多光子光电效应的规律与启示

摘 要：根据2013年北京高考理综第20题即压轴选择题的考核内容，对多光子光电效应的物理现象、本质和规律进行了全面的评析，着重于多光子光电效应和单光子光电效应的类比研究，拓展了对光电效应的理解。同时探讨了该题的设计理念对未来选拔性命题的启示作用。

关键词：光电效应；多光子；高考命题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）11（S）-0043-2

2013年北京市高考理综物理第20题即压轴选择题讨论的是关于多光子光电效应的问题，考查了对多光子光电效应微观物理本质的理解。从高考考查的角度讲，该题做到了源于教材又高于教材，十分具有创新性和启示性，其设计思路体现了今后选拔性考试的命题理念。本题的评析与回顾，可作为广大教师教学与研究的一个参考。

原题如下：

以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。

光电效应实验装置示意如图1。

用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量） （ ）

多光子光电效应，这对中学学生而言是个陌生的概念。通常在高中甚至大学本科教育阶段，涉及的光电效应一般都是指单光子光电效应。根据实验，单光子光电效应的实验现象具有这样的特性：

1.存在着饱和电流；

2.存在着遏止电压和截止频率；

3.光电效应具有瞬时性。

为了解释这些现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

方程中，hν为金属中的自由电子吸收一个光子获得的能量，ν为金属的截止频率，W为金属的逸出功，Ekmax为电子逸出后的最大初动能，U为使光电流减小到0的遏止电压。

为什么一般讨论的光电效应都是指单光子光电效应呢？

这是因为，在使用普通光源的情况下，电子吸收两个以上光子能量的概率是非常非常小的，几乎为零。事实上，爱因斯坦本人就思考过在强光下发生光电效应的可能性问题。对此，他有过如下的描述：光电效应中一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同时打在一个蚂蚁身上的几率。因此，多光子光电效应在实验上的实现成为可能，是二十世纪六十年代激光乃至强激光出现以后的事情。有了激光这个手段后，对于多光子光电效应，在实验上和理论上均取得了许多研究突破。利用超高强激光，人们不仅观察到双光子和三光子的光电效应，甚至观察到金靶材吸收几十个等效光子的实验现象。

可见，随着n的增加，极限频率呈台阶式逐渐递减，而遏止电压呈台阶式递增的趋势。这些变化意味着原本在单光子效应下需要紫外光才能发生的光电效应，现在低频率的红色强激光就可以使其发生。

（4）多光子光电效应中电子对光子的响应与单光子情形几乎无差异，仍具有瞬时性。

由此可见，通常物理教学中所说的光电效应，主要是指单光子光电效应，其适用的对象主要为普通光。但是到了光电效应教学的后期拓展或复习阶段，教师可以根据学生对知识的理解程度引入强激光作用下的多光子效应。多光子在物理本质上与单光子效应并无异，应注重对学生的物理思维和逻辑类比能力的培养。

多光子光电效应跳出了高中物理固有知识点的思路框架，结合了科学最前沿，对教学、学习与科研的结合起到了一定的引领作用。本题充分考查了学生对光电效应的物理本质理解以及对新知识的迁移能力，可以说是做到了既立足于考纲又超脱于考纲。

这是2013年北京高考命题的一个亮点，也是未来命题风格的一种趋势，会对2014年以及此后的高考和自主招生等选拔性考试命题起到一定的示范作用。

参考文献：

[1]汤家合.“光电效应”教学中应明确的问题[J].物理教学，2008，（7）：17.

[2]张长吉.光电效应中电子吸收多个光子的可能性探讨[J].物理教师，2001，（4）：20.

[3]陈伟孟.激光产生机理的玻尔模型解释[J].物理教学探讨，2014，（1）：43.

（栏目编辑 罗琬华）

摘 要：根据2013年北京高考理综第20题即压轴选择题的考核内容，对多光子光电效应的物理现象、本质和规律进行了全面的评析，着重于多光子光电效应和单光子光电效应的类比研究，拓展了对光电效应的理解。同时探讨了该题的设计理念对未来选拔性命题的启示作用。

关键词：光电效应；多光子；高考命题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）11（S）-0043-2

2013年北京市高考理综物理第20题即压轴选择题讨论的是关于多光子光电效应的问题，考查了对多光子光电效应微观物理本质的理解。从高考考查的角度讲，该题做到了源于教材又高于教材，十分具有创新性和启示性，其设计思路体现了今后选拔性考试的命题理念。本题的评析与回顾，可作为广大教师教学与研究的一个参考。

原题如下：

以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。

光电效应实验装置示意如图1。

用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量） （ ）

多光子光电效应，这对中学学生而言是个陌生的概念。通常在高中甚至大学本科教育阶段，涉及的光电效应一般都是指单光子光电效应。根据实验，单光子光电效应的实验现象具有这样的特性：

1.存在着饱和电流；

2.存在着遏止电压和截止频率；

3.光电效应具有瞬时性。

为了解释这些现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

方程中，hν为金属中的自由电子吸收一个光子获得的能量，ν为金属的截止频率，W为金属的逸出功，Ekmax为电子逸出后的最大初动能，U为使光电流减小到0的遏止电压。

为什么一般讨论的光电效应都是指单光子光电效应呢？

这是因为，在使用普通光源的情况下，电子吸收两个以上光子能量的概率是非常非常小的，几乎为零。事实上，爱因斯坦本人就思考过在强光下发生光电效应的可能性问题。对此，他有过如下的描述：光电效应中一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同时打在一个蚂蚁身上的几率。因此，多光子光电效应在实验上的实现成为可能，是二十世纪六十年代激光乃至强激光出现以后的事情。有了激光这个手段后，对于多光子光电效应，在实验上和理论上均取得了许多研究突破。利用超高强激光，人们不仅观察到双光子和三光子的光电效应，甚至观察到金靶材吸收几十个等效光子的实验现象。

