《光电效应》教法之浅见

时间:2022-09-11 07:54:53

《光电效应》教法之浅见

【关键词】光电效应 课堂教法

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889(2013)12B-

0060-01

光的干涉与衍射现象有力地证明了光的波动性,由此光的波动理论被广泛接受,后来麦克斯韦的电磁理论以及赫兹发现电磁波的实验,把光的波动理论推到了一个近似完美的地步。可是德国物理学家赫兹于1887年发现的光电效应却很难用光的波动理论来解释,幸运的是,光电效应对发展量子理论起了根本性作用。因此,在量子理论的框架下,爱因斯坦以光量子理论对光电效应进行了深刻诠释,光的粒子说又重新被人们所重视,当然此时的“粒子”已经不同于经典的粒子模型了。在中学阶段有关光电效应部分的内容其实只是研究了光电子发射效应,教材本着由现象而本质,由实验而理论的基本研究思路,对光电效应作了详尽的阐述。一般情况下,我们也按照课本的顺序来进行教学,但是学生接受起来较为吃力,甚至造成一定的思维混乱。因此笔者思考可否换一种更为贴近学生实际的教学思路呢?

仔细阅读教材我们不难发现,这一部分我们需要解决以下几个重要问题:一是光电效应的实验规律;二是关于实验规律的理论依据;三是光电效应的意义及应用。尽管教材的安排顺序符合物理学的研究特点,但很多学校由于受实验条件的限制,再加上学生对微观世界认知的缺乏,想通过实验得到一般物理规律的探究效果并不明显。因此笔者就尝试以理论当先,先介绍关于光子的模型及光子的一些知识,采用一些合理的比喻,让学生形成一个初步的光电效应情景,然后用比喻去解释实验中得到的一些现象。

首先,光子模型的原型是一个基于普朗克量子理论的一个模型,通俗讲就是每个光子可看成一个“粒子”,可同时又具有一定的频率,相应的频率对应一定的能量(E=hν)。在这笔者将光子拟人化,比作一个个的营救人员,不同频率不同能量的光子则对应着不同能力的营救人员。其次,将金属表面层及金属内部的电子比喻为受原子内部电磁力等束缚着的待解救的人。但有一个游戏规则,即一一对应规则,一个光子只能试图去解救一个电子,而一个电子同样只能接受一个光子的帮助。

游戏开始,不同的电子“关押”在不同的地点,有些在金属内部,有些在金属表面层,所以将这些电子营救出来需要的能量不同。处于金属表面层的电子挣脱其所受的束缚需要的最少的能量值就对应所谓的“逸出功”,记为w。因此可作如下解释:

(一)因为存在一个最小能量值(不同金属其值不同)w(w=hνm),所以不是所有光子都能成功解救电子的,因此存在一个极限频率νm,当入射光子的频率低于νm时,则其无法使电子逸出金属表面。因此每种金属都有其对应的极限频率,只有高于或等于此频率的光子方能产生光电效应。相应的波长被称做极限波长(或称红限波长)。当入射光的频率低于极限频率时,无论多强的光都无法使电子逸出。

(二)当光子能量足够大时,不仅能将电子“带”出金属表面,还会将多余的能量提供给电子,即电子的初动能Ek,同一光子在“营救”不同位置的电子时因为所消耗的能量不同,所以离开金属表面时所能提供给电子作动能的能量值不同,显然在“营救”表面处的电子时只需要消耗数值为逸出功w的能量,此时该电子所获得的初动能值最大,是为最大初动能Ekm,显然Ekm=hν-w(光电效应方程)。可见光电子的最大初动能由光子的“个人能力”决定,即光子的频率,而非集体的力量――光强。

(三)遏止电压U的解释,当用下图所示装置进行实验时,在光电管的两极间加上一个逐渐增加的反向电压,发现当电压值达到一个数值时,微安表示数将减小为0,意思是在此电压下,即使被光子“营救”的是金属表面的电子(具有最大初动能Ekm),也无法到达A极。根据动能定理-eU=0-Ekm,可知U=Ekm/e,结合光电效应方程有U=(hν-w)/e,可见遏止电压与入射光的频率是一次函数关系,图象斜率为普朗克常量h与电子电量的比值,在纵轴上的截距则由金属种类决定。

(四)关于饱和电流,若在右图所示装置中,在光电管两极间加上正向电压,则随着电压的增加单位时间内到达A极的电子数目将会增加,所以光电流将会增加(并非正比关系)。但由于“一一对应”的规则,当光强一定时(在频率高于极限频率的前提下),其实就是单位时间入射的光子数目一定时,所能“营救”的电子数目是一定的,因此正向电压增加到一定程度时,将可以使所有逸出的电子到达A极,此时光电流达到最大值,即使再增加两极之间的正向电压,也不会有更多的电子流过电流表,也就是电流达到饱和,称为饱和电流Im。

(五)此外从“一一对应”规则还可以对光电效应的瞬时性加以说明。如果电子等待多个光子能量或者说持续吸收光波能量时,将需要一个积累的过程,也就不具有瞬时性(10-9s)了。

光电效应在物理学中的重要意义之一就是验证了光的量(粒)子性,而今光电效应已经广泛地应用到各个科技领域。利用光电效应制成的光电器件如光电管、光电池、光电倍增管等已成为生产和科技领域中不可缺少的器件。在中学教学中,用这种方法或许从物理学的角度来说不够严谨,比喻也不够恰当,更似乎有悖于物理规律的认知过程,但就实践而言,此法对中学生理解这一知识点的效果不错,希望同仁能够不吝指正。(责编 卢建龙)

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