“光的粒子性”疑點突破及教學(xué)示例

汪建軍

【摘 要】新版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求以學(xué)生為根本，以學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向開展教學(xué)。本文分析了“光的粒子性”教學(xué)中的疑點問題，同時設(shè)計了相應(yīng)的釋疑教學(xué)過程，以期幫助物理教師在突破教學(xué)疑點的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】光的粒子性;光電效應(yīng);康普頓效應(yīng);教學(xué)疑點;核心素養(yǎng)

【中圖分類號】G633.7 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ?【文章編號】1671-8437（2021）10-0080-02

“光的粒子性”是高中物理選修3—5第十七章第2節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)內(nèi)容涉及光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的實驗規(guī)律及解釋，是學(xué)生接觸普朗克量子概念后的一次應(yīng)用，對學(xué)生物理觀念的轉(zhuǎn)變和使用現(xiàn)有理論解釋新的現(xiàn)象提出了較高要求[1]。為了方便教學(xué)生成，教材在本節(jié)內(nèi)容中設(shè)置了一些需要教師向?qū)W生講清楚的“疑點問題”，這些疑點問題往往涉及“為什么”。對這些疑點進(jìn)行剖析、講解，讓學(xué)生經(jīng)歷疑惑、探究、推理、思考到徹底理解整個過程，能使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)得到真正發(fā)展。

1 ? 相同的光照強(qiáng)度下，增加入射光的頻率能否增大飽和光電流

疑點產(chǎn)生：教師往往通過改變光的強(qiáng)度來演示飽和光電流與光強(qiáng)的關(guān)系，通過改變?nèi)肷涔獾念l率來演示遏止電壓與頻率的關(guān)系。此過程也讓學(xué)生產(chǎn)生了一個疑點：改變?nèi)肷涔獾念l率能否使相同光強(qiáng)下的飽和光電流增大呢？

疑點突破，生長素養(yǎng)：

師：光強(qiáng)代表的是單位面積上光的電磁輻射功率，它和光子數(shù)有關(guān)。若用 I 表示光強(qiáng)，ν 表示光的頻率，A 表示照射區(qū)域面積，N 表示時間間隔 t 內(nèi)照到 A 上的光子總數(shù)，則I=Nhv/At。請思考，在光強(qiáng)一定的情況下，光子數(shù)量和頻率有什么關(guān)系？

生：頻率越高，光子數(shù)量越少。

師：單個光子的能量和頻率有什么關(guān)系？

生：根據(jù) ε=hv 可知，頻率越高，單個光子的能量越大。

師：光強(qiáng)相同的低頻率光和高頻率光的光子數(shù)目誰多？

生：低頻率光的光子數(shù)多，高頻率光的光子數(shù)少。

師：相同光強(qiáng)下，低頻率光擁有數(shù)量多、能量小的光子，高頻率光擁有數(shù)量少、能量大的光子。若用相同光強(qiáng)的低頻率光和高頻律光去打金屬內(nèi)的電子，打出的光電子數(shù)量會有什么區(qū)別？

生：低頻率光打出的多，因為只要頻率超過截止頻率，較多的光子就會導(dǎo)致可以收到光子的電子數(shù)量增多，從而光電子數(shù)量就會增多，飽和光電流也就會增大。

生：我覺得不一定，因為如果接收到光子的電子是深層電子，雖然能克服逸出功，但是不一定能飛出金屬表面成為光電子;相反，高頻率光中雖然光子較少，但單個光子的能量較大，可以讓深層電子飛出金屬表面成為光電子，所以這種情況下的光電子數(shù)量可能更多。

筆者充分肯定學(xué)生的見解，并展示如圖1、圖2所示的研究光電效應(yīng)實驗的圖像。

向?qū)W生解釋，有人用銻銫（Sb-Cs）和銀氧銫（Ag-O-Cs）兩種不同的材料做了相對靈敏度和波長的關(guān)系實驗，這里的相對靈敏度能間接反映光強(qiáng)一定時飽和光電流的大小和頻率之間的關(guān)系[2]。從圖1和圖2中可以得出，光強(qiáng)一定時飽和光電流隨入射光頻率的變化關(guān)系不能簡單地認(rèn)為是不變、減小或增大，這也印證了剛才大家的推論是有道理的。

這樣的教學(xué)過程解釋了教學(xué)疑點，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度。

2 ? 電子為什么不能吸收多個光子，從而發(fā)生光電效應(yīng)

疑點產(chǎn)生：光電效應(yīng)中，電子可吸收一個能量大于逸出功的光子，從而逸出金屬表面成為光電子。善于思考的學(xué)生自然會想到，如果電子能一次吸收多個光子，或者先后吸收多個光子，使總能量超過逸出功，那么應(yīng)該也會發(fā)生光電效應(yīng)。如此，從能量守恒角度看，截止頻率就不存在了。

