對光電效應的幾點感悟

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節內容，內容涉及光電效應、愛因斯坦光電效應方程、康普頓效應、光子的動量等知識，其中光電效應是高考的高頻考點。

關鍵詞：光電效應 感悟 突破

關于光電效應，在上課過程中，我從以下幾方面突破，達到了預期效果

一、光電效應中的五組概念

1.光子與光電子

光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電;光電子是金屬表面受到光照射時發射出來的電子，其本質是電子，光子是光電效應的因，光電子是果。

2.光電子的初動能與光電子的最大初動能

（1）光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個方向運動，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能。（2）只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。

3.光子的能量與入射光的強度

光子的能量即一個光子的能量，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。入射光的強度指單位時間內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n的乘積，即光強等于nhν。

4.光電流和飽和光電流

金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個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。

5.光的強度與飽和光電流

飽和光電流與入射光強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的。對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系。

例1：[多選]在光電效應實驗中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發生了光電效應。下列說法正確的是（ ）

A.增大入射光的強度，光電流增大B.減小入射光的強度，光電效應現象消失

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

[解析] 增大入射光的強度，單位時間內照射到單位面積上的光子數增加，光電流增大，A項正確。減小入射光的強度，只是光電流減小，光電效應現象是否消失與光的頻率有關，而與光的強度無關，B項錯誤。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仍然可以發生光電效應，C項錯誤。由愛因斯坦光電效應方程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能變大，D項正確，故本題答案為：AD

規律總結：對光電效應問題的三點提醒

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

（3）光電子的最大初動能與入射光的頻率及金屬逸出功有關。

二、光電效應方程及其應用

1.光電效應方程Ek=hν-W0的四點理解

（1）式中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時剩余動能大小可以是0～Ek范圍內的任何數值。

（2）光電效應方程實質上是能量守恒方程。

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它的吸引，另一部分就是電子離開金屬表面時的動能。②如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為Ek，根據能量守恒定律可知：Ek=hν-W0。

（3）光電效應方程包含了產生光電效應的條件。

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

（4）Ek-ν曲線。如圖所示是光電子最大初動能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值;斜率為普朗克常量。

2.光電效應的研究思路

（3）三點提醒：

①能否發生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率。②光電效應中的“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。

參考文獻：

[1]李靖.帶著學生在研究中學習物理——以“光電效應”一節為例[J].中學物理教學參考，2019，48（07）：45-47.