对《光电效应》教学的案例设计

余丽琼

       光电效应现象是学生第一次涉及到的量子论知识，光电效应中的极限频率和光电效应的瞬时性与宏观的波动理论相矛盾，是经典物理学无法解释的。这就要求学生从新的角度——量子的角度来理解光电效应，因此做好实验探究和类比解释是学生理解光电效应的关键。

       案例一、光电效应实验的探究

       光电效应的实验器材少，要求学生自己动手探究可能性不大，所以采用教师演示，学生思维参与的探究方式，介绍装置如图

       教师演示：用弧光灯照射锌板。师：请同学们观察现象，观察到了什么现象？生：验电器的金属箔片张开。师：这说明了什么？生：说明验电器带上了电。师：那么验电器带的是什么性质的电荷？怎么验证？学生讨论……生1：用毛皮摩擦过的橡胶棒去接触验电器，如果验电器的金属箔片张开更大，则说明带负电，如果其金属箔片先减小后张开说明验电器带正电；生2用绸子摩擦过的玻璃棒去接触也可以证明；生3，如果先让验电器带上负电，然后再用弧光灯照射，也能说明带电性质，若验电器的箔片张角减小，验电器电带正电，反之带负电。师：回答很好，那下面我们就通过实验验证验电器带什么电，教师用学生1的方法去接触验电器，结果验电器的金属箔片张开的角度减小了，说明了验电器确实带正电。师：验电器带正电，说明了什么？从锌板上打出的是什么？生：缺少电子，说明从锌板上打出的是电子，这时引导学生归纳出光电效应的定义。

       师：刚才是用弧光灯作光源从锌板上打出了电子，弧光灯发出的光中有大量的紫外线，频率高，波长短，是不是用任何光源都能从锌板上打出电子？学生讨论交流，多数学生认为应该行，因为光是一种波，按照波动理论，只要光照时间长，光的强度大，电子可以吸收光后就有足够的能量从锌板表面飞出。师：那我们重先做实验，用普通红光照射锌板，问：这次实验怎么做？生讨论：要保持其它量不变，只改变光源，即控制变量法，师：好，下面我们就用控制变量的方法来研究，换用普通红光，亮度可以调节，其它条件不变，打开电源，学生观察现象，看到验电器的箔片张开没有？生：没有。师：是不是光照时间不长？生：可能是，师：那我们延长光照时间，看看是否有新的现象发生？生：行。延长时间后仍然没有看到验电器的箔片张开。师：是不是光的强度不够？生：有可能。师：那我们把光源的亮度调大再做，观察现象，看到验电器的金属箔片张开没有？生：没有。师：这说明了什么？生：要从锌板打出光电子，光的频率必需大于某一个值，如果光的频率低，即是光照时间长和光的强度大，都不会发生光电效应，

       师：是不是用弧光灯照射所有金属都会发生光电效应？学生猜想：有的认为是，有的认为不是。师：那我们用什么方法来验证呢？生：还是控制变量。师：好，下面我们把锌板改变为银板来做实验，把银的表面打磨光滑，学生观察，问：能看到刚才的现象吗？生：看不到，师：这说明了什么？生：不同的金属发生光电效应的光的频率不一样

       师：通过上面的实验，你发现了什么规律？学生讨论得出：1、光电效应具有瞬时性；2、入射光的频率必需大于或等于某一个频率；3；在发生光电效应的情况下，与光照时间长短无关，单位时间内发射的光电子数与入射光强度成正比；4、入射光的频率小于某一数值时，不论光照时间多长，光照强度多强，都不发生光电效应。

       案例二、对光电效应的类比解释

       师：按照波动理论，光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又由光波的振幅决定，跟频率无关，因此无论光的频率如何，只要光强足够大或照射时间长，都能使电子获得足够的能量产生光电效应，但与实验结果相矛盾，极限频率的存在，用波的理论是不能解释的，怎么解释？

       学生阅读爱因斯坦的光子说。

       用光子学说解释光电效应，是第一次用量子化的观点解释微观现象，学生感到抽象难懂，这里可以用宏观的现象来对连续性和量子化作一个形象类比，用我们走的路——公路与梯子来类比。公路是连续的，梯子就是量子的。

       为什么一个电子只能吸收一个光子的能量，如果光子能量大于使电子逃逸出来所做的功，电子才能跑出来成为光电子呢？电子能不能同时吸收几个光子的能量？当积累到一定程度就跑出来呢？我们可以这样类比，人跳一个固定高度的台阶，相当于金属的极限频率，当每次给我们的能量足够，每次给的能量大于等于人跳这一台阶的增加的重力势能，一次跳的高度超过这个固定高度，就能一下子跳上去。但如果我们每次给我们的能量小于人跳上台阶所需要增加的重力势能，跳的高度始终小于这个固定高度，则每次给我的能量又以动能的形式释放出来，再进行第二次跳跃时，第一次给的能量已经释放，相当于只给了第二次的能量，这个能量还是小于跳跃台阶所需增加的重力势能，则无论我们跳多少次，跳得多快，每次跳跃都只具有一次所给的能量，都小于所需增加的重力势能，都不能跳上去。同样，当光子能量大于金属的逸出功，则电子一下就能跑出来成为光电子。否则，无论有多少光子打在电子上，都不会跑出来，最多就是打一下，跳一下又回到原来状态，电子不能吸收这个光子，光子跑掉了，不可能打一下跳出来一点，积累最后就出来了。这就象跳台阶一样，不可能第一次没跳上去在半空又跳第二次直到跳上为止。一个光子的能量大于逸出功时，被一个电子吸收。若满足条件就能成为光电子。不满足，则无论光多强（光子数目足够多）就好比跳的次数很多，无论照射时间有多长，就好比跳的时间很长，这些光子都是无效的，没有能被电子吸收，都不能有光电子出来，就象始终达不到那个固定的高度一样。相反，即使入射光不够强，就象跳的次数并不多，只要满足光子能量大于金属的逸出功，就象跳的高度足够高，就会有电子跑出来，就象能跳上去一样。只有光子的能量大，一次能够就足以让电子逸出，这样的光子才能被外层电子吸收。

       案例三、用能量守恒来理解光电效应方程

       师：怎样得出金属的逸出功？生：由逸出功的定义得出

       师：怎样计算光子的能量？生：由爱因斯坦光子说得出

       师：那么在发生光电效应的条件下怎样计算光电子的最大初动能？光子的能量被电子拿来做什么去了？生：克服逸出功，增加动能。由能的转化和守恒定律看，如何计算电子的最大初动能？生：这个方程就是爱因斯坦的光电效应方程

通过这样几个片段的教学，体现了新课程的三维目标，学习了知识与技能，注重了过程和方法，培养了学生的情感态度价值观，使学生对光电效应有深刻的理解。