新工科背景下大中物理有效銜接教學探討

摘 要 大學物理課程作為高校理工專業(yè)學生的重要基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)具有科學素養(yǎng)、探索精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合型人才方面具有重要作用。中學物理給學生學習大學物理奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，但兩者教學方法和學習方法不同，給大學物理的學習帶來一定的困難。文章以光電效應(yīng)為例，在教學內(nèi)容上進行拓展和挖掘，避免講解重復(fù)內(nèi)容從而提高學生學習興趣；同時還要從教學及考核方式上進行改革，轉(zhuǎn)變學生的學習和思維習慣，從而實現(xiàn)大中物理教學的有效銜接。

關(guān)鍵詞 新工科；大學物理；中學物理；光電效應(yīng)

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.12.035

Discussion on the Teaching of the Effective Cohesion between College Physics

and Middle School Physics under the Background of New Engineering

——Taking the Photoelectric Effect as an Example

WU Jie， JIANG Fengchun， CHENG Xuerui

（School of Electronic Information， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， Henan 450001）

Abstract As an important foundational course for students majoring in science and engineering in universities， college physics plays an important role in cultivating high-quality compound talents with scientific literacy， exploratory spirit， and innovative ability. Middle school physics has laid a solid theoretical foundation for students to learn college physics， but the different teaching and learning methods between the two bring certain difficulties to the study of college physics. The article takes the photoelectric effect as an example to expand and explore teaching content， avoiding repetitive explanations and enhancing students' interest in learning; At the same time， it is necessary to reform the teaching and assessment methods， transform students' learning and thinking habits， and achieve effective connection between physics teaching in universities and colleges.

Keywords new engineering; college physics; middle school physics; photoelectric effect

物理學作為研究物質(zhì)最一般的運動規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的自然學科，在培養(yǎng)學生科學素質(zhì)、科學思維方法及科學研究能力等方面具有其他學科無法替代的特殊作用。大學物理是理工科學生至關(guān)重要的公共基礎(chǔ)課，多年的中學物理學習給大學物理學習奠定了堅實基礎(chǔ)，但也形成了一定的思維定式。做好大中物理教學的有效銜接，充分發(fā)揮大學物理課程在新工科人才培養(yǎng)中的重要作用顯得尤為重要。本文以光電效應(yīng)為例對課程內(nèi)容進行深入分析，同時改進教學及考核模式，探索大中物理教學有效銜接的方式，從而實現(xiàn)大學物理教學知識傳授和能力培養(yǎng)的雙重目標。

1 "光電效應(yīng)介紹

光電效應(yīng)是量子論初創(chuàng)的一個重要現(xiàn)象，它的成功解釋推動了量子理論的誕生和發(fā)展，在物理學發(fā)展史上具有重大而深遠的意義。如今利用光電效應(yīng)制成的光電器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光電控制、信息采集和處理等現(xiàn)代技術(shù)中。光電效應(yīng)的定義和實驗規(guī)律不僅在大學物理教材中出現(xiàn)，而且也被納入了高中選擇性必修三的近代物理學內(nèi)容。在兩門課程中，都是這樣來介紹的：光電效應(yīng)是指在一定頻率的光照射下，電子從金屬或金屬化合物表面逸出的現(xiàn)象，其中逸出的電子稱為光電子[1-2]。1887年赫茲在驗證電磁波存在的實驗中發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象，1902年勒納德總結(jié)出實驗規(guī)律。直到1905年，愛因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，提出光是由一個個能量為的光子組成的粒子流。當光入射到金屬表面時，光子能量被電子全部吸收，一部分用來克服金屬表面對它的束縛而做功，另一部分轉(zhuǎn)化為電子的初動能。由能量守恒定律可得到光電效應(yīng)方程：

稱為電子逸出功。學生在高中階段已具備了一定的量子概念和該部分內(nèi)容的基礎(chǔ)，因此教師在大學物理教學上要利用學生已掌握的知識，對于這些內(nèi)容進行簡單概述，側(cè)重點在于創(chuàng)新教學方法，引導學生對已掌握內(nèi)容進行深入探究，促進其思維和學習方式的改變，實現(xiàn)激發(fā)其探索和創(chuàng)新精神的教學目標。

2 "光電效應(yīng)分類及其產(chǎn)生

在講到光電效應(yīng)時，除了知識內(nèi)容外，還要注重對學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。光電效應(yīng)應(yīng)用廣泛，除了大家熟知的光電管、光電倍增管、光電攝像管之外，太陽能電池、光電傳感器等新領(lǐng)域研究也是基于光電效應(yīng)的原理。為了讓學生更好地理解，有必要對光電效應(yīng)分類及前沿作介紹。