疑點突破，生長素養(yǎng)：此點是教學(xué)中常見的學(xué)生疑惑點。為什么電子不能多光子吸收，這主要是由中學(xué)階段所研究的光電效應(yīng)實驗條件所決定的。對此疑點，教師可通過定量分析的方式引導(dǎo)學(xué)生理解。

師：假設(shè)光電效應(yīng)實驗的光源功率為15 W，光的平均波長λ=20537×10?7 m，光源距被照金屬表面的距離為0.5 m，金屬原子的半徑約為5×10?11 m，則單個原子上每秒鐘有多少光子到達(dá)？兩個光子到達(dá)原子的間隔時間為多少？

師：愛因斯坦曾講過“下雨天兩個雨滴同時打在一個螞蟻身上的幾率不會小于光電效應(yīng)中一個電子同時吸收兩個光子的幾率”，從計算結(jié)果中我們也能看出這一點，另外兩個光子先后作用同一個原子的時間需要31.25 s之多。如果電子吸收第一個光子后未能逸出金屬表面，這么長的時間足以讓電子和周圍的原子碰撞消耗掉吸收的光子能量。

師：通過以上分析可知，要想實現(xiàn)多光子吸收，在現(xiàn)有的實驗條件下基本不可能。那么怎樣的實驗條件可以使多光子吸收的概率增大，從而變得可能呢？

生：增加單位面積上的光子數(shù)，即用光強(qiáng)很強(qiáng)的光。

師：那是什么光？

生：激光。

教師應(yīng)多鼓勵和指導(dǎo)學(xué)生探究與思考，將科學(xué)思維的培養(yǎng)落到實處。

3 ? 光電效應(yīng)中光子與電子的作用為什么不考慮動量守恒

疑點產(chǎn)生：教材解釋康普頓效應(yīng)，用到了光子和電子相互作用的動量守恒和能量守恒聯(lián)立的式子，然而在光電效應(yīng)中卻只用到了能量守恒，這不免會讓學(xué)生疑惑：光電效應(yīng)中的動量難道不守恒嗎？

疑點突破，生長素養(yǎng)：此問題涉及光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)發(fā)生的條件，利用課本介紹的光電效應(yīng)入射光為可見光和康普頓效應(yīng)入射光為X射線的實驗條件向?qū)W生解釋清楚。

師：課本上介紹的光電效應(yīng)實驗和康普頓效應(yīng)實驗分別采用的是什么光源？

生：光電效應(yīng)采用的是紫外線，康普頓效應(yīng)采用的是X射線，X射線的光子能量高。

師：請計算紫外線光子和X射線光子的能量范圍。

生：將數(shù)據(jù)帶入ε=hv=h可知，紫外線的光子能量范圍在3.1—6.2 eV;X射線的光子能量范圍是1.24×102—1.24×105 eV。

師：課本給出表1：

表1中的逸出功大小和紫外線光子及X射線光子能量大小具有可比性嗎？

生：和紫外線光子間相差不大，但和X射線光子能量無可比性，逸出功遠(yuǎn)小于X射線光子能量。

師：逸出功的大小反映了原子對電子束縛能力的強(qiáng)弱。在用X射線照射原子發(fā)生康普頓效應(yīng)的過程中，由于原子對電子的束縛作用，相對光子對電子的作用可忽略不計，即由光子和電子組成的系統(tǒng)中，原子對光子作用的外力遠(yuǎn)小于光子與電子作用之間的內(nèi)力，故可以認(rèn)為，光子與電子組成的系統(tǒng)動量守恒。然而在光電效應(yīng)中，顯然原子和電子之間的束縛力對光子和電子之間的作用力來說不能忽略，所以不能認(rèn)為光電效應(yīng)過程中光子和電子組成的系統(tǒng)動量守恒，而應(yīng)該是光子、電子和金屬原子整個系統(tǒng)的動量守恒。

帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷這一分析過程，能讓學(xué)生體會動量守恒定律是自然界普遍的規(guī)律，教師需要加強(qiáng)學(xué)生對動量守恒系統(tǒng)的認(rèn)識能力。

新知識的教學(xué)一般要讓學(xué)生經(jīng)歷“問題—猜想—解釋—驗證—應(yīng)用”的過程。教師對教學(xué)疑點，要注重從“為什么”進(jìn)行解答，通過恰當(dāng)有效的思維活動，充分發(fā)揮解釋知識原理和疑點的重要作用，從而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙凱華.有關(guān)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的若干問題[J].物理教學(xué)，2013（1）.

[2]李曙光.光強(qiáng)一定時飽和光電流隨入射光頻率的變化關(guān)系辨析[J].大學(xué)物理，2003（8）.