巧用比喻解释光电效应规律

张亚茹

摘要：本文从生活实例入手，以接皮球为例，对照光电效应现象，建立相应的

类比关系，巧妙地化抽象为具体，让学生有如身临其境般地亲身体验物理现象，帮助学生在轻松，快乐中理解和掌握抽象的光电效应规律。

关键词：光电效应 光子 光电子 极限频率

【中图分类号】G633.7

在光的照射下，物体发射电子的现象叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子，形成的电流叫做光电流。通过实验探究，得到光电效应的几条实验事实，物理学家对该实验事实进行归纳总结，得出4条规律，而当时经典物理学即光的波动说无法完全解释光电效应规律。20世纪初，爱因斯坦提出的光量子理论完美的解释了光电效应的4条规律。高中物理选修3-5用了很短的篇幅解释光电效应现象，对高中生来说，并不是很容易理解，我个人就自己几年的教学实践，举身边的例子，帮助学生理解，反响不错，在此，借以分享。

首先，光电效应的规律如下：

1. 对于各种金属都存在一个极限频率，当入射光的频率高于这个极限频率时，才能产生光电效应；如果入射光的频率低于这个极限频率，无论光的强度如何，照射时间多长，都不会产生光电效应。

2.光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关。

3. 当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光的强度成正比。

4.入射光射到金属表面时，光电子的产生几乎是瞬时的，一般不超过 s。

第二，爱因斯坦提出的光子说认为，光在空间传播时不是连续的，而是一份一份的，一份叫做一个光量子，简称光子。光子的能量 跟光的频率 成正比，即 ，式中为普朗克常数。光子说对光的解释类似机关枪的子弹，看起来是连续的，实际是不连续的，是由一份一份的光子组成的。

在解释光电效应规律时，可就地取材，整个班级即发生光电效应的金属，教室里不同位置的同学即为金属里不同位置的电子，有不同颜色的皮球从教室外一个接一个的进来，按照光子说，不同颜色的皮球比作不同频率即具有不同能量的光子；教室里的每个同学都有且只有一次机会去接皮球，接到皮球后立即向教室外跑去，跑出去过程，教室中的其他同学都可以阻碍他出去，接到皮球的同学比作吸收了光子全部能量的电子；此阻碍作用类似金属对电子的阻碍作用。显然，坐在教室门口的同学，即金属表面的电子，受到的阻碍最小，最容易出去，所以可能获得较小的能量就可以出去，而位于教室靠内的同学，即金属内部的电子，就需要较多的能量才可能出得去。由于每个电子接到光子是随机的，可能金属表面的电子得到具有较大能量的光子，这个能量大于它出金属时，克服阻力所需的能量，则剩余能量即为它出金属时所具有的动能，即初动能。

由于每种金属组成结构不同，所以不同金属中相同位置的电子出金属时需克服的阻力不同，好比每个班级的团结程度不同，但不同金属，都是表面电子出来需要克服的阻力最小，即吸收的光子的频率最小，此频率叫做极限频率，所以每种金属都存在一个极限频率。如果入射光的频率低于这个频率，那么表面电子都出不去，内部电子就更出不去了。这里要说明几个概念，光照强度决定单位时间内进来的光子数，光强增大表示单位时间内进来的光子数增加，但由于一个电子只能吸收一个光子的能量，不存在能量的累积，所以如果入射光的频率低于这个极限频率，无论光的强度如何，照射时间多长，都不会有电子出去，即不会产生光电效应。

用同一频率的光照射金属时，如果能发生光电效应，则表面电子剩余的能量最多，即具有最大初动能。当入射光的频率增加时， 所有出去光电子的动能都增加，最大初动能也增加。入射光强增加时，得到光子的电子数会增加，可能出去的光电子数会增加，即单位时间内逸出的光电子数越多。

用大于极限频率的光照射金属时，金属中的单个电子吸收光子后，即刻会从金属中逃逸出来，所以光电子的产生几乎是瞬时的。

发生光电效应时，一个光子的能量是传递给金属中的单个电子的。电子吸收一个光子后，就获得了光子的全部能量 ，其中一部分能量用来挣脱金属对它的束缚，在数值上等于电子脱离金属所做的功，用 表示，剩余的一部分就变成电子离开金属表面后的初动能 ，按能量转化和守恒定律有：

由于金属表面的电子飞出金属时克服阻力做的功最小，称为逸出功 。吸收相同频率的光子时，表面电子具有最大初动能 ，上式变为： ， 即爱因斯坦光电效应方程。反过来，也可以用 解释光电效应规律。由 得 ，要发生光电效应，飞出金属表面的光电子的最大初动能必须大于等于零，即 ，则 ，即存在最小频率即极限频率 ；对于同种金属，逸出功 是确定的，光电子的最大初动能与入射光频率成线性关系，即随着入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关。

举这个例子，把抽象的物理规律变成具体的生活实例，让学生仿佛置身其中，并且亲身体验这些物理現象，让学生轻松，快乐中理解和掌握抽象的物理规律。我个人觉得物理教学应该多举生活实例，比如在讲受力分析时，可举生活中常见的拉车为例，到底是拉车轻松，还是推车轻松？拉车时，如何拉最省力？为什么？这些问题都是我们日常生活中常见的例子，学生可能也会有这样的困惑，也想知道其原因，这样就极大的调动了学生的学习兴趣。上课时，举生活实例，让学生参与其中，参与讨论，分析原因，自己尝试着总结规律，快乐，轻松地接受知识。利用身边的例子，合理解释物理现象，可以帮助学生理解物理现象，规律等，只有真正理解了，才会用其解题，用得更加得心应手。

参考文献：

[1] 束炳如.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5 [M] .上海科技教育出版社，2005：25-45

[2] http：//res.tongyi.com/resources/old_article/student/795.html.光电效应及其实验规律

[3] Wheaton， Bruce. Philipp Lenard and the Photoelectric Effect， 1889-1911. Historical Studies in the Physical Sciences.1978，9：pp.299–301，320–321.

[4] 光. 百度百科

[5] 光电效应.百度百科