《光电效应》教学中的科学方法 论文

《光电效应》中的科学方法教育摘要：在《光电效应》的教学过程中，利用物理学史上鲜活的实例让学生深切地体会物理学家们是怎样运用科学方法取得物理成果，在教学过程中让学生体验实验法，观察法，利用数学方法和图像法处理数据。关键字：光电效应，科学方法。科学方法的发展历史是伴随着物理学发展的历史同步进行的，许多重要科学方法的创立都是伴随着在划时代的科学理论出现的。许多伟大的物理学家凭借广博的知识和他们在科学探索的过程中找到了正确合理的科学研究方方式发现物理规律，推动物理学的发展。物理学史能够丰富物理科学方法教育的内容。物理学史可以吸引学生对物理学习产生的兴致，更能够突出反映科学方法的创立和形成的过程。物理的史实和相关的资料适时的穿插在教学过程中，可以使学生置身于发现真理的过程之中，体会科学家从探索真理到发现真理的全过程，了解科学规律探索与发现的一般过程，充分激发学生利用科学方法去探索新的理论的激情。在物理学的发展过程中，创立了许多成功的方法，如建立理想模型，构思理想实验，这些近似抽象的方法在许多定律的发现过程中起到重要作用。其他方法还有观察和实验、归纳和演绎、分析和综合等等。利用物理学史上鲜活的实例让学生深切地体会物理学家们是怎样运用科学方法取得物理成果。比如探究自由落体运动规律时，介绍伽利略用假设法去驳斥亚里士多德“重的物体比轻的物体落得快”的观点；在研究物体运动与力的关系时，介绍伽利略的理想斜面实验；在研究电路中电流规律时，介绍欧姆把电流和水流进行类比的方法，总结出欧姆定律；在电磁感应现象中介绍法拉第从电生磁的现象中受到启发，用逆向思维发现磁生电。在了解对物理学史的过程中，学生经历了思维的训练，更获得科学方法的感悟。5.2.2教学实例：光的粒子性一、

光的粒子性的教材分析：本节的知识由光电效应的实验规律、经典物理解释光电效应遇到的困难、爱因斯坦的光子说和光电效应方程、康普顿效应以及光子的动量五部分组成。内容多，容量大，难度也大。但通过本节课的学习，学生对光子能有一个全面的认识。本节教学重点光电效应和康普顿效应，教学难点爱因斯坦用光量子思想去解释光电效应现象及其规律。二、本节课知识体系中蕴含的主要科学方法本节课的知识体系中蕴含科学方法主要有：观察法、实验探究法、图像法及逻辑推理等方法。在教师引导下，让学生观察光电效应现象及光电效应的规律，让学生应经历科学探究光电效应规律的全过程，通过观察和记录，分析与归纳，总结光电效应的规律，学生的分析、综合能力以及探索能力和合作精神都有所提高。再体会爱因斯坦的光量子理论和科学家们探究康普顿效应的过程，引导学生像科学家们那样，不墨守成规，勤于思考，勇于批判创新。三、教学设计1、回顾历史，展示情景回顾人类对光的本性的认识的发展过程。托马斯杨的干涉实验证实光是一种波，光的偏振实验证实光是一种横波，麦克斯韦从经典的电磁理论出发，证实光和无线电波一样，是一种电磁波，赫兹在实验上验证了麦克斯韦的观点。当物理学家们正在为发现光的波动本性而激动不已时，出人意料的发现了光电效应现象，而这一现象用光的波动理论根本无法解释。实验演示：用弧光灯去照射擦得很亮的锌板，验电器的张角张开。再用带负电玻璃棒（与丝绸摩擦）去接近锌板，观察到指针的张角变大。这说明在弧光灯的照射下电子从锌板表面逃逸出来，锌板则带上正电。这就是光电效应现象：在光的照射下，电子从金属表面逃逸出来的现象。这现象最初是由赫兹在1887年意外发现的。霍尔瓦克斯在1888年发现带负电荷的铁板在受到紫外线照射的时侯会失去电荷，而带正电荷的锌板却不会失去电荷。俄国学者期托列托夫对光电效应现象进行了研究，发现光电流的大小与入射光的强度成正比；当入射光的频率低于某一临界极限频率时，无论光强如何，都不会有光电流产生；光电流是在辐射开始时立刻产生的，不需要时间的积累。1889年勒纳德通过实验证明光电效应中产生的粒子就是电子，并称它为“光电子”。同时，他用加反向电压的办法测量出光电子离开金属极板时的最大速度，找到了光电效应的一个基本规律：光电子的最大初动能与光强无关。[1][1]李坚增.近代物理教程[M].北京:北京师范大学出版社，1997:65－72.