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        巧用比喻解釋光電效應(yīng)規(guī)律

        2017-04-08 18:11:38張亞茹
        關(guān)鍵詞:光電效應(yīng)光電子光子

        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(yīng)現(xiàn)象,建立相應(yīng)的

        類比關(guān)系,巧妙地化抽象為具體,讓學(xué)生有如身臨其境般地親身體驗物理現(xiàn)象,幫助學(xué)生在輕松,快樂中理解和掌握抽象的光電效應(yīng)規(guī)律。

        關(guān)鍵詞:光電效應(yīng) 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(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng),發(fā)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(yīng)的幾條實驗事實,物理學(xué)家對該實驗事實進行歸納總結(jié),得出4條規(guī)律,而當時經(jīng)典物理學(xué)即光的波動說無法完全解釋光電效應(yīng)規(guī)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(yīng)的4條規(guī)律。高中物理選修3-5用了很短的篇幅解釋光電效應(yīng)現(xiàn)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(xué)實踐,舉身邊的例子,幫助學(xué)生理解,反響不錯,在此,借以分享。

        首先,光電效應(yīng)的規(guī)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(chǎn)生光電效應(yīng);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(chǎn)生光電效應(yīng)。

        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(guān)。

        3. 當產(chǎn)生光電效應(yīng)時,單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)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(chǎn)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(xù)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(shù)。光子說對光的解釋類似機關(guān)槍的子彈,看起來是連續(xù)的,實際是不連續(xù)的,是由一份一份的光子組成的。

        在解釋光電效應(yīng)規(guī)律時,可就地取材,整個班級即發(fā)生光電效應(yīng)的金屬,教室里不同位置的同學(xué)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(xué)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(xué)都可以阻礙他出去,接到皮球的同學(xué)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(xué),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(nèi)的同學(xué),即金屬內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)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(nèi)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(nèi)進來的光子數(shù),光強增大表示單位時間內(nèi)進來的光子數(shù)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(chǎn)生光電效應(yīng)。

        用同一頻率的光照射金屬時,如果能發(fā)生光電效應(yīng),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(shù)會增加,可能出去的光電子數(shù)會增加,即單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)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(chǎn)生幾乎是瞬時的。

        發(fā)生光電效應(yīng)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(shù)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(zhuǎn)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?yōu)椋?, 即愛因斯坦光電效應(yīng)方程。反過來,也可以用 解釋光電效應(yīng)規(guī)律。由 得 ,要發(fā)生光電效應(yīng),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(guān)系,即隨著入射光頻率的增加而增加,與入射光的強度無關(guān)。

        舉這個例子,把抽象的物理規(guī)律變成具體的生活實例,讓學(xué)生仿佛置身其中,并且親身體驗這些物理現(xiàn)象,讓學(xué)生輕松,快樂中理解和掌握抽象的物理規(guī)律。我個人覺得物理教學(xué)應(yīng)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?nèi)粘I钪谐R姷睦?,學(xué)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(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。上課時,舉生活實例,讓學(xué)生參與其中,參與討論,分析原因,自己嘗試著總結(jié)規(guī)律,快樂,輕松地接受知識。利用身邊的例子,合理解釋物理現(xiàn)象,可以幫助學(xué)生理解物理現(xiàn)象,規(guī)律等,只有真正理解了,才會用其解題,用得更加得心應(yīng)手。

        參考文獻:

        [1] 束炳如.普通高中課程標準實驗教科書物理選修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.光電效應(yīng)及其實驗規(guī)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] 光電效應(yīng).百度百科

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