問題情景教學(xué)下對(duì)“光的粒子性”的反思

孫科學(xué)

【摘? ? 要】“光的粒子性”是波粒二象性一章中至關(guān)重要的一節(jié)內(nèi)容，是選考中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，也是學(xué)生理解較為困難的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于如何更好地開展這節(jié)內(nèi)容的教學(xué)，筆者試著從實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)、教學(xué)內(nèi)容順序的重新調(diào)整等方面做了一番思考。

【關(guān)鍵詞】光電效應(yīng)? 遏止電壓? 逸出功

中圖分類號(hào)：G4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2021.03.161

人教版《物理》（選修3-5）中第十七章第二節(jié)“光的粒子性”，這一節(jié)內(nèi)容在本章中，可以說是至關(guān)重要的，也是高考選考中的一個(gè)重要的知識(shí)考點(diǎn)。本節(jié)課的重點(diǎn)就是通過光電效應(yīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的演示，來引導(dǎo)學(xué)生親歷物理學(xué)的科學(xué)探究過程，體驗(yàn)物理學(xué)史上對(duì)光的本性的認(rèn)知過程，體會(huì)探索自然規(guī)律的艱辛和喜悅。但是本節(jié)課的內(nèi)容筆者在幾次教學(xué)過程中，遇到了很多問題。其一，本節(jié)知識(shí)是由光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律、光電效應(yīng)解釋中的很多疑難、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程、康普頓效應(yīng)和光子的動(dòng)量五部分組成，內(nèi)容較多，難度較大，知識(shí)也過于抽象，再加上本校學(xué)生理解能力上的不足，往往在新課教學(xué)的過程中，不少學(xué)生還是會(huì)有很多理解上的困難。其二，這一節(jié)課的引入就是做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生的思考。而后“遏止電壓”“ 截止頻率”“飽和電流”等概念的得出也應(yīng)該是從實(shí)驗(yàn)當(dāng)中而來。但是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要做成功，卻是比較困難的。其三，按照教材內(nèi)容的編排，在教學(xué)上我們一般就按照這樣的思路展開教學(xué)：先是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的探究;然后用經(jīng)典光的電磁理論去解釋光電效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)一些難以解決的問題;接著愛因斯坦以普朗克的能量子假說為基礎(chǔ)，提出量子假說，用光電效應(yīng)方程解釋一些難以解釋的問題，最后是密立根實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。教材順序編排得很合理，但是筆者認(rèn)為在實(shí)際教學(xué)過程中有些部分可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而更好地幫助學(xué)生來理解和掌握。

針對(duì)以上問題，結(jié)合學(xué)生的課堂反應(yīng)，在經(jīng)過幾次教學(xué)實(shí)踐以后，筆者覺得可以試著做一些改進(jìn)，或許會(huì)有更好的教學(xué)效果。

一、對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一些改進(jìn)和想法

按照課本當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)裝置做光電效應(yīng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，紫外線燈輻射的能量只有一小部分照射到鋅板上面，鋅板表面又極容易氧化，如果再加上潮濕的空氣的話，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功率是很低的。即使發(fā)生了光電效應(yīng)現(xiàn)象，現(xiàn)象的可視性也是很差的。但是如果換成一個(gè)圓柱形的鋅板制成的圓筒，把紫外線燈的功率再加強(qiáng)點(diǎn)放置在鋅板制成的圓筒中，如課文上，那么紫外線的能量絕大部分就可以輻射到鋅板上，光電效應(yīng)的現(xiàn)象就可以更加明顯。

課本上接下來是研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，即飽和電流。實(shí)際在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，即使光電管兩端所加的正向電壓達(dá)到200V以上，光電流幾乎在幾十微安左右，如果用一般的電流表去測電流的話，基本上是沒有讀數(shù)的。所以在電路圖中，電流表改為微安表更為恰當(dāng)。同時(shí)為了實(shí)驗(yàn)的可視性更好一些，電源也不妨換成可調(diào)式直流高壓電源。而在接下來研究正向電壓和光電流的大小關(guān)系以及后面光電管兩端加反向電壓時(shí)，存在遏止電壓這一現(xiàn)象，課本當(dāng)中是直接給出了光電流與電壓之間的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系我們按照課文的實(shí)驗(yàn)裝置，如果要得到課文當(dāng)中的伏安特性曲線的話，要不斷地調(diào)節(jié)電壓大小，記錄光電流數(shù)值，需要多組數(shù)據(jù)，耗時(shí)較長，紫外線燈長時(shí)間照射也容易對(duì)人造成損害。所以在課文的電路圖中，如果要讓學(xué)生親身參與體驗(yàn)再得出結(jié)論，我們可以把電壓表和電流表直接換成電壓傳感器和電流傳感器，這樣操作過程中，光電流和電壓的伏安特性圖像就可以直接在計(jì)算機(jī)中顯現(xiàn)出來，既方便又省時(shí)。

