基于物理核心素養(yǎng)的“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

童有彩 張安軍

(合肥市第七中學(xué),安徽 合肥 230088)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),物理概念建構(gòu)和物理規(guī)律建立都離不開大量的實(shí)驗(yàn)探究.如何通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)?本文以“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,詳細(xì)闡述通過實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn),實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)處理等,完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的逐步提升.

1 物理實(shí)驗(yàn)與核心素養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn),主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)要素構(gòu)成.想要真正提升學(xué)生的核心素養(yǎng),實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分重要的.一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)程序應(yīng)包括:實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)記錄、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、結(jié)論分析、誤差分析以及實(shí)驗(yàn)改進(jìn).物理實(shí)驗(yàn)流程中各個(gè)環(huán)節(jié)與物理核心素養(yǎng)4個(gè)方面都是緊密聯(lián)系的(表1).

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與物理學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)一覽表

2 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思路如圖1.

圖1

整體而言,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)采取“演示—分組探究—再演示”的形式:首先通過讓學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,引出光電效應(yīng)概念,進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的猜想;其次通過分組實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生參與和體驗(yàn)探究過程,初步驗(yàn)證自己的猜想,拓展學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律及影響因素的了解,提升學(xué)生之間的合作探究能力,助力學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升;最后教師通過自制光電效應(yīng)演示儀,借助傳感器讓學(xué)生直觀地觀察到光電流與電壓完整的變化關(guān)系曲線,進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的理解.通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)和教師演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比照,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)信度,提升課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.與此同時(shí),在教學(xué)中貫穿物理學(xué)史的講授,使教學(xué)邏輯線索連貫,幫助學(xué)生明晰問題背景,形成完整的物理知識(shí)結(jié)構(gòu).

具體而言,在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

2.1 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖情_展實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的首要前提.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的一般過程和基本原理,通過閱讀光電效應(yīng)的相關(guān)物理學(xué)史了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和背景,能夠基于演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考和猜想,探究光電效應(yīng)中電子發(fā)射情況與光照強(qiáng)度、光的顏色(頻率)等物理量之間的關(guān)系.

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置滲透了對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求,對(duì)光電效應(yīng)基本原理的了解能夠促使學(xué)生完善物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀和能量觀;對(duì)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的思考和猜想能夠提高學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力;了解科學(xué)家們探究歷程和科學(xué)精神能夠促使學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的不斷完善.

2.2 明晰實(shí)驗(yàn)原理

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基本原理是通過改變照射光的強(qiáng)弱、光的顏色,觀察光電效應(yīng)現(xiàn)象逸出的光電子的情況;利用電場(chǎng)對(duì)逸出的光電子進(jìn)行控制和測(cè)量;利用電路知識(shí)建立大小、方向可控的電場(chǎng).該實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)含了運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念以及控制變量的科學(xué)方法.

2.3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).通過對(duì)教材和課標(biāo)的研讀,光電效應(yīng)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)主要包括以下關(guān)鍵環(huán)節(jié):利用極板收集光電子;利用電流表測(cè)量光電子數(shù)量;利用分壓式電路建立大小、方向可控的電場(chǎng);利用正向電場(chǎng)聚攏逸出的光電子,促進(jìn)光電子的收集;利用反向電場(chǎng)阻礙電子到達(dá)收集板,從而得出光電子逸出的最大初動(dòng)能(最大初速度).

2.4 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,觀察記錄現(xiàn)象

光電效應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)需完成3個(gè)探究目標(biāo):第一,探究影響光電效應(yīng)中電子發(fā)射情況與照射光強(qiáng)弱、顏色(頻率)的關(guān)系;第二,探究在不同強(qiáng)弱的同種色光照射下,當(dāng)光電管兩端加上正向電壓時(shí),光電流隨正向電壓的變化關(guān)系;第三,探究不同頻率的光照射下,當(dāng)光電管兩端加上反向電壓時(shí),光電流隨反向電壓的變化關(guān)系.

2.4.1 探究實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)器材有:調(diào)擋手電、鐵架臺(tái)、光電管、濾光片、靈敏電流計(jì)、導(dǎo)線(如圖2),電路設(shè)計(jì)如圖3所示,實(shí)物連接如圖4、圖5所示,實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下.

圖2

圖3

圖5

(1) 探究光電管在不同色光照射下光電流情況,通過比較分析得出每種金屬存在截止頻率.觀察不同色光照射時(shí)指針偏轉(zhuǎn)情況,發(fā)現(xiàn)紅光由于頻率低沒能產(chǎn)生光電流,其他光都能產(chǎn)生光電流.進(jìn)而引出截止頻率概念.

