研究教材資源 突破教學(xué)難點(diǎn)
——以對(duì)高中物理教材2019年及2005年版“光電效應(yīng)”的對(duì)比研究為例

方武增

(揭陽(yáng)市惠來(lái)慈云實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 揭陽(yáng) 515200)

人教版高中《物理》(2019年版教材)是為落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，以《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》為依據(jù)編寫(xiě)的，在繼承和借鑒的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新.作為一線物理教師，要研究好新教材，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)、提升物理課程的育人價(jià)值[1].光電效應(yīng)內(nèi)容是經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)之間的重要銜接，涉及普朗克、愛(ài)因斯坦、密立根等物理學(xué)家的研究成果，內(nèi)容豐富，但卻復(fù)雜且抽象，所以光電效應(yīng)是高中物理學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)內(nèi)容.本文通過(guò)人教版兩個(gè)版本教材中“光電效應(yīng)”內(nèi)容對(duì)比并結(jié)合筆者多年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)“光電效應(yīng)”這一教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行了分析與總結(jié).

1 兩個(gè)版本教材中“光電效應(yīng)”內(nèi)容的對(duì)比

對(duì)人教版高中《物理》(2005年版教材)(以下簡(jiǎn)稱“2005年版教材”)、人教版高中《物理》(2019年版教材)(以下簡(jiǎn)稱“2019年版教材”)兩版本關(guān)于“光電效應(yīng)”內(nèi)容比較，大部分是一致的，體現(xiàn)出了物理工作者嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，對(duì)修改制定新教材內(nèi)容可謂慎之又慎.在確保內(nèi)容科學(xué)性的前提下，且努力保持內(nèi)容基本穩(wěn)定的同時(shí)，又體現(xiàn)出了創(chuàng)新之處.兩版本對(duì)于“光電效應(yīng)”的內(nèi)容呈現(xiàn)，有以下不同，如表1所示.

表1 兩版本對(duì)于“光電效應(yīng)”內(nèi)容呈現(xiàn)的差異對(duì)比

續(xù)表1

2 新版教材內(nèi)容的呈現(xiàn)方式凸顯科學(xué)性與人文性

2.1 突出“光電效應(yīng)”的歷史地位

2019年版教材中獨(dú)立以“光電效應(yīng)”作為一節(jié)的標(biāo)題，突出“光電效應(yīng)”的重要性及歷史地位.光電效應(yīng)：是指光照射到某些物質(zhì)上引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，將光能量轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象.光電效應(yīng)分內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)，本文研究的是外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，從而產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象[2].今時(shí)今日，光電效應(yīng)的應(yīng)用廣泛滲透于生產(chǎn)、生活、科研等多個(gè)領(lǐng)域.

2.2 引入的演示實(shí)驗(yàn)更具體

教材中插圖素材，既提供了較為直觀且新穎有趣的物理情景，又包含了相應(yīng)的物理知識(shí)，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)[3].2005年版教材里，“用紫外線燈照射鋅板”，但鋅板未被紫外線照射時(shí)，初狀態(tài)帶什么電，是

帶正電?負(fù)電?還是不帶電?并未說(shuō)明，且從圖1來(lái)看，紫外光線已射出，只能看到驗(yàn)電器指針末狀態(tài)；2019年版教材里，確定“使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開(kāi)”，明確了一個(gè)初狀態(tài)，這樣一來(lái)用紫外線燈照射鋅板，出現(xiàn)的末狀態(tài)就可與初狀態(tài)對(duì)比.當(dāng)然，更重要的是若用圖1的方案，光電效應(yīng)使鋅板達(dá)到的電位較低，數(shù)量級(jí)為100，而指針驗(yàn)電器對(duì)幾伏的電位差是檢驗(yàn)不出來(lái)的，所以圖1的做法，現(xiàn)實(shí)是不易看出效果的.而圖2的做法，先使鋅板帶負(fù)電，驗(yàn)電器指針張開(kāi)，而當(dāng)紫光照射時(shí)，驗(yàn)電器指針迅速合攏，效果相對(duì)明顯.

圖1 2005年版教材光電效應(yīng)引入的演示實(shí)驗(yàn)

圖2 2019年版教材光電效應(yīng)引入的演示實(shí)驗(yàn)

2.3 體現(xiàn)物理課本的人文氣息

2019年版教材新增加了“紀(jì)念愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論的郵票”，如圖3所示，凸顯了愛(ài)因斯坦的物理學(xué)術(shù)地位(當(dāng)然，愛(ài)因斯坦影響更大的是相對(duì)論，是20世紀(jì)物理學(xué)的核心貢獻(xiàn)之一).2005年版教材中寫(xiě)到愛(ài)因斯坦在1905年發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》的文章，講述了“光電效應(yīng)”：愛(ài)因斯坦提出光電效應(yīng)的解釋時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量尚不精確，再加上這種觀點(diǎn)與以往的觀點(diǎn)大相徑庭，因此并未立即得到承認(rèn)，被說(shuō)成是“在思辨中迷失目標(biāo)”的“冒昧的假設(shè)”.這一段內(nèi)容在2019年版教材里已被刪除，因?yàn)楹竺婷芰⒏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量金屬的截止電壓Uc與入射光的頻率ν，以此算出普朗克常量h，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程正確與否.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，兩種方法得出的普朗克常量h在0.5%的誤差范圍內(nèi)是一致的.這為愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù).而愛(ài)因斯坦由于提出了光電效應(yīng)理論而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