二、教材內(nèi)容的講解順序的反思

如果本節(jié)內(nèi)容按照教材的編排順序，先講光電效應(yīng)的現(xiàn)象和規(guī)律，再解釋其中的疑難。這樣講解的時(shí)候，在講到實(shí)驗(yàn)規(guī)律的時(shí)候，如果教師真的是把實(shí)驗(yàn)做得很成功，每一步都做到位，那么學(xué)生還是可以接受的。但往往這一節(jié)課在講解的時(shí)候，由于實(shí)驗(yàn)的難度很大，操作不易且成功率較低等因素的影響，教師一般并不會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的演示。那么當(dāng)教師講到光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的時(shí)候，學(xué)生往往是云里霧里。所以，在教學(xué)的過程中，在不做實(shí)驗(yàn)的前提下，我們不妨換一種講法，按這樣的線索展開：

先簡單演示或講解光電效應(yīng)現(xiàn)象→提出愛因斯坦光電效應(yīng)方程→具體介紹光電效應(yīng)的現(xiàn)象和規(guī)律→用光的電磁理論和愛因斯坦光電理論解釋現(xiàn)象。按照這樣的線索順序展開，由于前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程和理論，所以后面即使沒有實(shí)驗(yàn)的展示鋪墊，學(xué)生在學(xué)到光電效應(yīng)的眾多現(xiàn)象的時(shí)候，也不會(huì)再感到很迷茫，教師也能逐步地去引導(dǎo)學(xué)生思考和辨析其中的現(xiàn)象所包含的原因。當(dāng)然在實(shí)際的教學(xué)過程中，如果一股腦地把所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象全部告訴學(xué)生，實(shí)際效果可能也并不是很好。所以在給出愛因斯坦光電效應(yīng)方程后，我們?nèi)绻脝栴}情景式教學(xué)來展開現(xiàn)象和規(guī)律的教學(xué)，效果應(yīng)該還能更好一些。

在課文解釋紫外線照射光電管，產(chǎn)生光電流后，我們可以提出問題1：為什么要加正向電壓？不加正向電壓電路中有電流嗎？引導(dǎo)學(xué)生分析，解答：光照射到陰極K上會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，但只有極少數(shù)的電子能到達(dá)陽極A，電路中電流很小。加了正向電壓后，大量的電子在電場力的作用下向陽極移動(dòng)，電路中電流就大了很多。

接著提出問題2：如果保持光照條件不變，逐漸增大正向電壓，大家認(rèn)為會(huì)有什么變化？引導(dǎo)學(xué)生分析，解答：隨著正向電壓的增大，將有更多的從金屬表面逸出的光電子會(huì)到達(dá)陽極A，所以光電流會(huì)增大。但是當(dāng)逸出的光電子幾乎全部到達(dá)陽極A后，電流將達(dá)到最大，我們稱之為飽和電流。

至此，光電效應(yīng)的絕大部分現(xiàn)象和規(guī)律，都已通過前期愛因斯坦光電效應(yīng)理論和方程的鋪墊，再結(jié)合問題的提出，在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生基本可以通過教師的逐步引導(dǎo)，慢慢地給出正確的結(jié)論。當(dāng)然，光電效應(yīng)現(xiàn)象中的瞬時(shí)性以及光照時(shí)間延長并不能夠促使光電效應(yīng)的發(fā)生等一些規(guī)律，是很難直接讓學(xué)生自己思考得出的，還是需要直接告訴學(xué)生其中的原因的。而通過這樣一種問題教學(xué)方式的應(yīng)用，在缺少必要實(shí)驗(yàn)演示的情況下，我們教師不是簡單地將知識(shí)全部灌輸給學(xué)生，而是讓那些原本繁復(fù)、難以理解的現(xiàn)象，通過讓學(xué)生親身參與教師的教學(xué)來一起討論、猜想，自己去得出結(jié)論，使他們真正理解和掌握這節(jié)課的內(nèi)容。

在物理課堂上，教師不僅僅是教授給學(xué)生書本上的物理知識(shí)，更應(yīng)該做的是引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣去思考，去追問。在物理教學(xué)過程中，引領(lǐng)學(xué)生去接受科學(xué)的思維，形成科學(xué)的思考方法，領(lǐng)悟科學(xué)探索的精髓，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)、探索未知的勇氣和信心，更是我們每一位物理教師努力和前進(jìn)的方向與目標(biāo)。