(2) 改變同種色光和光電管的距離或手電筒擋位,探究光電流大小與照射光強(qiáng)度的關(guān)系.改變照射光強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)光電流大小與照射光強(qiáng)弱呈正相關(guān).

(3) 通過遮擋光源或開關(guān)光源研究光電效應(yīng)的瞬時(shí)性特點(diǎn).觀察白紙遮擋照射光前后指針位置變化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)光照射到光電管時(shí),光電流幾乎同時(shí)產(chǎn)生.進(jìn)而得到光電效應(yīng)的產(chǎn)生具有瞬時(shí)性特點(diǎn).

2.4.2 探究實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn)器材有:調(diào)擋手電、鐵架臺(tái)、光電管、濾光片、靈敏電流計(jì)、電壓表、開關(guān)、導(dǎo)線、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源,電路設(shè)計(jì)如圖6,實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下.

圖6

(1) 加正向電壓時(shí),電壓增大,光電流增大,最終都趨于一個(gè)最大值(飽和值),總結(jié)得出飽和光電流概念.進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同種色光照射光越強(qiáng),飽和光電流越大.

(2) 加反向電壓時(shí),隨著電壓增大,光電流逐漸減小,直至減為零.總結(jié)得出反向截止電壓概念.研究發(fā)現(xiàn)同種照射光,反向截止電壓大小相等,與光照強(qiáng)度無關(guān).不同照射光截止電壓不同.

總之,通過上述兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)(如圖7),學(xué)生小組合作,基于具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)推理和論證,充分理解截止頻率的內(nèi)涵,認(rèn)識(shí)光電流的大小與照射光強(qiáng)弱成正相關(guān)以及光電效應(yīng)瞬時(shí)性的特點(diǎn),在小組合作探究實(shí)驗(yàn)中提高學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)論證、解釋交流的科學(xué)探究能力,培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度.

圖7

2.5 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成實(shí)驗(yàn)探究后要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行充分的分析和討論.該實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:光電效應(yīng)存在截止頻率;正向電壓下存在飽和電流,不同光照強(qiáng)度下飽和電流不同,光強(qiáng)越大飽和電流越大;反向電壓下存在截止電壓,同種頻率光截止電壓相同,不同頻率光下截止電壓不同,照射光頻率越高截止電壓越大;光電效應(yīng)發(fā)生具有瞬時(shí)性.

本文在演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)中采取問題鏈的形式引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)的問題:

(1) 什么是光電效應(yīng)現(xiàn)象?

(2) 光電效應(yīng)的發(fā)生有什么條件?

(3) 為什么會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)條件?

(4) 金屬種類對(duì)光電效應(yīng)有無影響?

(5) 光對(duì)光電效應(yīng)有什么影響?

(6) 光電效應(yīng)電子為什么會(huì)逸出?

(7) 光電效應(yīng)電子逸出的速度和方向會(huì)如何?

探究實(shí)驗(yàn)1引發(fā)的問題:

(1) 為什么光電效應(yīng)存在截止頻率?

(2) 為什么光電效應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)?

(3) 為什么光電效應(yīng)能瞬間發(fā)生?

探究實(shí)驗(yàn)2引發(fā)的問題:

(1) 為什么要利用正向電壓研究光電效應(yīng)?

(2) 為什么光電效應(yīng)存在飽和電流?

(3) 光電效應(yīng)與光照強(qiáng)度有關(guān)有著怎樣的關(guān)系?

(4) 為什么要利用反向電壓研究光電效應(yīng)?

(5) 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在截止電壓意味著什么?

總之,在3個(gè)問題鏈的引導(dǎo)下,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析解釋,不斷提高科學(xué)推理能力;在交流和討論中認(rèn)識(shí)光具有粒子性,完善其物質(zhì)和能量觀念.

2.6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作中存在的缺陷和誤差

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可能的缺陷和誤差主要有:光電子的收集是否完全收集;不同金屬板實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否一致;是否有別的因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析,對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn),有助于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑和創(chuàng)新能力.

為了盡可能減少實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作中的誤差,本文利用自制光電效應(yīng)演示儀和傳感器(如圖8),繪制光電效應(yīng)光電流與電壓關(guān)系圖像,定量探究光電流和電壓的關(guān)系.

圖8

實(shí)驗(yàn)器材:自制光電效應(yīng)演示儀、電壓傳感器、電流放大器、電腦軟件.

