——对光电效应的认知策略

　　学生学完光电效应后，感觉分区块认识很清楚，一旦综合起来就糊涂。分析其原因，主要是学生对具体问题的产生机理及其发展变化的决定要素未梳理清晰。下面我们就利用相关几幅典型的图像和三个问题来认识光电效应现象。
　　问题一：光电效应现象是怎样发生的？如图一，金属中的电子吸收光子的能量，通过测量，可知验电器带正电。从而，金属发生光电效应失去电子的特征，实践与理论相吻合。








图一

　　问题二：如何测量光电子从阴极板逸出时的初动能？利用电子带电的特性，我们可以借助电场来完成。
　　首先了解实验电路图，如图二，该图是分压电路图。从三个要素来认清这副图:①电子逸出方向；②滑动变阻器滑片的位置；③电源的正负极接入方式。










图二

　　电子逸出方向决定电流方向。电子一定从阴极K向阳极A运动，形成的电流即为从A向K。即使光电管两端无电压，只要发生了光电效应，电流表就有一定的示数，电流方向也唯一。滑动变阻器滑片的位置决定光电管AK间的电压，即伏特表的示数。如图二，滑片向右滑动，伏特表示数是变大的。电源的正负极接入方式决定光电子所处的电场提供的是正向电压还是反向电压，图二中UAK是正向电压。转换电源正负极，使AK间是反向电压，逐渐调大UAK至电流表示数刚好为零，意味着光电子到达A极的速度刚好为零，此刻反向电压UAK即为遏制电压UC，且满足ECe=EK0。EK0大小的测量迎刃而解。
　　问题三：正向电压和反向电压又是如何影响光电流大小的？通过实验测量，得知图三。这幅图的实验前提条件是：用同一种频率、光强一定的光照射某种金属。







图三

　　一分为二认知：
　　当AK间是正向电压时，UAK越大，单位时间内正向到达A极的光电子数越多，又因为光照强度E=nhγ(n为单位时间内光提供的光子数)一定，即单位时间内能够产生最多的光电子数n是确定的，所以UAK至一定值后再增加，光电流也已经达至饱和值（I=ne）。
　　当AK间是反向电压时，UAK越大，单位时间内正向到达A极的光电子数越少，光电流越小。当光电流刚好为零时，反向电压UAK等于遏制电压UC。
　　如果在图二的基础上，改变入射光的频率，照射同一种金属，不断调整反向电压至刚好光电流为零，测得所对应的遏止电压UC。实验获得UC-γ函数关系图像如图四。








图四
　　由图得知UC-γ呈现的是线性关系，而从UCe=EK0角度分析得UC-EK0也是线性关系，故光电子逃逸金属表面具有的最大初动能EK0与入射光的频率γ成线性关系。这一点正符合了爱因斯坦提出的光电效应方程式EK0=hγ-W。逆推：根据EK0=hγ-W0且UCe=EK0，我们可以得知UC=■γ-■，正是吻合了UC-γ的实验图像（图四）。
　　光电效应方程式完美地解释了光电效应现象。EK0与入射光的频率的关系图如图五。









图五

　　从光电效应方程式中我们可以认识到光电子的最大初动能是由入射光的频率及金属的逸出功决定的。倘若刚好EK0=0，即将要发生光电效应的临界点，满足0=hγ0-W，γ0即为该金属的截止频率，正是图五中的横截距。由图五还可获知纵截距即为金属的逸出功W，图像的斜率大小就是普朗克常量h。
　　【知识拓展】图六是用频率不同，光照强度不一样的光照射同一种金属获得的I-U图。
　　观察得甲乙的遏制电压相同，由UC=■γ-■知入射光频率γ甲=γ乙，由饱和电流I甲=I乙得甲的光强度大于乙的光强度；因为丙的遏制电压|UC1|＞|UC1|,所以丙光的频率大于甲、乙的频率。








图六

　　通过观察图像，我们可以从更高更全面的角度了解物理现象；通过分析图像，我们可以从细节入手来解释物理现象甚至发现其本质规律。