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        自制教具 促進(jìn)教學(xué)*
        ——以“光電效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例

        2019-08-20 06:33:10施生晶吳健
        物理通報(bào) 2019年8期
        關(guān)鍵詞:光電效應(yīng)電表光子

        施生晶 吳健

        (三明市第二中學(xué) 福建 三明 365000 )

        1 問題的提出

        物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的重要方法.教師在教學(xué)過程中,常遇到實(shí)驗(yàn)室儀器陳舊、短缺,無法滿足教學(xué)內(nèi)容,需要對儀器進(jìn)行改進(jìn)提升,需要教師自力更生,研制一些教具,滿足課堂實(shí)驗(yàn)的需要,突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn),幫助學(xué)生掌握知識,提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,提高教學(xué)效率.

        2 自制教具 促進(jìn)教學(xué)

        問題1:如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“光電效應(yīng)”的興趣.

        實(shí)驗(yàn)1:感受光轉(zhuǎn)換電的實(shí)驗(yàn).

        實(shí)驗(yàn)器材:如圖1所示的J0401演示電表、光伏電池板、可調(diào)亮度的白熾燈、導(dǎo)線若干.

        圖1 J0401演示電表與光伏電池板

        教師演示:用導(dǎo)線把光伏電池板和電表連接,用白熾燈照射光伏電池板,再增大亮度.

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:如圖2所示,觀察到指針向右側(cè)偏轉(zhuǎn),隨著燈的亮度增加,指針偏轉(zhuǎn)角度變大.

        圖2 指針向右側(cè)偏轉(zhuǎn)

        實(shí)驗(yàn)效果:教師通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),把光轉(zhuǎn)換成電流的現(xiàn)象,呈現(xiàn)給學(xué)生,激發(fā)學(xué)生對光電效應(yīng)求知的欲望.

        問題2:若能測出光電流,對光電效應(yīng)的規(guī)律判斷會更直接、更可靠.

        實(shí)驗(yàn)2:探究光電效應(yīng)的規(guī)律.

        實(shí)驗(yàn)器材:如圖3(a)所示的J2517光電效應(yīng)演示器、銅網(wǎng)、鋅板、J0401演示電表(b圖)、可調(diào)亮度的白熾燈、紫外燈、若干導(dǎo)線.

        (a)演示器實(shí)物圖

        (b)J0401演示電表

        教師演示1:用導(dǎo)線把光電效應(yīng)演示器和電表連接,先用白熾燈照射鋅板;再增大燈的亮度;延長照射鋅板時間.

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:如圖4所示,在用白熾燈照射鋅板,觀察到指針停在“0”位置處,沒有偏轉(zhuǎn).

        圖4 實(shí)驗(yàn)過程中演示電表指針位置

        實(shí)驗(yàn)效果:學(xué)生通過觀察,鋅板在白熾燈照射下,雖然改變亮度和照射時間,但都沒有光電流產(chǎn)生.要發(fā)生光電效應(yīng)需要什么條件呢?通過實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的積極性,有利于促進(jìn)下一步課堂的教學(xué).

        教師演示2:把白熾燈改為紫外燈,先用1盞紫外燈照射鋅板,再用2盞紫外燈照射鋅板.

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:如圖5所示,用1盞紫外燈照射鋅板,電表指針向右偏轉(zhuǎn)1格.

        圖5 1盞紫外燈照射鋅板,電表指針向右偏轉(zhuǎn)1格

        如圖6所示,用2盞紫外燈照射,電表指針向右偏轉(zhuǎn)2格.

        圖6 2盞紫外燈照射,電表指針向右偏轉(zhuǎn)2格

        現(xiàn)象分析:因紫外光的頻率大于白熾燈產(chǎn)生光的頻率,紫外線能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng).用2盞紫外燈照射鋅板,增加光的強(qiáng)度,產(chǎn)生更大電流.

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:光電效應(yīng)的發(fā)生跟光的頻率有關(guān);發(fā)生光電效應(yīng)后,光電流跟光的強(qiáng)度有關(guān).

