《光電效應》中的科學方法教育摘要：在《光電效應》的教學過程中，利用物理學史上鮮活的實例讓學生深切地體會物理學家們是怎樣運用科學方法取得物理成果，在教學過程中讓學生體驗實驗法，觀察法，利用數(shù)學方法和圖像法處理數(shù)據(jù)。關鍵字：光電效應，科學方法。科學方法的發(fā)展歷史是伴隨著物理學發(fā)展的歷史同步進行的，許多重要科學方法的創(chuàng)立都是伴隨著在劃時代的科學理論出現(xiàn)的。許多偉大的物理學家憑借廣博的知識和他們在科學探索的過程中找到了正確合理的科學研究方方式發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，推動物理學的發(fā)展。物理學史能夠豐富物理科學方法教育的內容。物理學史可以吸引學生對物理學習產(chǎn)生的興致，更能夠突出反映科學方法的創(chuàng)立和形成的過程。物理的史實和相關的資料適時的穿插在教學過程中，可以使學生置身于發(fā)現(xiàn)真理的過程之中，體會科學家從探索真理到發(fā)現(xiàn)真理的全過程，了解科學規(guī)律探索與發(fā)現(xiàn)的一般過程，充分激發(fā)學生利用科學方法去探索新的理論的激情。在物理學的發(fā)展過程中，創(chuàng)立了許多成功的方法，如建立理想模型，構思理想實驗，這些近似抽象的方法在許多定律的發(fā)現(xiàn)過程中起到重要作用。其他方法還有觀察和實驗、歸納和演繹、分析和綜合等等。利用物理學史上鮮活的實例讓學生深切地體會物理學家們是怎樣運用科學方法取得物理成果。比如探究自由落體運動規(guī)律時，介紹伽利略用假設法去駁斥亞里士多德“重的物體比輕的物體落得快”的觀點；在研究物體運動與力的關系時，介紹伽利略的理想斜面實驗；在研究電路中電流規(guī)律時，介紹歐姆把電流和水流進行類比的方法，總結出歐姆定律；在電磁感應現(xiàn)象中介紹法拉第從電生磁的現(xiàn)象中受到啟發(fā)，用逆向思維發(fā)現(xiàn)磁生電。在了解對物理學史的過程中，學生經(jīng)歷了思維的訓練，更獲得科學方法的感悟。5.2.2教學實例：光的粒子性一、

光的粒子性的教材分析：本節(jié)的知識由光電效應的實驗規(guī)律、經(jīng)典物理解釋光電效應遇到的困難、愛因斯坦的光子說和光電效應方程、康普頓效應以及光子的動量五部分組成。內容多，容量大，難度也大。但通過本節(jié)課的學習，學生對光子能有一個全面的認識。本節(jié)教學重點光電效應和康普頓效應，教學難點愛因斯坦用光量子思想去解釋光電效應現(xiàn)象及其規(guī)律。二、本節(jié)課知識體系中蘊含的主要科學方法本節(jié)課的知識體系中蘊含科學方法主要有：觀察法、實驗探究法、圖像法及邏輯推理等方法。在教師引導下，讓學生觀察光電效應現(xiàn)象及光電效應的規(guī)律，讓學生應經(jīng)歷科學探究光電效應規(guī)律的全過程，通過觀察和記錄，分析與歸納，總結光電效應的規(guī)律，學生的分析、綜合能力以及探索能力和合作精神都有所提高。再體會愛因斯坦的光量子理論和科學家們探究康普頓效應的過程，引導學生像科學家們那樣，不墨守成規(guī)，勤于思考，勇于批判創(chuàng)新。三、教學設計1、回顧歷史，展示情景回顧人類對光的本性的認識的發(fā)展過程。托馬斯楊的干涉實驗證實光是一種波，光的偏振實驗證實光是一種橫波，麥克斯韋從經(jīng)典的電磁理論出發(fā)，證實光和無線電波一樣，是一種電磁波，赫茲在實驗上驗證了麥克斯韋的觀點。當物理學家們正在為發(fā)現(xiàn)光的波動本性而激動不已時，出人意料的發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象用光的波動理論根本無法解釋。實驗演示：用弧光燈去照射擦得很亮的鋅板，驗電器的張角張開。再用帶負電玻璃棒（與絲綢摩擦）去接近鋅板，觀察到指針的張角變大。這說明在弧光燈的照射下電子從鋅板表面逃逸出來，鋅板則帶上正電。這就是光電效應現(xiàn)象：在光的照射下，電子從金屬表面逃逸出來的現(xiàn)象。這現(xiàn)象最初是由赫茲在1887年意外發(fā)現(xiàn)的。霍爾瓦克斯在1888年發(fā)現(xiàn)帶負電荷的鐵板在受到紫外線照射的時侯會失去電荷，而帶正電荷的鋅板卻不會失去電荷。俄國學者期托列托夫對光電效應現(xiàn)象進行了研究，發(fā)現(xiàn)光電流的大小與入射光的強度成正比；當入射光的頻率低于某一臨界極限頻率時，無論光強如何，都不會有光電流產(chǎn)生；光電流是在輻射開始時立刻產(chǎn)生的，不需要時間的積累。1889年勒納德通過實驗證明光電效應中產(chǎn)生的粒子就是電子，并稱它為“光電子”。同時，他用加反向電壓的辦法測量出光電子離開金屬極板時的最大速度，找到了光電效應的一個基本規(guī)律：光電子的最大初動能與光強無關。