巧用比喻解釋光電效應(yīng)規(guī)律

張亞茹

摘要：本文從生活實(shí)例入手，以接皮球?yàn)槔瑢φ展怆娦?yīng)現(xiàn)象，建立相應(yīng)的

類比關(guān)系，巧妙地化抽象為具體，讓學(xué)生有如身臨其境般地親身體驗(yàn)物理現(xiàn)象，幫助學(xué)生在輕松，快樂中理解和掌握抽象的光電效應(yīng)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng) 光子 光電子 極限頻率

【中圖分類號】G633.7

在光的照射下，物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫做光電子，形成的電流叫做光電流。通過實(shí)驗(yàn)探究，得到光電效應(yīng)的幾條實(shí)驗(yàn)事實(shí)，物理學(xué)家對該實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)，得出4條規(guī)律，而當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理學(xué)即光的波動(dòng)說無法完全解釋光電效應(yīng)規(guī)律。20世紀(jì)初，愛因斯坦提出的光量子理論完美的解釋了光電效應(yīng)的4條規(guī)律。高中物理選修3-5用了很短的篇幅解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，對高中生來說，并不是很容易理解，我個(gè)人就自己幾年的教學(xué)實(shí)踐，舉身邊的例子，幫助學(xué)生理解，反響不錯(cuò)，在此，借以分享。

首先，光電效應(yīng)的規(guī)律如下：

1. 對于各種金屬都存在一個(gè)極限頻率，當(dāng)入射光的頻率高于這個(gè)極限頻率時(shí)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；如果入射光的頻率低于這個(gè)極限頻率，無論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長，都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。

2.光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

3. 當(dāng)產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比。

4.入射光射到金屬表面時(shí)，光電子的產(chǎn)生幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過 s。

第二，愛因斯坦提出的光子說認(rèn)為，光在空間傳播時(shí)不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份叫做一個(gè)光量子，簡稱光子。光子的能量 跟光的頻率 成正比，即 ，式中為普朗克常數(shù)。光子說對光的解釋類似機(jī)關(guān)槍的子彈，看起來是連續(xù)的，實(shí)際是不連續(xù)的，是由一份一份的光子組成的。

在解釋光電效應(yīng)規(guī)律時(shí)，可就地取材，整個(gè)班級即發(fā)生光電效應(yīng)的金屬，教室里不同位置的同學(xué)即為金屬里不同位置的電子，有不同顏色的皮球從教室外一個(gè)接一個(gè)的進(jìn)來，按照光子說，不同顏色的皮球比作不同頻率即具有不同能量的光子；教室里的每個(gè)同學(xué)都有且只有一次機(jī)會(huì)去接皮球，接到皮球后立即向教室外跑去，跑出去過程，教室中的其他同學(xué)都可以阻礙他出去，接到皮球的同學(xué)比作吸收了光子全部能量的電子；此阻礙作用類似金屬對電子的阻礙作用。顯然，坐在教室門口的同學(xué)，即金屬表面的電子，受到的阻礙最小，最容易出去，所以可能獲得較小的能量就可以出去，而位于教室靠內(nèi)的同學(xué)，即金屬內(nèi)部的電子，就需要較多的能量才可能出得去。由于每個(gè)電子接到光子是隨機(jī)的，可能金屬表面的電子得到具有較大能量的光子，這個(gè)能量大于它出金屬時(shí)，克服阻力所需的能量，則剩余能量即為它出金屬時(shí)所具有的動(dòng)能，即初動(dòng)能。

由于每種金屬組成結(jié)構(gòu)不同，所以不同金屬中相同位置的電子出金屬時(shí)需克服的阻力不同，好比每個(gè)班級的團(tuán)結(jié)程度不同，但不同金屬，都是表面電子出來需要克服的阻力最小，即吸收的光子的頻率最小，此頻率叫做極限頻率，所以每種金屬都存在一個(gè)極限頻率。如果入射光的頻率低于這個(gè)頻率，那么表面電子都出不去，內(nèi)部電子就更出不去了。這里要說明幾個(gè)概念，光照強(qiáng)度決定單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)來的光子數(shù)，光強(qiáng)增大表示單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)來的光子數(shù)增加，但由于一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，不存在能量的累積，所以如果入射光的頻率低于這個(gè)極限頻率，無論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長，都不會(huì)有電子出去，即不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。

用同一頻率的光照射金屬時(shí)，如果能發(fā)生光電效應(yīng)，則表面電子剩余的能量最多，即具有最大初動(dòng)能。當(dāng)入射光的頻率增加時(shí)， 所有出去光電子的動(dòng)能都增加，最大初動(dòng)能也增加。入射光強(qiáng)增加時(shí)，得到光子的電子數(shù)會(huì)增加，可能出去的光電子數(shù)會(huì)增加，即單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多。

用大于極限頻率的光照射金屬時(shí)，金屬中的單個(gè)電子吸收光子后，即刻會(huì)從金屬中逃逸出來，所以光電子的產(chǎn)生幾乎是瞬時(shí)的。

發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，一個(gè)光子的能量是傳遞給金屬中的單個(gè)電子的。電子吸收一個(gè)光子后，就獲得了光子的全部能量 ，其中一部分能量用來掙脫金屬對它的束縛，在數(shù)值上等于電子脫離金屬所做的功，用 表示，剩余的一部分就變成電子離開金屬表面后的初動(dòng)能 ，按能量轉(zhuǎn)化和守恒定律有：

由于金屬表面的電子飛出金屬時(shí)克服阻力做的功最小，稱為逸出功 。吸收相同頻率的光子時(shí)，表面電子具有最大初動(dòng)能 ，上式變?yōu)椋?， 即愛因斯坦光電效應(yīng)方程。反過來，也可以用 解釋光電效應(yīng)規(guī)律。由 得 ，要發(fā)生光電效應(yīng)，飛出金屬表面的光電子的最大初動(dòng)能必須大于等于零，即 ，則 ，即存在最小頻率即極限頻率 ；對于同種金屬，逸出功 是確定的，光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率成線性關(guān)系，即隨著入射光頻率的增加而增加，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。

舉這個(gè)例子，把抽象的物理規(guī)律變成具體的生活實(shí)例，讓學(xué)生仿佛置身其中，并且親身體驗(yàn)這些物理現(xiàn)象，讓學(xué)生輕松，快樂中理解和掌握抽象的物理規(guī)律。我個(gè)人覺得物理教學(xué)應(yīng)該多舉生活實(shí)例，比如在講受力分析時(shí)，可舉生活中常見的拉車為例，到底是拉車輕松，還是推車輕松？拉車時(shí)，如何拉最省力？為什么？這些問題都是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷睦樱瑢W(xué)生可能也會(huì)有這樣的困惑，也想知道其原因，這樣就極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。上課時(shí)，舉生活實(shí)例，讓學(xué)生參與其中，參與討論，分析原因，自己嘗試著總結(jié)規(guī)律，快樂，輕松地接受知識。利用身邊的例子，合理解釋物理現(xiàn)象，可以幫助學(xué)生理解物理現(xiàn)象，規(guī)律等，只有真正理解了，才會(huì)用其解題，用得更加得心應(yīng)手。

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[4] 光. 百度百科

[5] 光電效應(yīng).百度百科