可见，随着n的增加，极限频率呈台阶式逐渐递减，而遏止电压呈台阶式递增的趋势。这些变化意味着原本在单光子效应下需要紫外光才能发生的光电效应，现在低频率的红色强激光就可以使其发生。

（4）多光子光电效应中电子对光子的响应与单光子情形几乎无差异，仍具有瞬时性。

由此可见，通常物理教学中所说的光电效应，主要是指单光子光电效应，其适用的对象主要为普通光。但是到了光电效应教学的后期拓展或复习阶段，教师可以根据学生对知识的理解程度引入强激光作用下的多光子效应。多光子在物理本质上与单光子效应并无异，应注重对学生的物理思维和逻辑类比能力的培养。

多光子光电效应跳出了高中物理固有知识点的思路框架，结合了科学最前沿，对教学、学习与科研的结合起到了一定的引领作用。本题充分考查了学生对光电效应的物理本质理解以及对新知识的迁移能力，可以说是做到了既立足于考纲又超脱于考纲。

这是2013年北京高考命题的一个亮点，也是未来命题风格的一种趋势，会对2014年以及此后的高考和自主招生等选拔性考试命题起到一定的示范作用。

参考文献：

[1]汤家合.“光电效应”教学中应明确的问题[J].物理教学，2008，（7）：17.

[2]张长吉.光电效应中电子吸收多个光子的可能性探讨[J].物理教师，2001，（4）：20.

[3]陈伟孟.激光产生机理的玻尔模型解释[J].物理教学探讨，2014，（1）：43.

（栏目编辑 罗琬华）

摘 要：根据2013年北京高考理综第20题即压轴选择题的考核内容，对多光子光电效应的物理现象、本质和规律进行了全面的评析，着重于多光子光电效应和单光子光电效应的类比研究，拓展了对光电效应的理解。同时探讨了该题的设计理念对未来选拔性命题的启示作用。

关键词：光电效应；多光子；高考命题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）11（S）-0043-2

2013年北京市高考理综物理第20题即压轴选择题讨论的是关于多光子光电效应的问题，考查了对多光子光电效应微观物理本质的理解。从高考考查的角度讲，该题做到了源于教材又高于教材，十分具有创新性和启示性，其设计思路体现了今后选拔性考试的命题理念。本题的评析与回顾，可作为广大教师教学与研究的一个参考。

原题如下：

以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。

光电效应实验装置示意如图1。

用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量） （ ）

多光子光电效应，这对中学学生而言是个陌生的概念。通常在高中甚至大学本科教育阶段，涉及的光电效应一般都是指单光子光电效应。根据实验，单光子光电效应的实验现象具有这样的特性：

1.存在着饱和电流；

2.存在着遏止电压和截止频率；

3.光电效应具有瞬时性。

为了解释这些现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

方程中，hν为金属中的自由电子吸收一个光子获得的能量，ν为金属的截止频率，W为金属的逸出功，Ekmax为电子逸出后的最大初动能，U为使光电流减小到0的遏止电压。

为什么一般讨论的光电效应都是指单光子光电效应呢？

这是因为，在使用普通光源的情况下，电子吸收两个以上光子能量的概率是非常非常小的，几乎为零。事实上，爱因斯坦本人就思考过在强光下发生光电效应的可能性问题。对此，他有过如下的描述：光电效应中一个电子吸收两个光子的几率不会大于下雨天两个雨滴同时打在一个蚂蚁身上的几率。因此，多光子光电效应在实验上的实现成为可能，是二十世纪六十年代激光乃至强激光出现以后的事情。有了激光这个手段后，对于多光子光电效应，在实验上和理论上均取得了许多研究突破。利用超高强激光，人们不仅观察到双光子和三光子的光电效应，甚至观察到金靶材吸收几十个等效光子的实验现象。

可见，随着n的增加，极限频率呈台阶式逐渐递减，而遏止电压呈台阶式递增的趋势。这些变化意味着原本在单光子效应下需要紫外光才能发生的光电效应，现在低频率的红色强激光就可以使其发生。

（4）多光子光电效应中电子对光子的响应与单光子情形几乎无差异，仍具有瞬时性。

由此可见，通常物理教学中所说的光电效应，主要是指单光子光电效应，其适用的对象主要为普通光。但是到了光电效应教学的后期拓展或复习阶段，教师可以根据学生对知识的理解程度引入强激光作用下的多光子效应。多光子在物理本质上与单光子效应并无异，应注重对学生的物理思维和逻辑类比能力的培养。

多光子光电效应跳出了高中物理固有知识点的思路框架，结合了科学最前沿，对教学、学习与科研的结合起到了一定的引领作用。本题充分考查了学生对光电效应的物理本质理解以及对新知识的迁移能力，可以说是做到了既立足于考纲又超脱于考纲。

这是2013年北京高考命题的一个亮点，也是未来命题风格的一种趋势，会对2014年以及此后的高考和自主招生等选拔性考试命题起到一定的示范作用。

参考文献：

[1]汤家合.“光电效应”教学中应明确的问题[J].物理教学，2008，（7）：17.

[2]张长吉.光电效应中电子吸收多个光子的可能性探讨[J].物理教师，2001，（4）：20.

[3]陈伟孟.激光产生机理的玻尔模型解释[J].物理教学探讨，2014，（1）：43.

（栏目编辑 罗琬华）