[1][1]李堅增.近代物理教程[M].北京:北京師范大學出版社，1997:65－72.回顧物理學的發(fā)展歷史讓學生了解物理學家對光電效應現(xiàn)象及規(guī)律的認識過程，體會科學家們在實驗中一絲不茍，觀察細微的科學態(tài)度，更體會科學家在發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律過程中所使用的科學方法，如：勒納德利用轉化測量法將不易測量的最大初動能轉化為與之對應的反向電壓。光電效應的實驗規(guī)律總結如下：①光照條件不變，增加正向電壓，光電流逐漸增大趨于某一定值即飽和光電流。飽和光電流的大小正比于入射光的強度。②當光電管兩極間加反向電壓，光電子離開陰極后將受到反向電場阻礙作用，光電子需要克服電場力做功，光電流恰好為0時的電壓稱遏止電壓。遏制電壓只與入射光的頻率有關。③不同的金屬材料有不同的截止頻率。只要入射光的頻率大于這種金屬的截止頻率，電子就能從金屬表面逃逸出來；如果入射光頻率小于這種金屬的截止頻率，不管光有多強，金屬表面都不會有電子逃逸出來。④從光開始照射到金屬表面到光電子從金屬表面逃逸出來所需時間不超過10-9秒。光電效的發(fā)生具有瞬時性。2、分析現(xiàn)象，提出問題根據(jù)麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論，入射光越強，入射光的電場強度就越大，金屬中自由電子受到的電場力就越大，光電子逃逸出的最大初動能也應該越大。光電子的最大初動與入射光的頻率無關，應該是隨著入射光強度的增大而增大。光電效應實驗規(guī)律表明：只要入射光頻率高于極限頻率，光再微弱也有光電子逃逸出來；如果入射光頻率低于極限頻率時，光強再大也沒有光電子逃逸出來。按照經(jīng)典電磁理論，只要光照射足夠長的時間，都應該發(fā)生光電效應，不應該存在什么截止頻率。光電效應具有瞬時性的特點。而經(jīng)典的電磁理論認為光的能量分布在波面上，吸收能量要一定的時間，不會在光照瞬間發(fā)生。經(jīng)典的電磁理論無法解釋光電效應的實驗規(guī)律。3、提出新觀念，解決問題愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎上提出光子說，完美的解釋光電效應現(xiàn)象及其規(guī)律。（1）愛因斯坦的光子說光在空間傳播時就是以能量子的形式出現(xiàn)的。光是由大量能量子即光子所組成的粒子流，在光的傳播方向上這些光子沿以光速在運動。（2）愛因斯坦的光電效應方程在光電效應中光子的能量被金屬中的電子吸收，吸收的能量一部分在電子逃逸過程中用來克服逸出功，剩下的變?yōu)楣怆娮拥某鮿幽堋１磉_式為：Ekm=hv-W0（3）愛因斯坦對光電效應規(guī)律的解釋①入射光的強度大，入射光子的數(shù)目多，逃逸出來的光電子多，光電流大。②電子從金屬表面逃逸出來只需要吸收一個光子，不需時間的累積。③根據(jù)光電效應方程可以知道逃逸出來的光電子最大初動能和入射光的強大無關，只與入射光頻率有關，而且與入射光的頻率成線性關系。④當入射光的頻率小于極限頻率時，電子不能逃逸出來。[1][1]課程教材研究所．普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-5教師教學用書[M]．北京：人民教育出版社，2010：78．雖然愛因斯坦的光子說完美地解釋了光電效應現(xiàn)象及其規(guī)律，因為愛因斯坦的理論違背了經(jīng)典的光的電磁理論，所以當時的大部分物理學家都沒有接受愛因斯坦的理論。4、光電效應理論的驗證美國實驗物理學家密立根，經(jīng)過十年的努力，終于在1915年用實驗測出普朗克常量，實驗結果與理論值完全一致，這就證實了愛因斯坦光電效應方程的準確性，也為光量子理論提供了實驗支持。通過例題的教學，讓學生理解密立根實驗的科學方法，引導學生體會密立根處理實驗數(shù)據(jù)所用的數(shù)學方法。[1][1]魏鳳文，申先甲.20世紀物理學史[M].南昌:江西教育出版社，1994:444一460.5、康普頓效應物理學家們在研究X射線的散射實驗中，發(fā)現(xiàn)散射光中有波長變大的射線，經(jīng)典的電磁理論又遇到了困難。康普頓受到愛因斯坦光量子理論的啟發(fā)，大膽推理，提出光子不僅具有能量還具有動量。X射線的散射實驗中，光子與電子碰撞后，光子動量變小，波長變大。類比與實物粒子，光子既具有能量，也具有動量，光也是一種物質。四、教學設計說明本節(jié)課在處理光電效應和康普頓效應時，都使用經(jīng)典理論預先探究實驗結論，然后對照實驗結果，產(chǎn)生巨大反差，再結合當時物理學背景，以此來激發(fā)學生探究和解決問題的強烈欲望。這種方法比較符合高中生認知的心理特點，學生很容易接受，而且讓學