        實(shí)驗(yàn)效果:用儀器呈現(xiàn)電流大小,現(xiàn)象明顯,提高教學(xué)效果,有利于促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步探究光電效應(yīng)規(guī)律的熱情.

        問題3:如何理解愛因斯坦的光電效應(yīng)方程

        實(shí)驗(yàn)3:光子能量與重力勢能類比.

        實(shí)驗(yàn)器材:軌道模型,若干個相同玻璃球.

        模型說明:針對初學(xué)者,教師要抓住學(xué)生剛接觸光電效應(yīng)方程的認(rèn)識水平,從簡單入手,先考慮單光子的光電效應(yīng),隨著學(xué)習(xí)深入,再讓學(xué)生全面掌握發(fā)生光電效應(yīng)的原因.因此,本模型僅考慮電子吸收光子能量的問題,不討論光子與電子作用的其他問題.

        教師演示1:如圖7所示,教師把紫球1和 紅球2放在右側(cè)軌道不同高度處,把球1和球2放在左側(cè)軌道不同高度處.

        模型分析:理解光子能量、逸出功W0.

        (1)如圖7所示,右側(cè)軌道的球,離桌面越高,重力勢能越大;教師引導(dǎo)學(xué)生,用類比的方法分析出:頻率越大的光子具有的能量越大(如圖8所示的光子hν1).

        (2)左側(cè)軌道的球,要上升到越高的位置,克服重力做功越大(如圖7所示的球1);讓學(xué)生分析出:電子克服原子束縛需要的能量(逸出功W0),不同材料逸出功不同(如圖8所示的電子1和電子2).

        圖8 光電能量類比重力勢能

        實(shí)驗(yàn)效果:通過軌道模型類比,學(xué)生對抽象的光子能量和電子的逸出功有直觀的認(rèn)識.

        教師演示2:如圖9所示,教師把紫球放在右側(cè)軌道上,從低到高,不同位置處釋放紫球,讓紫球和黑球碰撞.

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:

        (1)如圖9所示,較低處釋放的紫球,碰撞后的黑球,不能離開左側(cè)軌道.

        (2)較高處釋放的紫球,碰撞后的黑球,可以離開左側(cè)軌道,離開軌道時還有一定的能量.

        模型分析:電子的初動能Ek.

        (1)如圖9所示,右側(cè)較低軌道的紫球,離桌面較低,重力勢能較小,兩球碰撞后,黑球獲得能量后,沿左側(cè)軌道上升;因具有能量不夠大,離不開軌道.如圖10所示,讓學(xué)生類比分析出:頻率較小的光子照射鋅板,電子吸收光子獲得能量小于電子的逸出功,不會發(fā)生光電效應(yīng).

        (2)如圖9所示,右側(cè)較高軌道的紫球,離桌面越高,重力勢能越大,兩球碰撞后,黑球獲得能量較大,沿左側(cè)軌道上升;因具有的能量較大,離開軌道時有一定的動能.如圖10所示,讓學(xué)生類比分析出:頻率較大的光子照射鋅板,電子吸收光子獲得的能量大于電子的逸出功(發(fā)生了光電效應(yīng)),逸出后的電子還有一定的能量(初動能).

        圖10 類比光電效應(yīng)中的逸出功

        實(shí)驗(yàn)效果:利用自制教具,通過模型進(jìn)行類比,學(xué)生很容易理解光電效應(yīng)方程中抽象的逸出功和電子的初動能

        這個創(chuàng)新教學(xué)的嘗試,助力學(xué)生高效掌握知識,很好達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果.

        3 實(shí)驗(yàn)反思

        實(shí)驗(yàn)探究是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分.新時代的物理教師要研究實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),教師要結(jié)合教學(xué)需求,進(jìn)行必要的教具制作.教具自制要考慮:取材方便,制作簡單,操作簡單,現(xiàn)象明顯,可信度高等,只有這樣,實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能達(dá)到理想效果,才能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

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