一是外光電效應(yīng)是指當光線照射在物體上時，電子從表面逸出的現(xiàn)象。這是最基本的光電效應(yīng)，也是教材中常用的定義，多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。目前應(yīng)用廣泛的光電器件和光電倍增管就是基于外光電效應(yīng)[3]。二是內(nèi)光電效應(yīng)是指當光照射在物體上時，激發(fā)所產(chǎn)生的載流子仍在內(nèi)部運動，增加物質(zhì)的導電性或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象[4]。內(nèi)光電效應(yīng)又主要分為以下兩種：①光電導效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)而引起材料電導率的變化。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。②光伏效應(yīng)。指光照射下能產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。光伏發(fā)電太陽能電池的基本原理就是光伏效應(yīng)。三是多光子光電效應(yīng)是指當用激光等強光源照射物體時，多個光子能量被電子吸收并發(fā)射電子的現(xiàn)象[5]。多光子光電效應(yīng)入射光頻率低于截止頻率，不滿足愛因斯坦光電方程。由于在普通光源下或普通強光下很難觀察到多光子光電效應(yīng)，所以教材中提及的光電效應(yīng)一般指的是單光子吸收的外光電效應(yīng)。下面幾方面討論也是以外光電效應(yīng)為例。

3 "產(chǎn)生光電效應(yīng)的電子

關(guān)于光電效應(yīng)，很多教材中只討論了實驗規(guī)律和量子解釋，幾乎很少涉及產(chǎn)生光電效應(yīng)的是哪些電子。而對金屬來講，既有脫離原子核束縛的自由電子，也有內(nèi)層的束縛電子，產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象的是哪種電子呢？假設(shè)金屬內(nèi)有一自由電子，為簡單起見，設(shè)定起始電子相對金屬靜止，其靜止質(zhì)量為0，電子吸收頻率為的光子后獲得速度，由能量守恒可得：

考慮相對論中能量和質(zhì)量的關(guān)系，，可得碰撞后電子的動量：

得出碰撞后電子的動量大于碰撞前光子的動量，說明自由電子吸收光子這一過程不能同時滿足能量守恒定律和動量守恒定律，意味著光子能量不能被自由電子吸收，所以光電效應(yīng)是束縛電子吸收光子能量逃逸出原子的過程。

因為電子被束縛，所以有一束縛能量，由能量守恒定律得：

其中為電子獲得的動能。在經(jīng)典力學中忽略相對論效應(yīng)， vlt;lt;c時， ，上式轉(zhuǎn)化為，得出愛因斯坦能量守恒方程。

從以上分析可知，由于束縛能量的存在，光電效應(yīng)的實際參與者為光子、光電子和原子。在光子、光電子和原子構(gòu)成的系統(tǒng)中分析動量守恒，但由于原子質(zhì)量遠遠大于入射光子和電子質(zhì)量，原子獲得速度也趨于為零，因此觀察不到原子的反沖現(xiàn)象，這樣能量守恒和動量守恒方程才能同時成立。

可見，在光電效應(yīng)過程中，因為自由電子吸收光子的過程中不可能同時滿足能量守恒和動量守恒，所以產(chǎn)生光電效應(yīng)的不可能是自由電子，只有被束縛的電子才可以在吸收一個光子能量的過程中，同時又把多余的動量傳遞給原子，從而產(chǎn)生光電效應(yīng)[6]。

4 "束縛能量（逸出功）和最大初動能

對于，有的教材定義為電子的最大初動能，有的定義為電子的初動能，結(jié)論不同的原因是對金屬逸出功定義不同。在不同的教材及參考書中，同一種金屬的逸出功大小也有顯著的差異，那么逸出功到底怎么定義？

根據(jù)近代量子理論，電子分布服從費米一狄拉克統(tǒng)計，在固體表面上下會形成偶電層，所以電子要逃逸出金屬表面必須克服原子核的靜電引力和偶電層的勢壘作用力，要克服這兩種力需要做的最小功稱為逸出功，表示為，其中為表面勢壘，是偶電層相對應(yīng)的勢能和原子核束縛所對應(yīng)的勢能總和，與電子離表層的深度有關(guān)，表示處在費米能級上電子的能量[7]。從式子可以看出，W不但與材料的性質(zhì)有關(guān)，還與晶軸取向及表面狀況有關(guān)，逸出功越小，表征電子脫離固體表面越容易。同時從反向伏安特性也可看出，當反向電壓增加時，光電流逐漸減小，當反向電壓增加到遏止電壓時，電路中光電流為零，說明從陰極發(fā)射出來的光電子具有不同的初速度，從而表明是電子從金屬中逃逸出來具有的最大初動能。

