外線照射—鋅板帶正電荷—說明鋅板失去電子—證明了光電效應。這一過程邏輯嚴密，無懈可擊。

改動后的實驗（人教版新課標教材、選修3-5模塊、第十章、第二節P30）：

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圖2 改動后的實驗

實驗的流程是：帶負電的鋅板—紫外線燈照射—驗電器指針偏角逐漸減小。

但問題產生了：這個實驗只是證明了紫外線照射下，鋅板所帶負電逐漸減小。造成鋅板所帶負電逐漸減小的原因就不只一個了。下面把所有可能的原因一一羅列：

（1）紫外線本身能導電，把鋅板的負電荷導走了；

（2）紫外線照射下，空氣電離，使鋅板的負電被導走了；

（3）光電效應。

我們先分析第（1）條：紫外線本身能導電嗎？紫外線是電磁波，2004年7月23日居庸關長城15名游客遭雷擊，包括《中國新聞網》在內的許多媒體均報道了專家們對此的解釋：被雷擊的原因是游客打手機所至，有專家進一步解釋：“手機的電磁波是導體”。這一說法，更是引發熱議，甚至央視2013年在《是真的嗎》節目還專門就這個問題進行了實驗和探討，結論當然是否認了“電磁波是導體”之說。可見，電磁波是否會導電，真的有必要在此進行解釋。

再看第（2）條：紫外線會使空氣電離嗎？會！關于紫外線使空氣電離的文獻很多，這里就不再列舉了。既然紫外線能使空氣電離，那么如何說明鋅板帶負電減少是由于光電效應，還是由于空氣電離后鋅板的負電荷被導走？如何說明鋅板帶負電減少與紫外線使空氣電離無關？這就麻煩了！

最后第（3）條：光電效應，造成了鋅板所帶負電減少——這當然就是課本編寫者希望得到的結論。但得到這個結論之前，必須先否認第（1）條原因，排除第（2）條原因，才有可能得到這一結論。

能否排除第（2）條原因呢？我們可以設計一個這樣的實驗來說明：

用同樣的弧光燈去照一塊極限頻率高于紫外線頻率的、帶同樣電量負電荷的金屬板，如果發現所帶負電荷減小的幅度可以忽略，則說明紫外線使空氣電離造成的影響可以忽略，第（2）條原因可以排除；但如果發現金屬板所帶負電荷減小的幅度較大，則說明不能忽略空氣電離的影響，新課標教材所做的改動不成功。

也許有老師會問：那原來大綱版教材中的實驗中，紫外線同樣也會使空氣電離，為什么沒這些問題？

大綱版實驗中，鋅版是不帶電的，光照使之帶電了，紫外線同樣也會使空氣電離，但空氣的電離并不會使鋅板帶電的，反而會使實驗效果弱化——有些改進實驗中，在真空環境中做同樣的實驗，發現實驗現象比在空氣中明顯了許多，正是這個原因。

綜上所述，新課標教材中對這個實驗的改動值得商榷：雖然實驗的效果明顯了，但這個效果是否是光電效應的原因所至？即使是，也得花相當的時間和筆墨進行說明，有節外生枝之嫌。

編者按：光電效應實驗非常重要。愛因斯坦用光的量子理論成功地解釋了光電效應，獲得了諾貝爾物理學獎。光電效應是現代光電應用技術的重要基礎。做光電效應實驗時，不同的光源有不同的強度，不同的頻譜分布。不同的材料（包括鋅板）發生光電效應也會對照射光源的強度與頻譜有不同的要求。如何在中學物理教學中做好光電效應實驗的確需要認真研究和討論。

參考文獻：

[1]盧亭.專家稱居庸關長城游客遭雷擊事件系由打手機引發.中國新聞網，2004[2004-07-25].http：//www.chinanews.com/news/2004year/2004-07-25/26/464024.shtml

[2]朱建華.光電效應實驗的改進[J].太原大學教育學院學報，2012，30（1）：82—85

（欄目編輯 王柏廬）