关于光电效应实验的一点做法及实践

关于光电效应实验的一点做法及实践

很多教师在讲授高中《选修3-5》“ 17.2 科学的转折：光的粒子性”这节课时，发现对于光电效应演示实验，按照课本介绍的方法去做，实验不易成功。究其原因，学校实验室一般没有弧光灯，用普通的紫外线灯照射进行实验，效果很差。

视频中来自重庆七中的卿昭才老师对这个演示实验做了改进：就是用一根铜丝网与那个验电器的铝杆接在一起，和锌板就形成一个电容器，然后用起电器给铜板起电，使其带上正电，让紫外线照射锌板，会发现它的张角会变得更大，这样就明显一些。

我在学习这节课时，也曾经做了一个很小的改进，改进的办法是在紫外光源和锌板之间放置一带正电的有机玻璃棒帮助光电子的逃逸，使实验效果明显起来。如果实验室有条件的话，在锌板两侧，放上一对金属平行板电容器，使其和一个高压电源(实验室用的J1250直流高压电源)相连接，让金属板A带正电如图所示。演示效果特别明显。

本实验用高压电源时要特别注意安全，实验结束后应该先关闭高压电源，将A、B板用导线连接进行放电，以免造成触电事故。

国外光电效应的模拟实验

l 引言

光电效应的演示实验是高中物理实验的一个难点，因为这个实验对装置的要求较高，若验电器的灵敏度不够，弧光灯阴阳两极的碳棒损坏等，均会影响实验效果.另外

学生不熟悉量子现象，对光电效应会感到困惑和不解.因此，如何将抽象的物理内容形象化、具体化，让学生更好地理解光电效应的本质，是一个需要研究的问题.

2 实验的内容

2.1 实验材料和装置

直径为2 cm 的钢球若干，凹型滑道(滑道的横截面为U型或︺型均可)，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫记号笔或相应的颜色标记.

2.2 实验过程

1)将凹槽滑道弯成如图1所示的形状(滑轨两侧倾角不作具体要求，依实验仪器而定)，在滑道4cm高度处，用红笔标上记号；

2)在高14cm处，用紫色笔标上记号，依次在轨道上记下其他颜色；

3)将2个钢球放在最低点，代表原子中的价电子；

4)将1个钢球放在滑道上的红色标记处，它代表对应的红光光子，在7种色彩所代表的光子中能量最低；

5)释放1个“光子”，看“电子”是否会跃出“原子”外，也就是观察钢球是否会滑出轨道外；

6)实验后，将代表光子的钢球拿出轨道外；

7)改变“光子”的起始位置进行重复模拟实验；

8)实验中始终要在最低点保持2个“电子”并将观察的现象记录下来.

2.3 实验记录与数据

请学生记录“光子”从哪个颜色标记开始释放可以移动“电子”，1个“光子”是否可以移动1个甚至更多的“电子”.如果可以，请记录这个光子的颜色，请从能量的角度出发分析观察得到的结果.

3 实验设计的依据

在物理学习的过程中，要让学生形成正确的物理概念和理解物理规律，首先必须使学生建立一定的感性认识.这种感性认识可以来自生活环境，也可以来自实验提供的现象和事实.通常，从生活中得到的感性材料多来自复杂的运动形态，往往本质、非本质的因素交融在一起.因此，仅通过这种途径来使学生建立概念和认识规律有时会遇到很大的困难，运用实验则可以提供精心选择的、简化和纯化的素材，它能够使学生对物理事实获得明确、具体的认识.本文介绍的光电效应的模拟实验正是这样一个精心设计的、简化的典型案例.

由于光电效应遵循能量、动量守恒定律，所以它与弹性碰撞的过程具有相似性和可比性，基于此设计的模拟实验可以定性的得出有关5个光电效应的规律.为此分析如下：

1)光具有粒子性，能量是一份一份的，用钢球来代表光子，本身就很好的说明了这一点.

