人教版高中物理选择性必修三第4章第二节为“光电效应”，新课标对其的具体要求是：通过实验，了解光电效应现象，知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，能根据实验结论说明光的波粒二象性
［1］。该节由光电效应的实验规律、光电效应解释中的疑难问题和爱因斯坦的光电效应理论共3个部分组成，不仅内容抽象，而且难度较大。该节的相关知识是第4章的重点内容，也是认识光的粒子性的重要依据。该节课的授课对象是高二学生，他们已经了解了普朗克的量子化观点、光子的概念等知识点，这对学习有一定的帮助。同时，通过该节课的学习，可以为后面学习康普顿效应和光的粒子性打下基础。
由于该节课的抽象概念较多，而现有演示实验仪器的功能不足，学生只能较为被动地接受抽象的概念，学习效果不佳。为突破教学难点，笔者利用课余时间自制了一款光电效应教具并用于教学。从达成核心素养的角度看，该自制教具的教学设计思路具有一定的可取性
［2］。
1 教材实验、教具及改进说明
1.1 教材实验
把一块锌板与验电器连接，用毛皮摩擦橡胶棒，用橡胶棒使锌板带上负电，同时验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，可以观察到验电器指针张角变小，这说明有电子从锌板逸出，发生了光电效应。若严格按照人教版高中物理教材的实验装置进行演示，往往难以保证实验成功。主要原因包括：空气湿度较大、验电器存在漏电现象，以及绝缘性不佳导致电荷流失过快等。这些原因使得验电器指针的偏转角度极小，实验现象不明显。
1.2 教师常用的演示实验仪器
课堂上，教师大多采用J25109光电效应演示器进行演示。实践发现，该装置存在以下不足：①电路无法提供反向电压，则无法探究反向遏止电压的影响因素；②无法多次改变光的频率，导致光源颜色单一；③无法通过改变光强来探究光强与饱和光电流之间的关系；④无法改变正向电压的大小探究饱和光电流的特点；⑤灵敏电流计虽然可以观察电流流向的变化，但在精确量化方面存在困难。受限于以上问题，大多数教师只能采取“先灌输知识，再通过练习强化”的教学模式，导致学生被动接受知识，学习效率低下。
1.3 文献中的自制教具
鉴于以上原因，很多教师对现有设备进行了优化，以期解决教学过程中遇到的关键问题。笔者列举以下两个实例，并分析其改进情况。
周连鹏
［3］自制了光电效应演示仪，其电路简单，现象直观，有助于学生清晰理解实验原理。还需进一步改进之处：电流表、电压表的读数较为不便，没有利用信息技术辅助教学；正向、反向电压的切换需要设计得更为简便，以利于学生理解。童有彩等
［4］自制实验装置，其缺点是实物连接有些混乱，不利于学生正确操作；优点是利用电流传感器和电压传感器可采集光电流随电压变化的图像并呈现在电脑上，便于学生分析实验结论。
2 自制教具介绍
2.1 实验教学目标
（1） 物理观念：了解光电效应的实验规律，掌握光电效应中的截止频率、遏止电压、饱和光电流、光电子的最大初动能等概念；理解光电效应具有瞬时性，应用爱因斯坦光电效应方程解释相关现象。
（2） 科学思维：培养学生基于爱因斯坦的光量子假说解释光电效应实验规律的能力；理解光电效应的成功解释确立了光具有粒子性的思想。
（3） 科学探究：通过观察光电效应的实验过程，培养学生的观察能力，感悟以实验为主的科学探究方法；通过光量子假说分析光电子效应的实验规律。
（4） 科学态度与责任：感受微观世界的奇妙和谐，体会探索自然规律的艰辛与喜悦，从而激发好奇心与求知欲；通过物理学史的学习，引导学生从科学家的工作中领悟科学探究方法，培养类比思维，养成严谨的科学态度
［5］。
2.2 设计说明
