《光電效應(yīng)》教學(xué)片段設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

施生晶

摘 要：《光電效應(yīng)》的教學(xué)設(shè)計(jì)中：用學(xué)生參與的短視頻，進(jìn)行課的引入和結(jié)尾，營(yíng)造很好的教學(xué)氛圍；師生合作探究光電效應(yīng)的規(guī)律過程中，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，分析問題、解決問題等能力；如何對(duì)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程進(jìn)行有效教學(xué)？用自制的軌道模型進(jìn)行類比教學(xué)，體現(xiàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：高中物理；光電效應(yīng)；探究實(shí)驗(yàn)；規(guī)律；軌道模型；類比法

選修3-5（魯科版）第5章第一節(jié)《光電效應(yīng)》，是量子理論的入門，是量子理論的有力證據(jù)之一，對(duì)于剛接觸的學(xué)生，不易理解本節(jié)的知識(shí)。筆者參加三明市《光電效應(yīng)》同課異構(gòu)的公開課，并把該課的有關(guān)內(nèi)容上送“一師一優(yōu)課”，獲得2016年度部級(jí)優(yōu)質(zhì)課（參見http：//1s1k.eduyun.cn優(yōu)課展示的課堂實(shí)錄），現(xiàn)將這節(jié)課若干教學(xué)片段展示如下。

1 用視頻展示學(xué)生研究性成果，引入課題，結(jié)束課題

1.1 視頻1：學(xué)生感受光電效應(yīng)現(xiàn)象

器材：光伏電池、靈敏電流計(jì)、若干導(dǎo)線。

實(shí)驗(yàn)：光伏電池朝向日光燈，用試觸法判斷是否有電流。

現(xiàn)象：靈敏電流計(jì)指針偏針明顯。

萬事開頭難，用學(xué)生參與探究實(shí)驗(yàn)的短視頻作為課的引入，能刺激學(xué)生的視覺和思維，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到事半功倍的效果，用此方法，教師很自然引出課題。

1.2 視頻2：改變光照強(qiáng)度，用DIS實(shí)驗(yàn)，學(xué)生直觀感受電流大小

器材：光伏電池、電流傳感器、電腦、投影儀、若干導(dǎo)線。

現(xiàn)象：光照強(qiáng)度增加，電流增大，光照強(qiáng)度減小，電流減小。

首尾呼應(yīng)，用學(xué)生參與探究實(shí)驗(yàn)的視頻畫龍點(diǎn)睛，參與者獲得“成就感”，末參與者“蠢蠢欲動(dòng)”，讓學(xué)生對(duì)物理探究學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣；更讓學(xué)生體會(huì)物理課并非枯燥無味，而是妙趣橫生。

2 師生合作探究：光電效應(yīng)的規(guī)律

百聞不如一見，在課堂上做物理實(shí)驗(yàn)（見圖1、圖2），為學(xué)生展現(xiàn)直觀的物理現(xiàn)象，真實(shí)、生動(dòng)有趣，為學(xué)生得出物理規(guī)律，營(yíng)造出活生生的物理情景。本節(jié)課，筆者采用，教師導(dǎo)，學(xué)生學(xué)，邊教邊實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生感受更深，教學(xué)更有效。

器材：紫外燈、鋅板、銅網(wǎng)、光電效應(yīng)演示器、靈敏電流計(jì)、若干導(dǎo)線。

說明：①銅網(wǎng)與鋅板接高電壓，可使電子朝銅網(wǎng)（正極）一側(cè)移動(dòng)。②光電效應(yīng)演示器對(duì)微電流放大，放大后電流的大小在靈敏電流計(jì)直觀顯示。

2.1 探究一：光電效應(yīng)發(fā)生跟什么因素有關(guān)？

（1）實(shí)驗(yàn)：用白熾燈照射鋅板， 觀察電流計(jì)。

現(xiàn)象：電流計(jì)指針沒有偏轉(zhuǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)：變換光源，用紫外燈照射鋅板， 觀察電流計(jì)。

現(xiàn)象：電流計(jì)指針向右側(cè)偏轉(zhuǎn)。

（3）實(shí)驗(yàn)：變換光源，用白熾燈照射鋅板， 改變光的強(qiáng)度，增加光照時(shí)間，觀察電流計(jì)。

現(xiàn)象：電流計(jì)指針沒有偏轉(zhuǎn)。

因紫外線對(duì)眼睛有傷害，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須采取措施。把紫外燈裝在有縫的紙盒里，防止紫外線射向?qū)W生，教師戴上墨鏡一瞬間，同時(shí)引起學(xué)生哄然大笑，用行動(dòng)教育學(xué)生，做物理實(shí)驗(yàn)，要注意安全。

紫外燈比白熾燈產(chǎn)生光的頻率更大，學(xué)生觀察電流計(jì)指針，很自然得出結(jié)論：光電效應(yīng)的產(chǎn)生跟光的頻率有關(guān)，跟光的強(qiáng)度無關(guān)。

2.2 探究二：發(fā)生光電效應(yīng)后，增加光的強(qiáng)度，觀察實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)：先用一盞紫外燈照射鋅板。

現(xiàn)象：電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)：用兩盞紫外燈照射鋅板，增加光的強(qiáng)度，觀察電流計(jì)。