圖3 紀(jì)念愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論的郵票

2.4 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)更有邏輯性

2005年版教材，光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)為：存在著飽和電流、存在著遏止電壓和截止頻率、光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性，共3點(diǎn)；而2019年版教材，這一規(guī)律總結(jié)為4點(diǎn)，將“截止頻率與截止電壓”拆開(kāi)成獨(dú)立兩項(xiàng)，并將“截止頻率”置于首項(xiàng)，此處改動(dòng)，實(shí)際是將“條件項(xiàng)”前置，而在隨后的“光電效應(yīng)解釋中的疑難”“愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可以很好地解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象”中也均將“截止頻率”獨(dú)立一項(xiàng)并置于首項(xiàng).這樣的編排，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)，即先從“條件”入手，再學(xué)習(xí)“飽和電流”等問(wèn)題.確實(shí)，若不能滿足光電效應(yīng)發(fā)生的“條件”，后面的精彩內(nèi)容根本無(wú)從談起，所以2019年版教材的規(guī)律總結(jié)更有邏輯性.

圖4 光電效應(yīng)的Ek-ν圖像

3 聚焦“學(xué)困”信息 突破教學(xué)難點(diǎn) 提升教材價(jià)值

新版教材設(shè)計(jì)得好，一方面是佩服與感激參編人員，另一方面得依靠教材教學(xué)，但不是“依賴”，更不是照本宣科，而是要利用好教材，根據(jù)學(xué)情對(duì)教材資源拓展開(kāi)發(fā)，突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn).本文主要講“難點(diǎn)”，“難點(diǎn)”是由學(xué)科內(nèi)容與學(xué)生的思維水平和認(rèn)知能力共同決定的.單純的研究教材、研究高考題內(nèi)容，只能讓教師明白“要教什么”，而學(xué)生的學(xué)習(xí)效果如何？“學(xué)困”在哪里？只有植根于真實(shí)且復(fù)雜的一線教學(xué)中才能了解并切身體察.根據(jù)筆者入職以來(lái)對(duì)“光電效應(yīng)”這一知識(shí)的課內(nèi)講解，和從學(xué)生的回答及做題結(jié)果反饋的情況，梳理并總結(jié)了學(xué)生對(duì)于該知識(shí)的“困惑”點(diǎn)，收集并聚焦這些“學(xué)困”信息，有利于突破教學(xué)難點(diǎn)，提升教材價(jià)值.

3.1 光電效應(yīng)的成果并非是愛(ài)因斯坦一人之功

學(xué)生因“解題”的需要，頻繁用到愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程hν=Ek+We，潛意識(shí)將“光電效應(yīng)”等同于“愛(ài)因斯坦”.確實(shí)，愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的研究是突破性的，愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程解決了很多困擾已久的問(wèn)題.但事實(shí)上,自赫茲1887年最早發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的跡象以來(lái),有不少物理學(xué)家包括赫茲的助手們和斯托列托夫等對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了分析,但受歷史條件的局限,開(kāi)始沒(méi)有獲得重大突破.1897年電子的發(fā)現(xiàn)為光電效應(yīng)規(guī)律的探究創(chuàng)造了重要的條件.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主德國(guó)人勒納德于1902年總結(jié)了光電效應(yīng)的幾條實(shí)驗(yàn)規(guī)律[4].而愛(ài)因斯坦《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》的文章是發(fā)表于1905年.所以就光電效應(yīng)的成果而言，并非是愛(ài)因斯坦一人的功勞，是一代又一代的物理學(xué)家前赴后繼、用畢生努力展開(kāi)研究與探索取得的革命性成果，而愛(ài)因斯坦是站在巨人的肩膀上.引導(dǎo)學(xué)生客觀評(píng)價(jià)前人成就，也是提升課程育人價(jià)值的重要組成部分.

3.2 自由電子實(shí)際是不能吸收光子而發(fā)生光電效應(yīng)的

由動(dòng)量守恒定律

由能量守恒定律

從以上結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)v并不相同，說(shuō)明，當(dāng)光子與一個(gè)原來(lái)靜止的自由電子碰撞前后，并未能同時(shí)滿足動(dòng)量守恒與能量守恒，說(shuō)明光電效應(yīng)不是光子與金屬內(nèi)的自由電子相互作用.光電效應(yīng)實(shí)際是光子與金屬內(nèi)的束縛電子的相互作用.

