研究教材資源 突破教學難點
——以對高中物理教材2019年及2005年版“光電效應”的對比研究為例

方武增

(揭陽市惠來慈云實驗中學 廣東 揭陽 515200)

人教版高中《物理》(2019年版教材)是為落實立德樹人根本任務，以《普通高中物理課程標準(2017年版)》為依據(jù)編寫的，在繼承和借鑒的基礎上實現(xiàn)了創(chuàng)新.作為一線物理教師，要研究好新教材，聚焦學科核心素養(yǎng)、提升物理課程的育人價值[1].光電效應內容是經(jīng)典物理學與量子物理學之間的重要銜接，涉及普朗克、愛因斯坦、密立根等物理學家的研究成果，內容豐富，但卻復雜且抽象，所以光電效應是高中物理學習的一個難點內容.本文通過人教版兩個版本教材中“光電效應”內容對比并結合筆者多年的教學實踐，對“光電效應”這一教學難點進行了分析與總結.

1 兩個版本教材中“光電效應”內容的對比

對人教版高中《物理》(2005年版教材)(以下簡稱“2005年版教材”)、人教版高中《物理》(2019年版教材)(以下簡稱“2019年版教材”)兩版本關于“光電效應”內容比較，大部分是一致的，體現(xiàn)出了物理工作者嚴謹?shù)淖黠L，對修改制定新教材內容可謂慎之又慎.在確保內容科學性的前提下，且努力保持內容基本穩(wěn)定的同時，又體現(xiàn)出了創(chuàng)新之處.兩版本對于“光電效應”的內容呈現(xiàn)，有以下不同，如表1所示.

表1 兩版本對于“光電效應”內容呈現(xiàn)的差異對比

續(xù)表1

2 新版教材內容的呈現(xiàn)方式凸顯科學性與人文性

2.1 突出“光電效應”的歷史地位

2019年版教材中獨立以“光電效應”作為一節(jié)的標題，突出“光電效應”的重要性及歷史地位.光電效應：是指光照射到某些物質上引起物質的電性質發(fā)生變化，將光能量轉化為電能的現(xiàn)象.光電效應分內光電效應與外光電效應，本文研究的是外光電效應：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質表面，從而產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象[2].今時今日，光電效應的應用廣泛滲透于生產(chǎn)、生活、科研等多個領域.

2.2 引入的演示實驗更具體

教材中插圖素材，既提供了較為直觀且新穎有趣的物理情景，又包含了相應的物理知識，有利于學生學習[3].2005年版教材里，“用紫外線燈照射鋅板”，但鋅板未被紫外線照射時，初狀態(tài)帶什么電，是

帶正電?負電?還是不帶電?并未說明，且從圖1來看，紫外光線已射出，只能看到驗電器指針末狀態(tài)；2019年版教材里，確定“使鋅板帶負電，驗電器指針張開”，明確了一個初狀態(tài)，這樣一來用紫外線燈照射鋅板，出現(xiàn)的末狀態(tài)就可與初狀態(tài)對比.當然，更重要的是若用圖1的方案，光電效應使鋅板達到的電位較低，數(shù)量級為100，而指針驗電器對幾伏的電位差是檢驗不出來的，所以圖1的做法，現(xiàn)實是不易看出效果的.而圖2的做法，先使鋅板帶負電，驗電器指針張開，而當紫光照射時，驗電器指針迅速合攏，效果相對明顯.

圖1 2005年版教材光電效應引入的演示實驗

圖2 2019年版教材光電效應引入的演示實驗

2.3 體現(xiàn)物理課本的人文氣息

2019年版教材新增加了“紀念愛因斯坦光電效應理論的郵票”，如圖3所示，凸顯了愛因斯坦的物理學術地位(當然，愛因斯坦影響更大的是相對論，是20世紀物理學的核心貢獻之一).2005年版教材中寫到愛因斯坦在1905年發(fā)表了題為《關于光的產(chǎn)生和轉化的一個試探性觀點》的文章，講述了“光電效應”：愛因斯坦提出光電效應的解釋時，實驗測量尚不精確，再加上這種觀點與以往的觀點大相徑庭，因此并未立即得到承認，被說成是“在思辨中迷失目標”的“冒昧的假設”.這一段內容在2019年版教材里已被刪除，因為后面密立根通過實驗測量金屬的截止電壓Uc與入射光的頻率ν，以此算出普朗克常量h，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，檢驗愛因斯坦光電效應方程正確與否.實驗的結果表明，兩種方法得出的普朗克常量h在0.5%的誤差范圍內是一致的.這為愛因斯坦的光電效應理論提供了直接的實驗證據(jù).而愛因斯坦由于提出了光電效應理論而獲得1921年的諾貝爾物理學獎.

