自制教具 促進(jìn)教學(xué)*
——以“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例

施生晶 吳健

(三明市第二中學(xué) 福建 三明 365000 )

1 問(wèn)題的提出

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的重要方法.教師在教學(xué)過(guò)程中，常遇到實(shí)驗(yàn)室儀器陳舊、短缺，無(wú)法滿足教學(xué)內(nèi)容，需要對(duì)儀器進(jìn)行改進(jìn)提升，需要教師自力更生，研制一些教具，滿足課堂實(shí)驗(yàn)的需要，突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，幫助學(xué)生掌握知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，提高教學(xué)效率.

2 自制教具 促進(jìn)教學(xué)

問(wèn)題1:如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“光電效應(yīng)”的興趣.

實(shí)驗(yàn)1:感受光轉(zhuǎn)換電的實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)器材：如圖1所示的J0401演示電表、光伏電池板、可調(diào)亮度的白熾燈、導(dǎo)線若干.

圖1 J0401演示電表與光伏電池板

教師演示：用導(dǎo)線把光伏電池板和電表連接，用白熾燈照射光伏電池板，再增大亮度.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖2所示,觀察到指針向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，隨著燈的亮度增加，指針偏轉(zhuǎn)角度變大.

圖2 指針向右側(cè)偏轉(zhuǎn)

實(shí)驗(yàn)效果：教師通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，把光轉(zhuǎn)換成電流的現(xiàn)象，呈現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)求知的欲望.

問(wèn)題2:若能測(cè)出光電流，對(duì)光電效應(yīng)的規(guī)律判斷會(huì)更直接、更可靠.

實(shí)驗(yàn)2:探究光電效應(yīng)的規(guī)律.

實(shí)驗(yàn)器材:如圖3(a)所示的J2517光電效應(yīng)演示器、銅網(wǎng)、鋅板、J0401演示電表(b圖)、可調(diào)亮度的白熾燈、紫外燈、若干導(dǎo)線.

(a)演示器實(shí)物圖

(b)J0401演示電表

教師演示1：用導(dǎo)線把光電效應(yīng)演示器和電表連接，先用白熾燈照射鋅板；再增大燈的亮度；延長(zhǎng)照射鋅板時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖4所示，在用白熾燈照射鋅板，觀察到指針停在“0”位置處，沒(méi)有偏轉(zhuǎn).

圖4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中演示電表指針位置

實(shí)驗(yàn)效果：學(xué)生通過(guò)觀察，鋅板在白熾燈照射下，雖然改變亮度和照射時(shí)間，但都沒(méi)有光電流產(chǎn)生.要發(fā)生光電效應(yīng)需要什么條件呢？通過(guò)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性，有利于促進(jìn)下一步課堂的教學(xué).

教師演示2：把白熾燈改為紫外燈，先用1盞紫外燈照射鋅板，再用2盞紫外燈照射鋅板.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖5所示，用1盞紫外燈照射鋅板，電表指針向右偏轉(zhuǎn)1格.

圖5 1盞紫外燈照射鋅板，電表指針向右偏轉(zhuǎn)1格

如圖6所示，用2盞紫外燈照射，電表指針向右偏轉(zhuǎn)2格.

圖6 2盞紫外燈照射，電表指針向右偏轉(zhuǎn)2格

現(xiàn)象分析：因紫外光的頻率大于白熾燈產(chǎn)生光的頻率，紫外線能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng).用2盞紫外燈照射鋅板，增加光的強(qiáng)度，產(chǎn)生更大電流.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：光電效應(yīng)的發(fā)生跟光的頻率有關(guān)；發(fā)生光電效應(yīng)后，光電流跟光的強(qiáng)度有關(guān).

實(shí)驗(yàn)效果：用儀器呈現(xiàn)電流大小，現(xiàn)象明顯，提高教學(xué)效果，有利于促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步探究光電效應(yīng)規(guī)律的熱情.