（1） 材料。GD-28型光电管、RGB灯泡（带遥控器，可改变光强和频率，220 V交流供电，10 W）、220 V灯座、直流电流表（显示范围：-200.00～200.00 μＡ，精确度0.01 μＡ）、直流电压表（显示范围-200.00～200.00 Ｖ，精确度0.01 Ｖ）、两个超薄开关电源（输入220 V交流电，输出直流5 V电压）、黑色纸质光电管套筒（侧面有遮光孔）、单圈线绕电位器1个、船型开关1个、开关、导线若干、学生电源（0～30 V电压可调）。
（2） 设计原理。用不同频率的光照射光电管阴极，使阴极发出光电子，发现光电效应中有截止频率的存在。利用分压式电路给光电管两端施加逐渐增大的正向电压，探究饱和光电流与光强的关系。给光电管两端加反向电压，减小光电流大小，精确测量反向遏止电压。
（3） 制作过程。①如
图1所示，整个电路分成两部分，左侧为给RGB灯泡供电的电路，右侧为给光电管施加正向或反向电压的电路。利用CAD软件绘图，并找亚克力生产厂家制作出光电效应演示仪的演示箱。②组装元件。将元件依次安装于面板指定位置，并按
图1连接。光源与光电管平行放置，且距离较近，以使光电管能充分接收光照。完整的实验装置如
图2所示。
2.3 实验创新点
（1） 利用RGB灯泡实现光源频率、光强的改变，可用于截止频率、饱和光电流、遏止电压等一系列实验的探究，帮助学生理解概念及其联系；同时，该教具造价低廉、可利用遥控器进行操控、结构简单、演示效果直观。
（2） 选用数字式微安电流表和数字式电压表，可实现正反向灵敏读数的功能，比传感器获取数据更加稳定、直观，不必依赖于电脑软件的配合。
（3） 利用单刀双掷开关实现正向与反向电压的切换，操作简便；利用电位器和分压式电路，实现光电管两端电压值的精确调节。
（4） 制作的亚克力示教板，可将复杂电路隐藏在盒子内，学生能看到清晰明了的电路图。
（5） 信息技术辅助教学：可用Excel软件记录实验数据并快速呈现关系图像，既提高实验效率，又帮助学生得出实验结论。
3 自制教具在课堂中的应用
3.1 问题驱动，初步形成物理观念
教师首先回顾历史：在麦克斯韦电磁场理论建立后，光的波动性因干涉、衍射现象而被广泛认可。然而，是否存在挑战波动说的实验现象呢？随后，教师演示教材中的光电效应实验：用紫外线照射带负电的锌板，学生观察到静电计指针张角明显减小。面对这一反常现象，学生推测：“可能是紫外线使锌板失去了某种负电荷。”在此基础上，教师顺势引出“光电效应”与“光电子”的概念，并抛出核心问题：“光电效应的产生究竟与哪些因素有关？”
【设计意图】现场演示学生未曾见过的现象，吸引学生注意力，引出新课内容，帮助学生形成光电效应和光电子的物理观念。
3.2 设计实验，建构物理模型
在小组讨论后，学生猜想光电效应的影响因素可能与光的强弱、光的频率、金属材料有关。学生提出采用控制变量法进行实验。教师向学生介绍用于实验探究的光电管，阴极受光照时可发射光电子，阳极A吸收这些光电子，从而形成光电流。
【教师提问】如何设计电路以测量光电流？学生经小组讨论后提出：首先，需采用颜色和强度均可调的光源照射光电管；其次，为排除干扰，实验需在遮光环境中进行；最后，需将灵敏电流计接入电路以读取光电流，从而形成闭合测量回路。
【教师进一步提问】如果我们想要阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调节、电源的正负极也可以对调，我们应该如何实现这些功能呢？学生经小组讨论后提出，在光电管两端加上电源，利用滑动变阻器分压式接法调节电压大小，且可以用单刀双掷开关实现电源的正负极对调。教师先要求学生分小组设计实验电路，随后请学生代表上讲台讲解。
【设计意图】带领学生认识光电管的结构，理解光电管的工作原理；引导学生设计光电效应的实验装置，熟悉电路各部分的作用，从而为后面进行实验探究作好理论准备。
3.3 实验探究，提高科学探究能力
（1） 探究光的频率对光电效应实验的影响。
【教师提问】所有颜色的光都可以使光电管发生光电效应吗？