2)任何金属都有截止频率，入射光的频率必须大于这个截止频率，才会发生光电效应，否则，即使增加光强(增加光子的个数)也无济于事.经过实验前的调整，2cm高度的斜坡，代表低能色光(红、黄)中的光子的1个钢球无法将代表电子的钢球撞出滑道外，即便用2个同色光(同样高度)的钢球去撞击2个“电子”，2个“电子”均移动，但都不能飞离原子.

3)电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大.很明显，代表高能色光光子的钢球具有更高的势能，因此撞击的钢球(电子)拥有更大的动能.

4)每种金属都有特定的逸出功，因此设计2 cm高度的斜坡来表示逸出功，对于不同的金属，只需要象征性的调整斜坡的高度即可.

5)光电效应具有瞬时性.从“光子”撞击“电子”，到“电子”飞出滑道所需要的时间相对较短.

4 实验要点

该实验的设计着重于学生测量、观察、猜测、推理、建模、联系等思维方法和基本技巧的训练，但还应注意以下几点.

1)在学生初步了解光电效应的前提下，给学生提出问题：使用钢球模拟光电效应好不好?经过充分的讨论，提出设计模型，并让学生在实验过程中思考该模型的局限性.

2)在总结实验数据初期，先让学生用1个“光子”进行实验，应该得到：低能量的“光子”不能移动“电子”；高能色光中每个“光子”都可以将“电子”推出原子之外；1个光子仅能移动1个“电子”.

3)在学生采用1个“光子”进行实验后，启发学生预测：如果2个红色光的“光子”同时击中“电子”会有何种现象?部分学生会预测2个红“光子”会有足够的能量移动1个“电子”，实际上这是不对的，依据弹性碰撞原理，2个相同的钢球以同样的动量撞击2个静止的钢球，因为动量交换，后2个钢球将以同样的动量飞出去，这如同牛顿摇篮一样.预测后让学生实验并描述实验现象，及时解决学生理解的误区，易于给学生留下深刻的印象.(注：牛顿摇篮实验指质量和大小完全相同的、悬挂在同一高度的多个小球，如果给最左边上的小球一定的动量，由于对心碰撞，将会发生动量传递，左边的小球静止，右边的小球得到同样的动量.如果摩擦忽略不计，小球将一直持续来回摆动.)

4)为了让学生更好的理解模型，可以提出这样的问题：一些材料中价电子被束缚的更紧，你如何修改模型来显示这样的结果?这可以激发学生的参与热情，提高学生探究的主动性，针对这一问题，会有种种修改方案，如将短的一侧导轨变长或变陡等来提高“电子”的逸出功.

5)在一系列实验后，为了确认学生对光电效应的理解，可以提出以下问题：将你对实验的归纳总结与光电效应的规律相比，有哪些相同之处和不同之处?在这个模型中，如果导轨上光子势能太小，能量将会转化为价电子的热能，将此与实际的光电效应作个比较.这个模型的结果也与真实实验一致，低能光子被目标吸收，提高了金属的温度.

6)实验结束后，将光电效应的结论扩展应用到实际生活中，可以提出这样的问题：摄影师经常在暗室使用红灯，请解释他们为什么不用蓝灯?经过这一系列的实验，学生不难想到摄影师选用红灯是因为红色光子能量较低，不足以引发胶卷的化学变化，蓝灯能量较高，会影响胶卷的冲印.这让学生洋溢着发现者的自豪感，体验到成功的喜悦.

当然，该模型还存在一定的局限性，恰好这一点可以说明物理模型不是封闭的模型，而是开放的模型，需要科学家通过研究、发现来不断地完善.教学中也可以让学生积极参与分析和思考，这正是物理实验设计的根本宗旨.

5 结束语

优化物理实验教学，特别是优化学生日常生活中难以见到的或者是与学生的经验相抵触的现象和过程，可以使学生获得丰富的感性知识，形成鲜明的表象，为学生建立正