關(guān)于光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)做法及實(shí)踐

1、關(guān)于光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)做法及實(shí)踐很多教師在講授高中選修3-5“ 17.2 科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性”這節(jié)課時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，按照課本介紹的方法去做，實(shí)驗(yàn)不易成功。究其原因，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室一般沒有弧光燈，用普通的紫外線燈照射進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，效果很差。視頻中來自重慶七中的卿昭才老師對(duì)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)：就是用一根銅絲網(wǎng)與那個(gè)驗(yàn)電器的鋁桿接在一起，和鋅板就形成一個(gè)電容器，然后用起電器給銅板起電，使其帶上正電，讓紫外線照射鋅板，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的張角會(huì)變得更大，這樣就明顯一些。我在學(xué)習(xí)這節(jié)課時(shí)，也曾經(jīng)做了一個(gè)很小的改進(jìn)，改進(jìn)的辦法是在紫外光源和鋅板之間放置一帶正電的有機(jī)玻璃棒幫助光電子的逃逸，使實(shí)驗(yàn)效果明顯

2、起來。如果實(shí)驗(yàn)室有條件的話，在鋅板兩側(cè)，放上一對(duì)金屬平行板電容器，使其和一個(gè)高壓電源(實(shí)驗(yàn)室用的J1250直流高壓電源)相連接，讓金屬板A帶正電如圖所示。演示效果特別明顯。本實(shí)驗(yàn)用高壓電源時(shí)要特別注意安全，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)該先關(guān)閉高壓電源，將A、B板用導(dǎo)線連接進(jìn)行放電，以免造成觸電事故。國外光電效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)l 引 言光電效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)是高中物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)裝置的要求較高，若驗(yàn)電器的靈敏度不夠，弧光燈陰陽兩極的碳棒損壞等，均會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果.另外學(xué)生不熟悉量子現(xiàn)象，對(duì)光電效應(yīng)會(huì)感到困惑和不解.因此，如何將抽象的物理內(nèi)容形象化、具體化，讓學(xué)生更好地理解光電效應(yīng)的本質(zhì)，是一個(gè)需要研究的

3、問題.2 實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容 2.1 實(shí)驗(yàn)材料和裝置直徑為2 cm 的鋼球若干，凹型滑道(滑道的橫截面為U型或型均可)，紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫記號(hào)筆或相應(yīng)的顏色標(biāo)記.2.2 實(shí)驗(yàn)過程1)將凹槽滑道彎成如圖1所示的形狀(滑軌兩側(cè)傾角不作具體要求，依實(shí)驗(yàn)儀器而定)，在滑道4cm高度處，用紅筆標(biāo)上記號(hào)；2)在高14cm處，用紫色筆標(biāo)上記號(hào)，依次在軌道上記下其他顏色；3)將2個(gè)鋼球放在最低點(diǎn)，代表原子中的價(jià)電子；4)將1個(gè)鋼球放在滑道上的紅色標(biāo)記處，它代表對(duì)應(yīng)的紅光光子，在7種色彩所代表的光子中能量最低；5)釋放1個(gè)“光子”，看“電子”是否會(huì)躍出“原子”外，也就是觀察鋼球是否會(huì)滑出軌道外；6)實(shí)驗(yàn)后，將代

4、表光子的鋼球拿出軌道外；7)改變“光子”的起始位置進(jìn)行重復(fù)模擬實(shí)驗(yàn)；8)實(shí)驗(yàn)中始終要在最低點(diǎn)保持2個(gè)“電子”并將觀察的現(xiàn)象記錄下來.2.3 實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)請(qǐng)學(xué)生記錄“光子”從哪個(gè)顏色標(biāo)記開始釋放可以移動(dòng)“電子”，1個(gè)“光子”是否可以移動(dòng)1個(gè)甚至更多的“電子”.如果可以，請(qǐng)記錄這個(gè)光子的顏色，請(qǐng)從能量的角度出發(fā)分析觀察得到的結(jié)果.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)在物理學(xué)習(xí)的過程中，要讓學(xué)生形成正確的物理概念和理解物理規(guī)律，首先必須使學(xué)生建立一定的感性認(rèn)識(shí).這種感性認(rèn)識(shí)可以來自生活環(huán)境，也可以來自實(shí)驗(yàn)提供的現(xiàn)象和事實(shí).通常，從生活中得到的感性材料多來自復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，往往本質(zhì)、非本質(zhì)的因素交融在一起.因此，僅通

5、過這種途徑來使學(xué)生建立概念和認(rèn)識(shí)規(guī)律有時(shí)會(huì)遇到很大的困難，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)則可以提供精心選擇的、簡(jiǎn)化和純化的素材，它能夠使學(xué)生對(duì)物理事實(shí)獲得明確、具體的認(rèn)識(shí).本文介紹的光電效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)正是這樣一個(gè)精心設(shè)計(jì)的、簡(jiǎn)化的典型案例.由于光電效應(yīng)遵循能量、動(dòng)量守恒定律，所以它與彈性碰撞的過程具有相似性和可比性，基于此設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)可以定性的得出有關(guān)5個(gè)光電效應(yīng)的規(guī)律.為此分析如下：1)光具有粒子性，能量是一份一份的，用鋼球來代表光子，本身就很好的說明了這一點(diǎn).2)任何金屬都有截止頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)截止頻率，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，否則，即使增加光強(qiáng)(增加光子的個(gè)數(shù))也無濟(jì)于事.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)前的調(diào)整，2cm高