【学生实验操作】保持相同的光强、电压和金属材料，分别用红、黄、蓝等颜色的光照射光电管；光电管外部用遮光罩罩住，只在侧面开小孔，防止外部光干扰。
【实验现象】红光照射后，没有光电流产生；黄光照射后，有微弱的光电流产生；蓝光照射后，光电流更大。实验数据如
表1所示。
【实验结论】并不是所有的光都可以使光电管发生光电效应，若入射光的频率低于某一频率时，则不发生光电效应，即Vc 称为截止频率。
【设计意图】通过改变光的颜色这一简单操作，教师引导学生熟悉仪器、消除畏难情绪，进而激发其探究兴趣，并自然引出“截止频率”的概念。
（2） 探究饱和光电流的影响因素。
教师向学生提出两个问题：①当光的频率、金属材料一定时，随着光强的改变，光电流会有什么变化？②是否只要利用正向电压给光电子加速，就可以获得无穷大的电流呢？学生结合问题组织小组讨论，有针对性地设计实验数据记录表，如
表2所示。由学生配合完成实验数据的测量，并利用Excel绘制图像并分析，如
图3所示。
【学生得出结论】①当正向电压相同时，采用弱黄光和强黄光分别照射光电管，可以发现光强越强，光电流随之增大；②我们发现，在光强与频率一定的条件下，随着正向电压的升高，光电流逐渐增大并最终达到饱和。
随后，教师介绍饱和光电流的概念。
【实验结论】①在光频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大；②在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。
【设计意图】培养学生的小组合作探究能力、设计实验能力，以及记录实验数据、利用信息技术处理实验数据的能力，并且让学生了解影响饱和光电流大小的因素。
（3） 探究反向遏止电压的影响因素。
教师提问1：在
表2中，当电压为0 V时，光电流却不是0 μA。这说明什么？学生发现没有正向电压的帮助，光电子也可以逸出金属板。可见，光电子具有最大初动能
。教师提问2：如何使光电流减小到0 μA？学生提出用红光照射光电管或者施加反向电压，使光电流为0。教师介绍：使光电流减小到0的反向电压
Uc称为遏止电压。教师提问3：反向遏止电压
Uc与光电子的最大初动能
Ek之间有什么关系？学生回答：当
AK间电压达到遏止电压
Uc时，从
K端逸出具有最大初动能
Ek的光电子恰好到不了
A端，则有
。教师提问4：遏止电压与什么因素有关？学生猜想遏止电压可能与光的频率或者光的强度有关。学生分组讨论，设计实验方案，进行实验。实验数据如
表3所示。
【实验结论】①对于同一种频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都相同；②光的频率越高，反向遏止电压也越大。以上结论与教材内容一致。
【设计意图】以“电压为零时光电流为何不为零”为核心问题切入，旨在考查学生的观察敏锐度。通过环环相扣的问题链，教师引导学生自主建构光电子最大初动能、反向遏止电压及其定量关系。在此基础上，引导学生运用控制变量法深入探究遏止电压的影响因素，以期有效锻炼其科学思维与科学探究能力。
（4） 探究光电效应具有瞬时性。
【实验步骤】打开光源，使光变为强黄光，照射光电管，发现微安电流表立即有示数，为0.36 μA；关闭光源，发现微安电流表立即没有电流。
【实验结论】只要入射光的频率高于金属的截止频率，无论光强多么微弱，光照射的瞬间（或极短时间内）即会发生光电效应。
3.4 理论解释，深化本质认识
（1） 爱因斯坦的光电效应理论介绍。
爱因斯坦受普朗克能量子学说的启发，提出了光子概念。他认为，光是由一个个离散的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。教师提问：电子吸收光子能量之后，电子的动能与光子的能量之间有什么关系？学生回答：电子的动能可能小于光子的能量。教师介绍：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。不同金属的逸出功不同。一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即有：，这就是爱因斯坦的光电效应方程。