問(wèn)題3:如何理解愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程

實(shí)驗(yàn)3:光子能量與重力勢(shì)能類比.

實(shí)驗(yàn)器材：軌道模型，若干個(gè)相同玻璃球.

模型說(shuō)明：針對(duì)初學(xué)者，教師要抓住學(xué)生剛接觸光電效應(yīng)方程的認(rèn)識(shí)水平，從簡(jiǎn)單入手，先考慮單光子的光電效應(yīng)，隨著學(xué)習(xí)深入，再讓學(xué)生全面掌握發(fā)生光電效應(yīng)的原因.因此,本模型僅考慮電子吸收光子能量的問(wèn)題,不討論光子與電子作用的其他問(wèn)題.

教師演示1：如圖7所示，教師把紫球1和 紅球2放在右側(cè)軌道不同高度處，把球1和球2放在左側(cè)軌道不同高度處.

模型分析：理解光子能量、逸出功W0.

(1)如圖7所示，右側(cè)軌道的球，離桌面越高，重力勢(shì)能越大；教師引導(dǎo)學(xué)生，用類比的方法分析出：頻率越大的光子具有的能量越大(如圖8所示的光子hν1).

(2)左側(cè)軌道的球，要上升到越高的位置，克服重力做功越大(如圖7所示的球1)；讓學(xué)生分析出：電子克服原子束縛需要的能量(逸出功W0)，不同材料逸出功不同(如圖8所示的電子1和電子2).

圖8 光電能量類比重力勢(shì)能

實(shí)驗(yàn)效果：通過(guò)軌道模型類比，學(xué)生對(duì)抽象的光子能量和電子的逸出功有直觀的認(rèn)識(shí).

教師演示2：如圖9所示，教師把紫球放在右側(cè)軌道上，從低到高，不同位置處釋放紫球，讓紫球和黑球碰撞.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

(1)如圖9所示，較低處釋放的紫球，碰撞后的黑球，不能離開(kāi)左側(cè)軌道.

(2)較高處釋放的紫球，碰撞后的黑球，可以離開(kāi)左側(cè)軌道，離開(kāi)軌道時(shí)還有一定的能量.

模型分析：電子的初動(dòng)能Ek.

(1)如圖9所示，右側(cè)較低軌道的紫球，離桌面較低，重力勢(shì)能較小，兩球碰撞后，黑球獲得能量后，沿左側(cè)軌道上升；因具有能量不夠大，離不開(kāi)軌道.如圖10所示，讓學(xué)生類比分析出：頻率較小的光子照射鋅板，電子吸收光子獲得能量小于電子的逸出功，不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng).

(2)如圖9所示，右側(cè)較高軌道的紫球，離桌面越高，重力勢(shì)能越大，兩球碰撞后，黑球獲得能量較大，沿左側(cè)軌道上升；因具有的能量較大，離開(kāi)軌道時(shí)有一定的動(dòng)能.如圖10所示，讓學(xué)生類比分析出：頻率較大的光子照射鋅板，電子吸收光子獲得的能量大于電子的逸出功(發(fā)生了光電效應(yīng))，逸出后的電子還有一定的能量(初動(dòng)能).

圖10 類比光電效應(yīng)中的逸出功

實(shí)驗(yàn)效果：利用自制教具，通過(guò)模型進(jìn)行類比，學(xué)生很容易理解光電效應(yīng)方程中抽象的逸出功和電子的初動(dòng)能

這個(gè)創(chuàng)新教學(xué)的嘗試，助力學(xué)生高效掌握知識(shí)，很好達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果.

3 實(shí)驗(yàn)反思

實(shí)驗(yàn)探究是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分.新時(shí)代的物理教師要研究實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，教師要結(jié)合教學(xué)需求，進(jìn)行必要的教具制作.教具自制要考慮：取材方便，制作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，可信度高等，只有這樣，實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能達(dá)到理想效果，才能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.