巧用比喻解釋光電效應規律

張亞茹

摘要：本文從生活實例入手，以接皮球為例，對照光電效應現象，建立相應的

類比關系，巧妙地化抽象為具體，讓學生有如身臨其境般地親身體驗物理現象，幫助學生在輕松，快樂中理解和掌握抽象的光電效應規律。

關鍵詞：光電效應 光子 光電子 極限頻率

【中圖分類號】G633.7

在光的照射下，物體發射電子的現象叫做光電效應，發射出來的電子叫做光電子，形成的電流叫做光電流。通過實驗探究，得到光電效應的幾條實驗事實，物理學家對該實驗事實進行歸納總結，得出4條規律，而當時經典物理學即光的波動說無法完全解釋光電效應規律。20世紀初，愛因斯坦提出的光量子理論完美的解釋了光電效應的4條規律。高中物理選修3-5用了很短的篇幅解釋光電效應現象，對高中生來說，并不是很容易理解，我個人就自己幾年的教學實踐，舉身邊的例子，幫助學生理解，反響不錯，在此，借以分享。

首先，光電效應的規律如下：

1. 對于各種金屬都存在一個極限頻率，當入射光的頻率高于這個極限頻率時，才能產生光電效應；如果入射光的頻率低于這個極限頻率，無論光的強度如何，照射時間多長，都不會產生光電效應。

2.光電子的最大初動能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光的強度無關。

3. 當產生光電效應時，單位時間內從金屬表面逸出的光電子數與入射光的強度成正比。

4.入射光射到金屬表面時，光電子的產生幾乎是瞬時的，一般不超過 s。

第二，愛因斯坦提出的光子說認為，光在空間傳播時不是連續的，而是一份一份的，一份叫做一個光量子，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。光子說對光的解釋類似機關槍的子彈，看起來是連續的，實際是不連續的，是由一份一份的光子組成的。

在解釋光電效應規律時，可就地取材，整個班級即發生光電效應的金屬，教室里不同位置的同學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接一個的進來，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；教室里的每個同學都有且只有一次機會去接皮球，接到皮球后立即向教室外跑去，跑出去過程，教室中的其他同學都可以阻礙他出去，接到皮球的同學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，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，而位于教室靠內的同學，即金屬內部的電子，就需要較多的能量才可能出得去。由于每個電子接到光子是隨機的，可能金屬表面的電子得到具有較大能量的光子，這個能量大于它出金屬時，克服阻力所需的能量，則剩余能量即為它出金屬時所具有的動能，即初動能。

由于每種金屬組成結構不同，所以不同金屬中相同位置的電子出金屬時需克服的阻力不同，好比每個班級的團結程度不同，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極限頻率。如果入射光的頻率低于這個頻率，那么表面電子都出不去，內部電子就更出不去了。這里要說明幾個概念，光照強度決定單位時間內進來的光子數，光強增大表示單位時間內進來的光子數增加，但由于一個電子只能吸收一個光子的能量，不存在能量的累積，所以如果入射光的頻率低于這個極限頻率，無論光的強度如何，照射時間多長，都不會有電子出去，即不會產生光電效應。

用同一頻率的光照射金屬時，如果能發生光電效應，則表面電子剩余的能量最多，即具有最大初動能。當入射光的頻率增加時， 所有出去光電子的動能都增加，最大初動能也增加。入射光強增加時，得到光子的電子數會增加，可能出去的光電子數會增加，即單位時間內逸出的光電子數越多。

用大于極限頻率的光照射金屬時，金屬中的單個電子吸收光子后，即刻會從金屬中逃逸出來，所以光電子的產生幾乎是瞬時的。

發生光電效應時，一個光子的能量是傳遞給金屬中的單個電子的。電子吸收一個光子后，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能 ，按能量轉化和守恒定律有：

由于金屬表面的電子飛出金屬時克服阻力做的功最小，稱為逸出功 。吸收相同頻率的光子時，表面電子具有最大初動能 ，上式變為： ， 即愛因斯坦光電效應方程。反過來，也可以用 解釋光電效應規律。由 得 ，要發生光電效應，飛出金屬表面的光電子的最大初動能必須大于等于零，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，光電子的最大初動能與入射光頻率成線性關系，即隨著入射光頻率的增加而增加，與入射光的強度無關。

舉這個例子，把抽象的物理規律變成具體的生活實例，讓學生仿佛置身其中，并且親身體驗這些物理現象，讓學生輕松，快樂中理解和掌握抽象的物理規律。我個人覺得物理教學應該多舉生活實例，比如在講受力分析時，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，如何拉最省力？為什么？這些問題都是我們日常生活中常見的例子，學生可能也會有這樣的困惑，也想知道其原因，這樣就極大的調動了學生的學習興趣。上課時，舉生活實例，讓學生參與其中，參與討論，分析原因，自己嘗試著總結規律，快樂，輕松地接受知識。利用身邊的例子，合理解釋物理現象，可以幫助學生理解物理現象，規律等，只有真正理解了，才會用其解題，用得更加得心應手。

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[4] 光. 百度百科

[5] 光電效應.百度百科