圖3 紀念愛因斯坦光電效應理論的郵票

2.4 光電效應的實驗規(guī)律總結更有邏輯性

2005年版教材，光電效應的實驗規(guī)律總結為：存在著飽和電流、存在著遏止電壓和截止頻率、光電效應具有瞬時性，共3點；而2019年版教材，這一規(guī)律總結為4點，將“截止頻率與截止電壓”拆開成獨立兩項，并將“截止頻率”置于首項，此處改動，實際是將“條件項”前置，而在隨后的“光電效應解釋中的疑難”“愛因斯坦光電效應方程可以很好地解釋光電效應實驗中的各種現(xiàn)象”中也均將“截止頻率”獨立一項并置于首項.這樣的編排，有利于學生學習，即先從“條件”入手，再學習“飽和電流”等問題.確實，若不能滿足光電效應發(fā)生的“條件”，后面的精彩內容根本無從談起，所以2019年版教材的規(guī)律總結更有邏輯性.

圖4 光電效應的Ek-ν圖像

3 聚焦“學困”信息 突破教學難點 提升教材價值

新版教材設計得好，一方面是佩服與感激參編人員，另一方面得依靠教材教學，但不是“依賴”，更不是照本宣科，而是要利用好教材，根據(jù)學情對教材資源拓展開發(fā)，突出重點、突破難點.本文主要講“難點”，“難點”是由學科內容與學生的思維水平和認知能力共同決定的.單純的研究教材、研究高考題內容，只能讓教師明白“要教什么”，而學生的學習效果如何？“學困”在哪里？只有植根于真實且復雜的一線教學中才能了解并切身體察.根據(jù)筆者入職以來對“光電效應”這一知識的課內講解，和從學生的回答及做題結果反饋的情況，梳理并總結了學生對于該知識的“困惑”點，收集并聚焦這些“學困”信息，有利于突破教學難點，提升教材價值.

3.1 光電效應的成果并非是愛因斯坦一人之功

學生因“解題”的需要，頻繁用到愛因斯坦光電效應方程hν=Ek+We，潛意識將“光電效應”等同于“愛因斯坦”.確實，愛因斯坦對光電效應的研究是突破性的，愛因斯坦光電效應方程解決了很多困擾已久的問題.但事實上,自赫茲1887年最早發(fā)現(xiàn)光電效應的跡象以來,有不少物理學家包括赫茲的助手們和斯托列托夫等對光電效應現(xiàn)象進行了分析,但受歷史條件的局限,開始沒有獲得重大突破.1897年電子的發(fā)現(xiàn)為光電效應規(guī)律的探究創(chuàng)造了重要的條件.諾貝爾物理學獎得主德國人勒納德于1902年總結了光電效應的幾條實驗規(guī)律[4].而愛因斯坦《關于光的產(chǎn)生和轉化的一個試探性觀點》的文章是發(fā)表于1905年.所以就光電效應的成果而言，并非是愛因斯坦一人的功勞，是一代又一代的物理學家前赴后繼、用畢生努力展開研究與探索取得的革命性成果，而愛因斯坦是站在巨人的肩膀上.引導學生客觀評價前人成就，也是提升課程育人價值的重要組成部分.

3.2 自由電子實際是不能吸收光子而發(fā)生光電效應的

由動量守恒定律

由能量守恒定律

從以上結果來看，兩個v并不相同，說明，當光子與一個原來靜止的自由電子碰撞前后，并未能同時滿足動量守恒與能量守恒，說明光電效應不是光子與金屬內的自由電子相互作用.光電效應實際是光子與金屬內的束縛電子的相互作用.

