對(duì)人教版教材中“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的商榷

姚奕曉

摘 要：為了使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，新課標(biāo)人教版教材的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)（選修3-5模塊、第十章、第二節(jié)P30）在原來(lái)的大綱版教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改動(dòng)：把原來(lái)不帶電的鋅板改為帶上負(fù)電，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這一改動(dòng)雖使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得明顯了，卻也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，本文將這些問(wèn)題提出，供同仁們共同探討。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；弧光燈；紫外線；電磁波；空氣電離

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）11-0061-2

2015年7月人民教育出版社編審谷雅慧教授深入基層，給廣西物理教師的解釋教材指導(dǎo)工作，還和大家一起對(duì)實(shí)驗(yàn)中的疑難問(wèn)題做了認(rèn)真的討論。

新課標(biāo)教材對(duì)“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)做了改動(dòng)，大綱版教材中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)弧光燈的照射，使不帶電的鋅板帶電，從而證明了光電效應(yīng)。但實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)較難做成功。新課標(biāo)版對(duì)此做了一些改動(dòng)——先讓鋅板帶上負(fù)電，再用紫外線燈照射，這一改動(dòng)，讓實(shí)驗(yàn)效果明顯了，實(shí)驗(yàn)的難度也降低了。

對(duì)于這一改動(dòng)，有的老師有不同意見(jiàn)。

筆者的思考和疑問(wèn)是：

原實(shí)驗(yàn)（大綱版教材第三冊(cè)、第二十一章、第一節(jié)P41）：

把一塊擦得很亮的鋅板連接在驗(yàn)電器上，用弧光燈照射鋅板（如圖1），驗(yàn)電器的指針就張開(kāi)了，進(jìn)一步檢查表明鋅板帶的是正電，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在弧光燈的照射下，鋅板中的一些自由電子從表面飛出來(lái)了，鋅板缺少了電子，于是帶正電。

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圖1 原實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)的流程是：紫外線照射—鋅板帶正電荷—說(shuō)明鋅板失去電子—證明了光電效應(yīng)。這一過(guò)程邏輯嚴(yán)密，無(wú)懈可擊。

改動(dòng)后的實(shí)驗(yàn)（人教版新課標(biāo)教材、選修3-5模塊、第十章、第二節(jié)P30）：

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圖2 改動(dòng)后的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的流程是：帶負(fù)電的鋅板—紫外線燈照射—驗(yàn)電器指針偏角逐漸減小。

但問(wèn)題產(chǎn)生了：這個(gè)實(shí)驗(yàn)只是證明了紫外線照射下，鋅板所帶負(fù)電逐漸減小。造成鋅板所帶負(fù)電逐漸減小的原因就不只一個(gè)了。下面把所有可能的原因一一羅列：

（1）紫外線本身能導(dǎo)電，把鋅板的負(fù)電荷導(dǎo)走了；

（2）紫外線照射下，空氣電離，使鋅板的負(fù)電被導(dǎo)走了；

（3）光電效應(yīng)。

我們先分析第（1）條：紫外線本身能導(dǎo)電嗎？紫外線是電磁波，2004年7月23日居庸關(guān)長(zhǎng)城15名游客遭雷擊，包括《中國(guó)新聞網(wǎng)》在內(nèi)的許多媒體均報(bào)道了專家們對(duì)此的解釋：被雷擊的原因是游客打手機(jī)所至，有專家進(jìn)一步解釋：“手機(jī)的電磁波是導(dǎo)體”。這一說(shuō)法，更是引發(fā)熱議，甚至央視2013年在《是真的嗎》節(jié)目還專門就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和探討，結(jié)論當(dāng)然是否認(rèn)了“電磁波是導(dǎo)體”之說(shuō)。可見(jiàn)，電磁波是否會(huì)導(dǎo)電，真的有必要在此進(jìn)行解釋。

再看第（2）條：紫外線會(huì)使空氣電離嗎？會(huì)！關(guān)于紫外線使空氣電離的文獻(xiàn)很多，這里就不再列舉了。既然紫外線能使空氣電離，那么如何說(shuō)明鋅板帶負(fù)電減少是由于光電效應(yīng)，還是由于空氣電離后鋅板的負(fù)電荷被導(dǎo)走？如何說(shuō)明鋅板帶負(fù)電減少與紫外線使空氣電離無(wú)關(guān)？這就麻煩了！

最后第（3）條：光電效應(yīng)，造成了鋅板所帶負(fù)電減少——這當(dāng)然就是課本編寫者希望得到的結(jié)論。但得到這個(gè)結(jié)論之前，必須先否認(rèn)第（1）條原因，排除第（2）條原因，才有可能得到這一結(jié)論。

能否排除第（2）條原因呢？我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明：

用同樣的弧光燈去照一塊極限頻率高于紫外線頻率的、帶同樣電量負(fù)電荷的金屬板，如果發(fā)現(xiàn)所帶負(fù)電荷減小的幅度可以忽略，則說(shuō)明紫外線使空氣電離造成的影響可以忽略，第（2）條原因可以排除；但如果發(fā)現(xiàn)金屬板所帶負(fù)電荷減小的幅度較大，則說(shuō)明不能忽略空氣電離的影響，新課標(biāo)教材所做的改動(dòng)不成功。

也許有老師會(huì)問(wèn)：那原來(lái)大綱版教材中的實(shí)驗(yàn)中，紫外線同樣也會(huì)使空氣電離，為什么沒(méi)這些問(wèn)題？

大綱版實(shí)驗(yàn)中，鋅版是不帶電的，光照使之帶電了，紫外線同樣也會(huì)使空氣電離，但空氣的電離并不會(huì)使鋅板帶電的，反而會(huì)使實(shí)驗(yàn)效果弱化——有些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，在真空環(huán)境中做同樣的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比在空氣中明顯了許多，正是這個(gè)原因。

綜上所述，新課標(biāo)教材中對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的改動(dòng)值得商榷：雖然實(shí)驗(yàn)的效果明顯了，但這個(gè)效果是否是光電效應(yīng)的原因所至？即使是，也得花相當(dāng)?shù)臅r(shí)間和筆墨進(jìn)行說(shuō)明，有節(jié)外生枝之嫌。

編者按：光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)非常重要。愛(ài)因斯坦用光的量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光電效應(yīng)是現(xiàn)代光電應(yīng)用技術(shù)的重要基礎(chǔ)。做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同的光源有不同的強(qiáng)度，不同的頻譜分布。不同的材料（包括鋅板）發(fā)生光電效應(yīng)也會(huì)對(duì)照射光源的強(qiáng)度與頻譜有不同的要求。如何在中學(xué)物理教學(xué)中做好光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的確需要認(rèn)真研究和討論。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧亭.專家稱居庸關(guān)長(zhǎng)城游客遭雷擊事件系由打手機(jī)引發(fā).中國(guó)新聞網(wǎng)，2004[2004-07-25].http：//www.chinanews.com/news/2004year/2004-07-25/26/464024.shtml

[2]朱建華.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].太原大學(xué)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，30（1）：82—85

（欄目編輯 王柏廬）