現(xiàn)象：兩盞紫外燈照射鋅板，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)更大。

通過變化燈的數(shù)量，改變光的強(qiáng)度，定量測(cè)出電流大小。電流計(jì)示數(shù)，直觀呈現(xiàn)給學(xué)生，教師無需言語(yǔ)，學(xué)生自己就會(huì)總結(jié)：發(fā)生光電效應(yīng)后，增加光的強(qiáng)度越大，電流越大，光電效應(yīng)越明顯。

在課堂上，怎樣把枯燥的知識(shí)更好傳授給學(xué)生？教師要合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，盡可能讓演示過程簡(jiǎn)單、易操作，充分備課是上好課重要一環(huán)。

3 建立模型，用類比法，理解光電效應(yīng)方程

光電效應(yīng)的理論解釋：有波動(dòng)說與光子說兩種學(xué)說。教材只是簡(jiǎn)單介紹：用經(jīng)典理論無法解釋；愛因斯坦用光量子的概念，成功解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象。

如果按照教材的設(shè)置，教師傳授式講解光電效應(yīng)方程hν=W+■mv2，教學(xué)結(jié)果是：學(xué)生一知半解，很快遺忘。如何解釋看不見、摸不著的光電效應(yīng)呢？如何進(jìn)行有效教學(xué)呢？我用自制的軌道模型，進(jìn)行類比教學(xué)，這個(gè)償試很好達(dá)到預(yù)期效果。

3.1 模型一：認(rèn)識(shí)光子能量hν、電子的逸出功W

說明：本模型考慮電子僅吸收光子能量問題，不討論光子與電子碰撞問題

圖3：右側(cè)軌道不同位置的球?qū)?yīng)不同重力勢(shì)能。

圖3：要離開左側(cè)軌道的球要克服不同重力做功。

圖4：光子能量hν大——右側(cè)軌道高（對(duì)應(yīng)重力勢(shì)能較大）（類比法）。

圖4：逸出功W大——離開左側(cè)軌道高（需克服重力做功較大）（類比法）。

通過類比方法（圖3和圖4），學(xué)生對(duì)抽象的光子能量、抽象的逸出功有直觀的感性認(rèn)識(shí)。

3.2 模型二：電子要獲得一定能量，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)

圖5：右側(cè)軌道上的球下滑，與水平軌道球碰撞，水平軌道的球獲得能量，往左側(cè)上升，球的重力勢(shì)能增大，動(dòng)能減小。

問題：水平上的球要離開左側(cè)軌道，球的能量要達(dá)到多少？

該問題設(shè)計(jì)，目對(duì)是對(duì)電子逸出功W的教學(xué)作鋪墊。

圖6：電子吸收光子能量后，一部分克服阻礙作用做功W，剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動(dòng)能■mv2。

問題：電子要離開金屬表面，電子至少要吸收多少光子能量？

該問題設(shè)計(jì)，目對(duì)是讓學(xué)生分析：電子要獲得一定能量，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。

圖7：球獲得能量太少，無法離開軌道。

圖7：電子吸收光子能量小于逸出功，不發(fā)生光電效應(yīng)。

通過類比方法（圖5、圖6、圖7），學(xué)生從能量角度認(rèn)識(shí)：電子需要獲得一定能量，才能發(fā)生光電效應(yīng)。

3.3 模型三：光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度無關(guān)

圖8：第二、三右側(cè)軌道上的球不會(huì)把能量傳遞給第一軌道球（不會(huì)碰撞）。

圖8：電子不會(huì)吸收不從軌道的電子能量（說明：本節(jié)課只討論單光子的光電效應(yīng)）。

通過軌道模型的類比：?jiǎn)蝹€(gè)電子吸收的光子能量小于逸出功W，不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。若增加光照強(qiáng)度，增加光子數(shù)，但不改變電子吸收的能量（不會(huì)吸收不同軌道的能量），仍然不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。“光電效應(yīng)與入射光強(qiáng)度無關(guān)”的難點(diǎn)教學(xué)，通過此模型突破，達(dá)到很好教學(xué)效果。

4 教學(xué)后記

“怎樣的課才是好課？”對(duì)此可以說是仁者見仁、智者見智。課堂教學(xué)是一門藝術(shù)，重在結(jié)果，更重在過程。一堂好的課要關(guān)注：第一是看學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)狀況；第二是看教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)狀況；第三是看氛圍營(yíng)造狀況。

筆者在《光電效應(yīng)》的教學(xué)設(shè)計(jì)中，用視頻展示學(xué)生的研究成果，營(yíng)造學(xué)生想學(xué)習(xí)的熱情和動(dòng)力。“這節(jié)課實(shí)驗(yàn)要怎么做？”傳統(tǒng)器材陳舊，實(shí)驗(yàn)效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，只能購(gòu)買器材，對(duì)舊器材進(jìn)行改進(jìn)提升，保證光電效應(yīng)規(guī)律的探究，改進(jìn)的器材操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀。光電效應(yīng)方程的知識(shí)，傳統(tǒng)上是純理論教學(xué)，教師講解費(fèi)力，學(xué)生獲取知識(shí)過程，單調(diào)、枯燥無味，筆者進(jìn)行大膽創(chuàng)新，利用模型，進(jìn)行類比，突破重難點(diǎn)，很好的達(dá)到本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。

本節(jié)課的教材，知識(shí)陳述淺顯，不深入，但知識(shí)的“背景”內(nèi)容豐富，有上百年的物理學(xué)史，因課堂時(shí)間有限，很遺憾進(jìn)行割舍。因教學(xué)條件限制，光電效應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)，課堂上只能進(jìn)行演示教學(xué)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的能力沒有得到鍛煉。