5 "光強的概念

在光電效應(yīng)的實驗規(guī)律中提到，入射光強一定時，光電流隨加速電壓的增加而增加，當加速電壓增加到一定值時，光電流達到飽和不再增加。飽和的原因是因為單位時間內(nèi)從陰極逸出的電子全部被陽極接受形成了電流。入射光強度大表示單位時間內(nèi)入射的光子數(shù)多，單位時間內(nèi)吸收光子的電子數(shù)也增多，所以飽和光電流和入射光強成正比。那么到底什么是光強？它和哪些量有關(guān)？

光強在百度百科及OFweek百科中被定義為發(fā)光強度（luminous intensity）的簡稱，表示光源給定方向上單位立體角內(nèi)光通量的物理量，單位是坎德拉（cd），是一個帶有主觀因素的物理量。在講機械波能量時曾引入平均能流密度概念，表示單位時間垂直通過單位面積的能量，又稱為波的強度，單位是W.m-2。那么光電效應(yīng)實驗規(guī)律中光強的含義究竟是什么呢？要弄清光強的本質(zhì)含義，必須研究教材提出光強的背景。教材中提到能否打出光電子，只與光的頻率有關(guān)，而與人對光線的主觀感覺強度無關(guān)，因此根據(jù)光的波動性，光強應(yīng)是入射光的平均能流密度。由電磁波理論得出：

（E為電場強度大?。?/p>

從光的粒子性角度看，根據(jù)愛因斯坦光量子假設(shè)，光的能流并不是連續(xù)分布的，而是集中在每個運動的光子上，但光子仍保持著原來的頻率v （或者波長），其能量正比于，即。因此在入射光頻率一定的情況下，光強（或光的平均能流密度）就決定于單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向單位面積的光子數(shù)，即入射光強為I。

6 "教學方式的改革

6.1 "利用信息化技術(shù)，開展線上線下混合式教學

首先，教師整理出完善的線上資源。課前要求學生對中學未選修的內(nèi)容或重難點部分進行線上學習，同時選取其中的拓展資源進行觀看瀏覽。課中教師依據(jù)課前學生反饋，以本節(jié)課主要內(nèi)容為核心，將重點知識分解為若干問題，采用啟發(fā)或小組討論等方式對概念進行更深層次的討論和分析，對拓展資源利用的物理原理進行討論并深入學習。課后教師除了布置與理論相結(jié)合的常規(guī)化作業(yè)外，同時還提供應(yīng)用案例供學生進行拓展學習，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力。

6.2 "加強實踐和理論的融合

在教學中引入虛擬仿真實驗或演示，不僅能將復(fù)雜的理論知識可視化，還有助于激發(fā)學生的學習興趣，促使學生在實踐中掌握理解物理學原理。例如光電效應(yīng)的虛擬仿真實驗，學生通過設(shè)計電路總結(jié)規(guī)律，提升自身的創(chuàng)新和實踐能力。

6.3 "改變考核方式，增加過程性考核

改變學生中學時的題海戰(zhàn)術(shù)思維，增加過程性考核和分析性的題目，提升學生對課程的重視程度。同時鼓勵學生創(chuàng)造性地提出和解決問題，構(gòu)造以培養(yǎng)學生解決和分析問題能力、創(chuàng)新能力為核心的多元化考核模式，打破其通過刷題得到高分的幻想。

7 "結(jié)語

大學物理作為理工科高校的一門重要基礎(chǔ)課程，擔負著知識學習、素質(zhì)提升和價值引領(lǐng)的多重任務(wù)。這就要求大學物理教師深入了解中學物理教學的實際，做好大中物理教學的有效銜接，在教學內(nèi)容上進行拓展和加深。同時在教學模式和考核方式上進行改革，引導學生有意識地進行科學探究和科學思考，提升學生的創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力，為培養(yǎng)新工科背景下高質(zhì)量、創(chuàng)新型的復(fù)合型人才奠定堅實基礎(chǔ)。

基金項目：教育部高等學校大學物理教學指導委員會大中物理教育銜接教學研究課題（WX202220）； 鄭州輕工業(yè)大學第十四批教學改革研究與實踐項目“數(shù)值仿真在處理大學近代物理典型問題的探索與實踐”。

參考文獻

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