6、度的斜坡，代表低能色光(紅、黃)中的光子的1個(gè)鋼球無法將代表電子的鋼球撞出滑道外，即便用2個(gè)同色光(同樣高度)的鋼球去撞擊2個(gè)“電子”，2個(gè)“電子”均移動(dòng)，但都不能飛離原子.3)電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光的頻率的增大而增大.很明顯，代表高能色光光子的鋼球具有更高的勢(shì)能，因此撞擊的鋼球(電子)擁有更大的動(dòng)能.4)每種金屬都有特定的逸出功，因此設(shè)計(jì)2 cm高度的斜坡來表示逸出功，對(duì)于不同的金屬，只需要象征性的調(diào)整斜坡的高度即可.5)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性.從“光子”撞擊“電子”，到“電子”飛出滑道所需要的時(shí)間相對(duì)較短.4 實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)著重于學(xué)生測(cè)量、觀察、猜測(cè)、推理、建模、

7、聯(lián)系等思維方法和基本技巧的訓(xùn)練，但還應(yīng)注意以下幾點(diǎn).1)在學(xué)生初步了解光電效應(yīng)的前提下，給學(xué)生提出問題：使用鋼球模擬光電效應(yīng)好不好?經(jīng)過充分的討論，提出設(shè)計(jì)模型，并讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中思考該模型的局限性.2)在總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初期，先讓學(xué)生用1個(gè)“光子”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該得到：低能量的“光子”不能移動(dòng)“電子”；高能色光中每個(gè)“光子”都可以將“電子”推出原子之外；1個(gè)光子僅能移動(dòng)1個(gè)“電子”.3)在學(xué)生采用1個(gè)“光子”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，啟發(fā)學(xué)生預(yù)測(cè)：如果2個(gè)紅色光的“光子”同時(shí)擊中“電子”會(huì)有何種現(xiàn)象?部分學(xué)生會(huì)預(yù)測(cè)2個(gè)紅“光子”會(huì)有足夠的能量移動(dòng)1個(gè)“電子”，實(shí)際上這是不對(duì)的，依據(jù)彈性碰撞原理，2個(gè)相同的鋼球

8、以同樣的動(dòng)量撞擊2個(gè)靜止的鋼球，因?yàn)閯?dòng)量交換，后2個(gè)鋼球?qū)⒁酝瑯拥膭?dòng)量飛出去，這如同牛頓搖籃一樣.預(yù)測(cè)后讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及時(shí)解決學(xué)生理解的誤區(qū)，易于給學(xué)生留下深刻的印象.(注：牛頓搖籃實(shí)驗(yàn)指質(zhì)量和大小完全相同的、懸掛在同一高度的多個(gè)小球，如果給最左邊上的小球一定的動(dòng)量，由于對(duì)心碰撞，將會(huì)發(fā)生動(dòng)量傳遞，左邊的小球靜止，右邊的小球得到同樣的動(dòng)量.如果摩擦忽略不計(jì)，小球?qū)⒁恢背掷m(xù)來回?cái)[動(dòng).)4)為了讓學(xué)生更好的理解模型，可以提出這樣的問題：一些材料中價(jià)電子被束縛的更緊，你如何修改模型來顯示這樣的結(jié)果?這可以激發(fā)學(xué)生的參與熱情，提高學(xué)生探究的主動(dòng)性，針對(duì)這一問題，會(huì)有種種修改方案，如將短的一

9、側(cè)導(dǎo)軌變長(zhǎng)或變陡等來提高“電子”的逸出功.5)在一系列實(shí)驗(yàn)后，為了確認(rèn)學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的理解，可以提出以下問題：將你對(duì)實(shí)驗(yàn)的歸納總結(jié)與光電效應(yīng)的規(guī)律相比，有哪些相同之處和不同之處?在這個(gè)模型中，如果導(dǎo)軌上光子勢(shì)能太小，能量將會(huì)轉(zhuǎn)化為價(jià)電子的熱能，將此與實(shí)際的光電效應(yīng)作個(gè)比較.這個(gè)模型的結(jié)果也與真實(shí)實(shí)驗(yàn)一致，低能光子被目標(biāo)吸收，提高了金屬的溫度.6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將光電效應(yīng)的結(jié)論擴(kuò)展應(yīng)用到實(shí)際生活中，可以提出這樣的問題：攝影師經(jīng)常在暗室使用紅燈，請(qǐng)解釋他們?yōu)槭裁床挥盟{(lán)燈?經(jīng)過這一系列的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不難想到攝影師選用紅燈是因?yàn)榧t色光子能量較低，不足以引發(fā)膠卷的化學(xué)變化，藍(lán)燈能量較高，會(huì)影響膠卷的沖印.這讓學(xué)生洋溢著發(fā)現(xiàn)者的自豪感，體驗(yàn)到成功的喜悅.當(dāng)然，該模型還存在一定的局限性，恰好這一點(diǎn)可以說明物理模型不是封閉的模型，而是開放的模型，需