回顾物理学的发展历史让学生了解物理学家对光电效应现象及规律的认识过程，体会科学家们在实验中一丝不苟，观察细微的科学态度，更体会科学家在发现物理规律过程中所使用的科学方法，如：勒纳德利用转化测量法将不易测量的最大初动能转化为与之对应的反向电压。光电效应的实验规律总结如下：①光照条件不变，增加正向电压，光电流逐渐增大趋于某一定值即饱和光电流。饱和光电流的大小正比于入射光的强度。②当光电管两极间加反向电压，光电子离开阴极后将受到反向电场阻碍作用，光电子需要克服电场力做功，光电流恰好为0时的电压称遏止电压。遏制电压只与入射光的频率有关。③不同的金属材料有不同的截止频率。只要入射光的频率大于这种金属的截止频率，电子就能从金属表面逃逸出来；如果入射光频率小于这种金属的截止频率，不管光有多强，金属表面都不会有电子逃逸出来。④从光开始照射到金属表面到光电子从金属表面逃逸出来所需时间不超过10-9秒。光电效的发生具有瞬时性。2、分析现象，提出问题根据麦克斯韦的经典电磁理论，入射光越强，入射光的电场强度就越大，金属中自由电子受到的电场力就越大，光电子逃逸出的最大初动能也应该越大。光电子的最大初动与入射光的频率无关，应该是随着入射光强度的增大而增大。光电效应实验规律表明：只要入射光频率高于极限频率，光再微弱也有光电子逃逸出来；如果入射光频率低于极限频率时，光强再大也没有光电子逃逸出来。按照经典电磁理论，只要光照射足够长的时间，都应该发生光电效应，不应该存在什么截止频率。光电效应具有瞬时性的特点。而经典的电磁理论认为光的能量分布在波面上，吸收能量要一定的时间，不会在光照瞬间发生。经典的电磁理论无法解释光电效应的实验规律。3、提出新观念，解决问题爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出光子说，完美的解释光电效应现象及其规律。（1）爱因斯坦的光子说光在空间传播时就是以能量子的形式出现的。光是由大量能量子即光子所组成的粒子流，在光的传播方向上这些光子沿以光速在运动。（2）爱因斯坦的光电效应方程在光电效应中光子的能量被金属中的电子吸收，吸收的能量一部分在电子逃逸过程中用来克服逸出功，剩下的变为光电子的初动能。表达式为：Ekm=hv-W0（3）爱因斯坦对光电效应规律的解释①入射光的强度大，入射光子的数目多，逃逸出来的光电子多，光电流大。②电子从金属表面逃逸出来只需要吸收一个光子，不需时间的累积。③根据光电效应方程可以知道逃逸出来的光电子最大初动能和入射光的强大无关，只与入射光频率有关，而且与入射光的频率成线性关系。④当入射光的频率小于极限频率时，电子不能逃逸出来。[1][1]课程教材研究所．普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5教师教学用书[M]．北京：人民教育出版社，2010：78．虽然爱因斯坦的光子说完美地解释了光电效应现象及其规律，因为爱因斯坦的理论违背了经典的光的电磁理论，所以当时的大部分物理学家都没有接受爱因斯坦的理论。4、光电效应理论的验证美国实验物理学家密立根，经过十年的努力，终于在1915年用实验测出普朗克常量，实验结果与理论值完全一致，这就证实了爱因斯坦光电效应方程的准确性，也为光量子理论提供了实验支持。通过例题的教学，让学生理解密立根实验的科学方法，引导学生体会密立根处理实验数据所用的数学方法。[1][1]魏凤文，申先甲.20世纪物理学史[M].南昌:江西教育出版社，1994:444一460.5、康普顿效应物理学家们在研究X射线的散射实验中，发现散射光中有波长变大的射线，经典的电磁理论又遇到了困难。康普顿受到爱因斯坦光量子理论的启发，大胆推理，提出光子不仅具有能量还具有动量。X射线的散射实验中，光子与电子碰撞后，光子动量变小，波长变大。类比与实物粒子，光子既具有能量，也具有动量，光也是一种物质。四、教学设计说明本节课在处理光电效应和康普顿效应时，都使用经典理论预先探究实验结论，然后对照实验结果，产生巨大反差，再结合当时物理学背景，以此来激发学生探究和解决问题的强烈欲望。这种方法比较符合高中生认知的心理特点，学生很容易接受，而且让学