优化光电效应学习策略的研究.doc

优化“光电效应”学习策略的研究 嵊州市长乐中学 邢云开摘　要：光电效应是近代物理中一个重要的实验，学好本规律对认识光的本性，深化量子理论有重大意义。“光电效应”规律的学习应让学生经历探究科学发展的一般过程，让学生从演示实验出发总结光电效应的规律，用经典的光的波动理论解释光电效应并与实验结论进行比较，深刻揭示两者间存在的尖锐的矛盾，最后让学生用爱因斯坦的光子说解释光电效应的规律，从而体验探究物理疑难问题艰辛与喜悦。 关键字：光电效应 光的粒子性 极限频率 学习策略 一、“光电效应”在物理学中的地位与作用 当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应，逸出的电子称为光电子。光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，光电效应的规律用经典的光的波动理论无法加以解释。1905年，爱因斯坦在普朗克建立的量子理论的基础上提出光量子假说成功地解释了光电效应的现象及规律，10余年后，1916年被密立根的精密实验光辉地证明，两位物理大师之间微妙的默契配合推动了物理学的发展，他们都因对光电效应的杰出贡献分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。物理学家们对光电效应的深入研究对量子理论的发展起了根本性的作用。爱因斯坦的光子说是科学方法教育的好素材，学习光电效应规律对认识物质的波料二象性有重要意义。 做好光电效应演示实验总结光电效应规律 实验是物理学的基础，用实验探究光电效应的产生条件与规律符合学生的认知规律，形象直观，学生容易接受，有利于增强学生对光电效应的感性认识，训练学生的形象逻辑思维，所以，做好演示实验对学生理解光电效应非常重要。 高中物理教材在讲到光电效应时，常用紫外线照射锌板的实验来探究光电效应的产生条件。以紫外线灯（或弧光灯）照射一个擦得很亮的锌板，锌板与验电器相连，验电器指针张开一个角度，这表明锌板带了电，进一步检查得知，锌板带的是正电，如图1所示。在众多金属之中为何选择锌板作为光照射的材料呢？如表1所示列出了一些常见金属的极限频率、逸出功与极限波长的数值，碱性金属的极限波长在可见光范围内，用可见光照射便能发生光电效应，但由于碱性金属在空气内容易被氧化，它们常作为制作光电管的阴极材料。铝、铜、铁等是生活中常见的金属材料，但它们的极限波长均比锌要短，它们相对于锌实验更不容易做成功，实验时可用紫外线分别照射锌板、铝板、铜板等进行对比实验。 表1：几种常见金属的极限频率ν0、极限波长λ0和逸出功W 钾 钠 锂 钙 锌 铝 金 铜 铁 银 ν0/×1014Hz 5.44 5.53 6.00 7.73 8.07 9.85 11.32 11.43 11.45 11.49 λ0/nm 551 543 500 388 372 305 265 264 262 261 W/eV 2.25 2.29 2.49 3.20 3.34 4.08 4.69 4.70 4.74 4.76 紫外线根据波长的不同可分为UV-A（长波紫外线，315-400nm）、UV-B（中波紫外线，280-315nm）和UV-C（短波紫外线，100-280nm），实验时可用不同波段的紫外线和可见光进行照射，比较实验的现象。为使实验更容易成功，人们常用紫外线照射带负电的锌板，验电器指针逐渐闭合，由此得出结论，实验看似水到渠成、顺理成章，但学生可能心存疑虑，学生可能会想：锌板上负电荷的消失会不会是紫外线的电离作用的结果，使发生光电效应是不是金属中多余电子被释放的现象。为此应让紫外线分别照射带负电的锌板、不带电的锌板与带正电的锌板，比较实验的现象。 通过一系列的实验，调动了学生的思维活动，使学生习得研究问题和解决问题的策略性知识——忽略次要因素、排除干扰因素、强化本质因素，实验过程充分展开，使学生在比较中更深刻地认识光电效应的一般表象。 探究光电效应规律的实验装置如图2所示，K是光电阴极，A是极，二者封闭在真空玻璃管内，光束通过窗口照射到阴极上，本实验的电压表与电流表可用电压与电流传感器代替，这样实验的数据可实时进行记录并在电脑显示屏中显示。实验结果表光电效应有以下基本规律。 光电流I随光电管两端电压V变化的曲线如图3所加电压V的增大，光电流I趋近于一个饱和值。电流达到饱和意味着单位时间内到达定数值U时Uc称遏止电压，实验表明，遏止电压与光强无关，入射光频率越大，遏止电压越大。即光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大。 第三，存在着截止频率。当我们改变入射光的频率ν时，遏止电压Uc随之改变，实验表时，Uc与ν成线性关系（如图所示），当ν减小时Uc也减小；光νν0时，Uc减到0，这时无论光强多大，光电效应不再发生，ν0称为光电效应的截止频率，不同金属的截止频率不同。第四，光电效应具有瞬时性。当入射光的频率超过