實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如下:

(1) 探究在光的頻率不變的情況下,飽和電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系;

(2) 探究在光的頻率不變的情況下,截止電壓與入射光強(qiáng)的關(guān)系;

(3) 探究在光的頻率不同的情況下,截止電壓與入射光頻率的關(guān)系.

照射同一金屬,在光的頻率不變的情況下,入射光越強(qiáng),飽和電流越大(如圖9);一定頻率的光,無論光的強(qiáng)弱如何,截止電壓都是一樣的;入射光頻率越大,截止電壓越大(如圖10).

圖9

圖10

2.7 融入物理學(xué)史

物理學(xué)史是科學(xué)史的重要組成部分,展現(xiàn)了物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律過程中所進(jìn)行的思維活動(dòng)、所運(yùn)用的科學(xué)方法以及他們所具有的科學(xué)精神、所表現(xiàn)的科學(xué)道德.因此,將物理學(xué)史有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練和科學(xué)方法的習(xí)得,亦有助于促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí),從而落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

光電效應(yīng)現(xiàn)象最早是1887年由赫茲發(fā)現(xiàn)的,他在電磁波產(chǎn)生的研究實(shí)驗(yàn)中,意外發(fā)現(xiàn)接收電路的間隙在受到光照時(shí)更容易產(chǎn)生電火花.霍爾瓦克斯在雜志中讀到赫茲的發(fā)現(xiàn)后設(shè)計(jì)了更簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)這種效應(yīng)(如圖11),也就是人教版課本“問題導(dǎo)入”中的實(shí)驗(yàn)(如圖12).

圖11

圖12

到了1899年湯姆遜證實(shí)是紫外線使得電子從鋅板逸出,而不是強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致.1902年物理學(xué)家勒納德研究光照強(qiáng)度如何影響光電效應(yīng),并發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象存在截止頻率和遏止電壓.所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)(圖13)就是人教版課本所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)圖(圖14).

圖13

圖14

光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論用光的經(jīng)典波動(dòng)理論無法解釋,甚至存在矛盾.1905年愛因斯坦利用光學(xué)量子理論成功解釋了光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難,之后密立根和康普頓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都揭示了光的粒子性,此后科學(xué)家們意識(shí)到光的波粒二象性.從赫茲細(xì)心的發(fā)現(xiàn)到光電效應(yīng)的研究、分析和解釋,再到光的波粒二象性理論的建立,可以看出科學(xué)研究是許多科學(xué)家共同的結(jié)晶,離不開每一個(gè)科學(xué)家所具備的素養(yǎng).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的目的是探究光電效應(yīng)中電子發(fā)射情況與光照強(qiáng)度、光的顏色(頻率)等物理量之間的關(guān)系,但是其深層目的是想探究光電效應(yīng)背后蘊(yùn)含的物理知識(shí)規(guī)律和物理本質(zhì).學(xué)生在之前已經(jīng)學(xué)過電、電路、磁、光等相關(guān)的知識(shí),要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,如表2所示.

表2

學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)嘗試解釋后,才能意識(shí)到光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果存在種種疑點(diǎn),無法用經(jīng)典電磁理論解釋,就能引發(fā)學(xué)生的思考.在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行愛因斯坦的光電效應(yīng)理論的教學(xué),最終學(xué)生就能理解光的波粒二象性理論的探索過程及意義.而物理的發(fā)展就是在科學(xué)家們對(duì)這些“不起眼的細(xì)節(jié)”“不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)”的鍥而不舍中逐步發(fā)展起來的.

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先,定性演示實(shí)驗(yàn)和定量探究實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,由淺入深,層層遞進(jìn),不斷激發(fā)學(xué)生的探索欲望,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中融入核心素養(yǎng)培育;其次,本實(shí)驗(yàn)利用自制光電效應(yīng)演示儀和傳感器,定量地探究了飽和電流和截止電壓與光強(qiáng)和光頻率的關(guān)系,有效地將信息技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合.

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程是培育和發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段,所以實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不能為了急于求成而“偷工減料”,死記硬背雖然能夠讓學(xué)生應(yīng)付一些實(shí)驗(yàn)習(xí)題,但學(xué)生的核心素養(yǎng)卻難以獲得提升.實(shí)驗(yàn)教學(xué)要循序漸進(jìn),教學(xué)內(nèi)容要貫穿實(shí)驗(yàn)的全部環(huán)節(jié),要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中明晰做實(shí)驗(yàn)?zāi)康?思考實(shí)驗(yàn)該如何設(shè)計(jì),明白操作要注意哪些,觀察記錄實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象,看懂實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù).并能夠分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并據(jù)此得出結(jié)論.還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)誤差并嘗試提出降低誤差的改進(jìn)建議等.