（2） 利用光电效应理论阐释实验现象。
爱因斯坦光电效应方程表明，只有当hν >W0时，才有光电子逸出；当时，恰好发生光电效应现象，这就是光电效应的截止频率。
当光强较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子亦多，因而饱和电流大；当光照不变时，且当电压达到一定值时，正向电压已经使所有光电子流向光电管的阳极，即使再升高电压，光电流也不再增大，公式为：
对某种金属W0一定时，遏止电压Uc 只与入射光的频率有关，与光强无关，且频率越高，遏止电压越大。
电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然且几乎是瞬时发生的。
【设计意图】尽管通过大量实验探究，学生对光电效应的现象已有所认识，但尚缺乏科学理论的支撑。因此，有必要从微观角度揭示光电效应的内在机理，以锻炼学生的科学思维，深化其对该节课知识的理解。
3.5 引入物理学史，形成科学态度与责任
教师在教学中引入光的粒子性的发现过程（
图4），以帮助学生形成科学态度与责任。
【设计意图】从上述物理学史可以看出，科学研究既是站在巨人肩膀上的传承，也是无数科学家集体智慧的结晶，离不开科学家们卓越的科学素养。通过学习物理学史，学生能深刻体会探索自然规律的艰辛与喜悦，从而激发好奇心，增强对科学的内在需求。
3.6 联系生活，学以致用
光电效应在太阳能、光电子学、摄影和摄像、光电探测器、光催化和光传感器等领域均有重要应用。
【设计意图】将物理与现实生活相关联，凸显“从物理走向生活，从生活走向社会”理念，提高学生学习物理的兴趣，让学生感受到该节课的学习内容与生活息息相关。
4 结语
光电效应实验现象本身就较为复杂，加之爱因斯坦光电效应方程抽象难懂，学生往往难以理解。为了突破这些重难点，该节课以问题链贯穿始终，力求逻辑严密，以学生为主体，层层推进实验探究。该教具结构简单、造价低廉，且实验现象明显。
教学实践表明，相较于传统课堂单一的公式推演，该创新教具有效促进了学生的深度参与。学生通过动手探究，不仅厘清了截止频率、遏止电压等核心概念的物理内涵，更在科学探究与科学思维等核心素养层面获得了实质性提升。课堂反馈证实，这种“做中学”的模式有效激发了学生的学习兴趣，拓展了物理课堂的深度与广度。不可否认，许多教师在自制实验教具时存在畏难情绪。其实，只要把握住几个关键点——以达成教学目标为出发点，以现有实验器材为材料来源，以实验现象明显为目标，兼顾安全性与低成本，巧妙融入趣味互动元素，并在平时教学中细心积累，就不难设计出真正适合课堂教学的教具。
4.3 教学建议及改进方向
（1） 滑动摩擦力与接触面材料种类有关，因此不能简单地认为，更换毛巾或棉布，就等于改变了粗糙程度（因为材料本身的性质也会影响摩擦力）。
（2） 采用“翻转课堂”模式，把实验方案设计与安全规范指导提至课前，为课堂上的探究与交流留出更多时间。
（3） 引入DIS（数字化信息系统）力传感器，实时采集拉力数据并绘制F-t图像。如此一来，既能解决“匀速拉动”的操作难题，又能直观分析误差与动态过程。
（4） 开发并运用可视化教具（如可滑动的毛刷模型），直观模拟滑动摩擦力作用过程，助力学生突破对滑动摩擦力方向的准确判断这一认知难点。
（5） 设计分层探究任务，使能力较强的学生有机会拓展到对接触面积、滚动摩擦等因素的探究，进而实现差异化教学。
京公网安备11010202008535号
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