對(duì)光電效應(yīng)的幾點(diǎn)感悟

裴承仁

摘要：《光的粒子性》是人教03版選修3-5第十七章第2節(jié)內(nèi)容，內(nèi)容涉及光電效應(yīng)、愛因斯坦光電效應(yīng)方程、康普頓效應(yīng)、光子的動(dòng)量等知識(shí)，其中光電效應(yīng)是高考的高頻考點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng) 感悟 突破

關(guān)于光電效應(yīng)，在上課過程中，我從以下幾方面突破，達(dá)到了預(yù)期效果

一、光電效應(yīng)中的五組概念

1.光子與光電子

光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量，光子不帶電;光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。

2.光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能

（1）光照射到金屬表面時(shí)，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動(dòng)能。（2）只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于或等于光電子的最大初動(dòng)能。

3.光子的能量與入射光的強(qiáng)度

光子的能量即一個(gè)光子的能量，其值為ε=hν（ν為光子的頻率），可見光子的能量由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的總能量，等于光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積，即光強(qiáng)等于nhν。

4.光電流和飽和光電流

金屬板飛出的光電子到達(dá)陽(yáng)極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，這個(gè)飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。

5.光的強(qiáng)度與飽和光電流

飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對(duì)頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的。對(duì)于不同頻率的光，由于每個(gè)光子的能量不同，飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。

例1：[多選]在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)。下列說法正確的是（ ）

A.增大入射光的強(qiáng)度，光電流增大B.減小入射光的強(qiáng)度，光電效應(yīng)現(xiàn)象消失

C.改用頻率小于ν的光照射，一定不發(fā)生光電效應(yīng)D.改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動(dòng)能變大

[解析] 增大入射光的強(qiáng)度，單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)增加，光電流增大，A項(xiàng)正確。減小入射光的強(qiáng)度，只是光電流減小，光電效應(yīng)現(xiàn)象是否消失與光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)，B項(xiàng)錯(cuò)誤。改用頻率小于ν的光照射，但只要光的頻率大于極限頻率ν0仍然可以發(fā)生光電效應(yīng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤。由愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν-W逸=mv2得：光頻率ν增大，而W逸不變，故光電子的最大初動(dòng)能變大，D項(xiàng)正確，故本題答案為：AD

規(guī)律總結(jié)：對(duì)光電效應(yīng)問題的三點(diǎn)提醒

（1）能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的頻率有關(guān)。（2）飽和光電流的大小與入射光的強(qiáng)度有關(guān)。

（3）光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率及金屬逸出功有關(guān)。

二、光電效應(yīng)方程及其應(yīng)用

1.光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0的四點(diǎn)理解

（1）式中的Ek是光電子的最大初動(dòng)能，就某個(gè)光電子而言，其離開金屬時(shí)剩余動(dòng)能大小可以是0～Ek范圍內(nèi)的任何數(shù)值。

（2）光電效應(yīng)方程實(shí)質(zhì)上是能量守恒方程。

①能量為ε=hν的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對(duì)它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時(shí)的動(dòng)能。②如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時(shí)動(dòng)能最大為Ek，根據(jù)能量守恒定律可知：Ek=hν-W0。

（3）光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件。

若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動(dòng)能必須大于零，即Ek=hν-W0>0，亦即hν>W0，ν>=νc，而νc=恰好是光電效應(yīng)的截止頻率。

（4）Ek-ν曲線。如圖所示是光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν的變化曲線。這里，橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率;縱軸上的截距是逸出功的負(fù)值;斜率為普朗克常量。

2.光電效應(yīng)的研究思路

（3）三點(diǎn)提醒：

①能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率。②光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。③逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李靖.帶著學(xué)生在研究中學(xué)習(xí)物理——以“光電效應(yīng)”一節(jié)為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（07）：45-47.