3.3 當(dāng)入射光頻率大于金屬極限頻率時(shí)并非每個(gè)光子都能激發(fā)出光電子

金屬中的大量電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各異，且均處于不同的能態(tài)之中，激發(fā)的電子所需要的能量也不盡相同，光子不僅從金屬表面而且可以從金屬深處激發(fā)出電子，對(duì)于后一種情況消耗的能量比前一種情況消耗的能量要大.此外，光電子的初動(dòng)能還會(huì)受到金屬表面涂敷材料、接觸氣體及金屬表面清潔程度等因素的影響，因此，光電子從同一金屬表面逸出所消耗的能量也不盡相同.所以，只有具有最高能量的電子(對(duì)于金屬即為費(fèi)米能)，并且逸出所消耗的能量最少(即為該金屬的逸出功)的電子逸出時(shí)，才有最大的初動(dòng)能；反之，對(duì)于那些能量相對(duì)較低的電子，和逸出所消耗的能量較多的電子而言，即使吸收了頻率大于金屬極限頻率的光子，仍不一定能從金屬逸出，成為光電子.這也說(shuō)明了：當(dāng)入射光頻率大于金屬極限頻率，有可能激發(fā)出光電子，但并非每個(gè)光子都能激發(fā)出光電子.

3.4 光電子數(shù)與入射光的頻率是有關(guān)系的

發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，當(dāng)入射光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大，如圖5所示，強(qiáng)黃光產(chǎn)生的光電流比弱黃光產(chǎn)生的光電流要大.很多初學(xué)者就認(rèn)為：光電子數(shù)僅與光強(qiáng)有關(guān)，而與入射光的頻率無(wú)關(guān).實(shí)際上，“光強(qiáng)越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目就越多”是在入射光頻率一定的條件下得出來(lái)的.在前面提到“當(dāng)入射光頻率大于金屬極限頻率時(shí)并非每個(gè)光子都能激發(fā)出光電子”，而由ε=hν可知不同頻率的光子激發(fā)出光電子的本領(lǐng)是不同的，當(dāng)入射光的頻率增大時(shí)，光子的能量增大，光電子的粒子性也加強(qiáng)，光子與電子碰撞的概率也增大了，這樣就大大增加了光電子被激發(fā)逸出的概率；而且光子的能量增大，提高了電子受激后的能量，這樣也就大大增加了光電子被激發(fā)逸出的概率.

圖5 光電流與電壓的關(guān)系

3.5 一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子可以實(shí)現(xiàn)

愛(ài)因斯坦曾表示：光電效應(yīng)中一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的幾率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同時(shí)打在一個(gè)螞蟻身上的幾率.一方面說(shuō)明了一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的小概率，另一方面也保留了實(shí)現(xiàn)的可能.普通光源照射下的雙光子吸收概率確實(shí)是非常小的，以致于在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法觀察到.1960年后，隨著激光器的誕生，激光被引入實(shí)用領(lǐng)域，當(dāng)用激光作光源進(jìn)行光電效應(yīng)時(shí)．多光子吸收已經(jīng)證明也是可以實(shí)現(xiàn)的.2013年北京高考理綜卷(第20題)：“以往我們所認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子的光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)吸收到一個(gè)光子然后從金屬表面逸出.當(dāng)用強(qiáng)激光照射金屬時(shí)，由于強(qiáng)激光的光子密度極大，一個(gè)電子可以在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子從而形成多光子的光電效應(yīng)，且這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)……”.描述的就是關(guān)于多光子光電效應(yīng)的問(wèn)題.

以上5點(diǎn)為筆者在近幾年教學(xué)中所收集到的“學(xué)困”信息，可結(jié)合教材的資源作為備課素材，以便實(shí)現(xiàn)更有效的教學(xué).

4 后記

教材建設(shè)是教育和教學(xué)改革的重要組成部分，新時(shí)代背景下的教材建設(shè)更要與時(shí)俱進(jìn).教材也要在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善和提高.新教材的成功編制，背后是一項(xiàng)系統(tǒng)且復(fù)雜的工作，來(lái)之不易，然而“好書(shū)”是需要讀者善研究、會(huì)使用，才能發(fā)揮出新教材最大功效.當(dāng)然，限于課本的篇幅，所述內(nèi)容不可能面面俱到，何況對(duì)于高中物理教學(xué)而言，主要是通過(guò)光電效應(yīng)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生明白光具有粒子性.但由于“光電效應(yīng)”知識(shí)過(guò)于抽象，“光電子”概念又不同于生活中的具體事物，“學(xué)困”的出現(xiàn)再所難免，則需教師根據(jù)學(xué)生反饋找到“學(xué)困”所在，以此融合教材資源進(jìn)行“高端備課”，才有利于突破教學(xué)難點(diǎn)，提升教材的價(jià)值.