自制教具 促進教學*
——以“光電效應”實驗設計為例

施生晶 吳健

(三明市第二中學 福建 三明 365000 )

1 問題的提出

物理實驗是物理學研究的重要方法.教師在教學過程中，常遇到實驗室儀器陳舊、短缺，無法滿足教學內容，需要對儀器進行改進提升，需要教師自力更生，研制一些教具，滿足課堂實驗的需要，突破教學重點、難點，幫助學生掌握知識，提高學生學習物理的興趣，提高教學效率.

2 自制教具 促進教學

問題1:如何激發學生學習“光電效應”的興趣.

實驗1:感受光轉換電的實驗.

實驗器材：如圖1所示的J0401演示電表、光伏電池板、可調亮度的白熾燈、導線若干.

圖1 J0401演示電表與光伏電池板

教師演示：用導線把光伏電池板和電表連接，用白熾燈照射光伏電池板，再增大亮度.

實驗現象：如圖2所示,觀察到指針向右側偏轉，隨著燈的亮度增加，指針偏轉角度變大.

圖2 指針向右側偏轉

實驗效果：教師通過創新實驗，把光轉換成電流的現象，呈現給學生，激發學生對光電效應求知的欲望.

問題2:若能測出光電流，對光電效應的規律判斷會更直接、更可靠.

實驗2:探究光電效應的規律.

實驗器材:如圖3(a)所示的J2517光電效應演示器、銅網、鋅板、J0401演示電表(b圖)、可調亮度的白熾燈、紫外燈、若干導線.

(a)演示器實物圖

(b)J0401演示電表

教師演示1：用導線把光電效應演示器和電表連接，先用白熾燈照射鋅板；再增大燈的亮度；延長照射鋅板時間.

實驗現象：如圖4所示，在用白熾燈照射鋅板，觀察到指針停在“0”位置處，沒有偏轉.

圖4 實驗過程中演示電表指針位置

實驗效果：學生通過觀察，鋅板在白熾燈照射下，雖然改變亮度和照射時間，但都沒有光電流產生.要發生光電效應需要什么條件呢？通過實驗，激發學生學習和思考的積極性，有利于促進下一步課堂的教學.

教師演示2：把白熾燈改為紫外燈，先用1盞紫外燈照射鋅板，再用2盞紫外燈照射鋅板.

實驗現象：如圖5所示，用1盞紫外燈照射鋅板，電表指針向右偏轉1格.

圖5 1盞紫外燈照射鋅板，電表指針向右偏轉1格

如圖6所示，用2盞紫外燈照射，電表指針向右偏轉2格.

圖6 2盞紫外燈照射，電表指針向右偏轉2格

現象分析：因紫外光的頻率大于白熾燈產生光的頻率，紫外線能使鋅板發生光電效應.用2盞紫外燈照射鋅板，增加光的強度，產生更大電流.

實驗結論：光電效應的發生跟光的頻率有關；發生光電效應后，光電流跟光的強度有關.

實驗效果：用儀器呈現電流大小，現象明顯，提高教學效果，有利于促進學生進一步探究光電效應規律的熱情.

問題3:如何理解愛因斯坦的光電效應方程

實驗3:光子能量與重力勢能類比.

實驗器材：軌道模型，若干個相同玻璃球.

模型說明：針對初學者，教師要抓住學生剛接觸光電效應方程的認識水平，從簡單入手，先考慮單光子的光電效應，隨著學習深入，再讓學生全面掌握發生光電效應的原因.因此,本模型僅考慮電子吸收光子能量的問題,不討論光子與電子作用的其他問題.

教師演示1：如圖7所示，教師把紫球1和 紅球2放在右側軌道不同高度處，把球1和球2放在左側軌道不同高度處.

模型分析：理解光子能量、逸出功W0.

(1)如圖7所示，右側軌道的球，離桌面越高，重力勢能越大；教師引導學生，用類比的方法分析出：頻率越大的光子具有的能量越大(如圖8所示的光子hν1).

(2)左側軌道的球，要上升到越高的位置，克服重力做功越大(如圖7所示的球1)；讓學生分析出：電子克服原子束縛需要的能量(逸出功W0)，不同材料逸出功不同(如圖8所示的電子1和電子2).

圖8 光電能量類比重力勢能

實驗效果：通過軌道模型類比，學生對抽象的光子能量和電子的逸出功有直觀的認識.

教師演示2：如圖9所示，教師把紫球放在右側軌道上，從低到高，不同位置處釋放紫球，讓紫球和黑球碰撞.

實驗現象：

(1)如圖9所示，較低處釋放的紫球，碰撞后的黑球，不能離開左側軌道.

(2)較高處釋放的紫球，碰撞后的黑球，可以離開左側軌道，離開軌道時還有一定的能量.

模型分析：電子的初動能Ek.

(1)如圖9所示，右側較低軌道的紫球，離桌面較低，重力勢能較小，兩球碰撞后，黑球獲得能量后，沿左側軌道上升；因具有能量不夠大，離不開軌道.如圖10所示，讓學生類比分析出：頻率較小的光子照射鋅板，電子吸收光子獲得能量小于電子的逸出功，不會發生光電效應.

(2)如圖9所示，右側較高軌道的紫球，離桌面越高，重力勢能越大，兩球碰撞后，黑球獲得能量較大，沿左側軌道上升；因具有的能量較大，離開軌道時有一定的動能.如圖10所示，讓學生類比分析出：頻率較大的光子照射鋅板，電子吸收光子獲得的能量大于電子的逸出功(發生了光電效應)，逸出后的電子還有一定的能量(初動能).

圖10 類比光電效應中的逸出功

實驗效果：利用自制教具，通過模型進行類比，學生很容易理解光電效應方程中抽象的逸出功和電子的初動能

這個創新教學的嘗試，助力學生高效掌握知識，很好達到預期的教學效果.

3 實驗反思

實驗探究是物理核心素養的重要組成部分.新時代的物理教師要研究實驗、改進實驗、創新實驗，教師要結合教學需求，進行必要的教具制作.教具自制要考慮：取材方便，制作簡單，操作簡單，現象明顯，可信度高等，只有這樣，實驗教學才能達到理想效果，才能培養學生的創新能力.