3.3 當入射光頻率大于金屬極限頻率時并非每個光子都能激發(fā)出光電子

金屬中的大量電子運動狀態(tài)各異，且均處于不同的能態(tài)之中，激發(fā)的電子所需要的能量也不盡相同，光子不僅從金屬表面而且可以從金屬深處激發(fā)出電子，對于后一種情況消耗的能量比前一種情況消耗的能量要大.此外，光電子的初動能還會受到金屬表面涂敷材料、接觸氣體及金屬表面清潔程度等因素的影響，因此，光電子從同一金屬表面逸出所消耗的能量也不盡相同.所以，只有具有最高能量的電子(對于金屬即為費米能)，并且逸出所消耗的能量最少(即為該金屬的逸出功)的電子逸出時，才有最大的初動能；反之，對于那些能量相對較低的電子，和逸出所消耗的能量較多的電子而言，即使吸收了頻率大于金屬極限頻率的光子，仍不一定能從金屬逸出，成為光電子.這也說明了：當入射光頻率大于金屬極限頻率，有可能激發(fā)出光電子，但并非每個光子都能激發(fā)出光電子.

3.4 光電子數(shù)與入射光的頻率是有關系的

發(fā)生光電效應時，當入射光較強時，單位時間內照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大，如圖5所示，強黃光產(chǎn)生的光電流比弱黃光產(chǎn)生的光電流要大.很多初學者就認為：光電子數(shù)僅與光強有關，而與入射光的頻率無關.實際上，“光強越大，單位時間內發(fā)射的光電子數(shù)目就越多”是在入射光頻率一定的條件下得出來的.在前面提到“當入射光頻率大于金屬極限頻率時并非每個光子都能激發(fā)出光電子”，而由ε=hν可知不同頻率的光子激發(fā)出光電子的本領是不同的，當入射光的頻率增大時，光子的能量增大，光電子的粒子性也加強，光子與電子碰撞的概率也增大了，這樣就大大增加了光電子被激發(fā)逸出的概率；而且光子的能量增大，提高了電子受激后的能量，這樣也就大大增加了光電子被激發(fā)逸出的概率.

圖5 光電流與電壓的關系

3.5 一個電子在短時間內吸收多個光子可以實現(xiàn)

愛因斯坦曾表示：光電效應中一個電子吸收兩個光子的幾率不會大于下雨天兩個雨滴同時打在一個螞蟻身上的幾率.一方面說明了一個電子吸收兩個光子的小概率，另一方面也保留了實現(xiàn)的可能.普通光源照射下的雙光子吸收概率確實是非常小的，以致于在實驗中無法觀察到.1960年后，隨著激光器的誕生，激光被引入實用領域，當用激光作光源進行光電效應時．多光子吸收已經(jīng)證明也是可以實現(xiàn)的.2013年北京高考理綜卷(第20題)：“以往我們所認識的光電效應是單光子的光電效應，即一個電子在極短時間內吸收到一個光子然后從金屬表面逸出.當用強激光照射金屬時，由于強激光的光子密度極大，一個電子可以在短時間內吸收多個光子從而形成多光子的光電效應，且這已被實驗證實……”.描述的就是關于多光子光電效應的問題.

以上5點為筆者在近幾年教學中所收集到的“學困”信息，可結合教材的資源作為備課素材，以便實現(xiàn)更有效的教學.

4 后記

教材建設是教育和教學改革的重要組成部分，新時代背景下的教材建設更要與時俱進.教材也要在教學實踐中不斷完善和提高.新教材的成功編制，背后是一項系統(tǒng)且復雜的工作，來之不易，然而“好書”是需要讀者善研究、會使用，才能發(fā)揮出新教材最大功效.當然，限于課本的篇幅，所述內容不可能面面俱到，何況對于高中物理教學而言，主要是通過光電效應的學習，讓學生明白光具有粒子性.但由于“光電效應”知識過于抽象，“光電子”概念又不同于生活中的具體事物，“學困”的出現(xiàn)再所難免，則需教師根據(jù)學生反饋找到“學困”所在，以此融合教材資源進行“高端備課”，才有利于突破教學難點，提升教材的價值.