如何在重難點突破中提升科學思維*
——關于“演示光電效應實驗”的重難點突破

李彪 張燕怡 劉娜

(中國人民大學附屬中學 北京 100080)

1 實驗背景分析

演示光電效應實驗來自人教版《物理·選修3-5》中“光的粒子性”.這個實驗作為“光的粒子性”的知識根基，在教學中占有很大的比重.本實驗具有的特點如下.

(1)內容量大，通過演示實驗，要解決光電效應的4個問題，即光電效應產(chǎn)生條件、作用時間、單位時間內光電子個數(shù)和最大初動能，從而得到光電效應的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，實驗現(xiàn)象和理論的關系、宏觀和微觀的聯(lián)系、各物理量之間的關系等都涉及到了較強的邏輯性.通過本實驗，一方面讓學生探究和理解光電效應，另一方面，為后面的光量子和光電效應方程的教學打好基礎和做好鋪墊.因此，做好這個實驗是教好和學好本節(jié)知識的前提.

學生在接觸這個實驗時，可能會遇到一些困難.首先是實驗電路的設計原理，看得懂實驗電路圖，但卻不知道為什么要這么設計；第二是直覺和實驗結果相矛盾，這對一些新概念的物理教學會產(chǎn)生負遷移；第三是建立宏觀和微觀的聯(lián)系，但學生的感知是宏觀的，缺乏對宏觀現(xiàn)象的微觀想象.因此，本實驗的教學重點是光電效應的4條規(guī)律和光電效應的微觀圖像.教學難點是實驗設計原理和新概念的理解[1].

2 重難點突破

問題1：實驗設計原理

本實驗教學可以讓學生從思考如何測量單位時間產(chǎn)生的光電子數(shù)入手.首先引導學生了解光電子本身就是電子，因此可以把測量光電子個數(shù)轉化為測量電量；那電量又該如何測量呢？學生可能會有很多的想法，給時間討論，然后再逐個討論其可行性；最后引導到測電流.當發(fā)生光電效應時，從陰極逸出部分的光電子會跑到陽極上，如果有回路就能形成電流由此得到光電流這個概念.

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

接下來討論如何測量光電流？學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).此時給學生提出問題，這里電流的大小能代表全部的光電子數(shù)嗎？這個時候可以幫助學生建立起光電效應的微觀圖像，這也是本次實驗教學的重點內容之一.通過多媒體向學生展示光電子逸出時，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動情況

只有特定速度的電子能到達陽極.那該如何將這些漏網(wǎng)的電子一網(wǎng)打盡呢？引導學生可以從電場的知識去考慮，可以在兩極間加電場，使更多的電子到達陽極.只要電壓足夠大，就能將這些光電子一網(wǎng)打盡.所以，這時候實驗電路就從最初的簡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，再次對電路提出問題：該如何調節(jié)光電管兩端的電壓呢？加滑動變阻器.那該分壓還是限流呢？如果接入電壓表，那該外接還是內接呢.讓學生討論，得到最終的實驗方案.從最簡單的實驗方案到最終的實驗電路，學生一步步參與其中，不僅理解了實驗電路設計的原理，突破了本節(jié)課的難點，同時也培養(yǎng)了學生實驗設計的能力，提升了科學思維.

問題2：新概念的理解

(1)飽和光電流

首先給學生演示實驗，改變光電管兩端的正向電壓，電流表的讀數(shù)跟著變大.讓學生思考這是為什么？部分學生會受電流微觀表達式的影響，認為速度越大電流越大.接著繼續(xù)演示當光電管兩端正向電壓大到一定程度時，電流表的讀數(shù)就不再發(fā)生變化.讓學生思考這又是為什么？此時學生的認知和實驗現(xiàn)象產(chǎn)生了矛盾.這時候是幫助學生再次建立正確的微觀圖像的好時機.雖然光電子速度增大，但單位體積的個數(shù)也變少了，因此從I=nevs這個式子是很難判斷電流的大小.所以，引導學生從單位時間內到達陽極的光電子數(shù)來考慮，電壓越大到達陽極的光電子數(shù)越多，當電壓達到一定程度，陰極產(chǎn)生的光電子全部都到達陽極了，這時候的電流最大.從而得到飽和光電流的概念.通過飽和光電流的大小反應單位時間內產(chǎn)生的光電子數(shù)，解決了如何測量單位時間產(chǎn)生的光電子數(shù)的問題.

(2)遏制電壓

在這些新概念問題的處理上，通過利用一系列問題設計啟發(fā)學生思考，并充分喚起他們已有的知識背景，借學生之口，說出各個物理量和實驗現(xiàn)象的聯(lián)系，并充分利用多媒體和模擬軟件進行動態(tài)過程分析，從而突破難點.

問題3：4條規(guī)律的探究

把這4條規(guī)律的探究設計成一個表格(表1)，讓學生先猜想，教師再演示，最后總結得到實驗規(guī)律.表格可以使實驗內容條理化，實驗現(xiàn)象明朗化，使復雜的事物簡單化.完整的實驗加上一目了然的表格，讓學生全面地、系統(tǒng)地了解光電效應實驗的規(guī)律，達到預期的教學目標.同時也培養(yǎng)了學生科學探究的能力，提高了學生的科學素養(yǎng).

表1 光電效應4個問題的研究

問題4：光電效應的微觀圖像

為了讓學生對實驗現(xiàn)象有更深刻的了解，本次實驗教學中對實驗現(xiàn)象進行模擬.采用的模擬軟件是PHET，它是由諾貝爾獎獲得者卡爾·威曼于2002年創(chuàng)立，科羅拉多大學的團隊專項運營的仿真程序.這個軟件可以調節(jié)光強、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，實驗裝置如圖2所示.通過模擬，一方面能提高學生的學習興趣，另一方面能很好地幫助學生建立起光電效應實驗的微觀圖像，從而突出了本次實驗教學的重點.

圖2 PHEH對反向電壓下光電子運動情況的模擬

3 總結與反思

本次實驗教學重難點突破都是基于學生利用已有的知識來探索和解決新問題.通過設置合理的情景和搭設合理臺階讓學生經(jīng)歷科研工作的過程，培養(yǎng)學生思考和實驗設計的能力.為了避免教師“一言堂”和簡單的“滿堂問”，本次實驗教學在多處設置有啟發(fā)式的問題，層層遞進，啟發(fā)學生思考，讓學生發(fā)表自己的觀點，讓課堂成為學生的舞臺.本次實驗教學還充分利用了多媒體技術，對宏觀現(xiàn)象進行了模擬，幫助學生建立起微觀圖像，從而樹立起正確的物理觀念，達到提升學生科學思維的目的[2].