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把握能量转化（转移）路径，提升分析光电效应类问题的能力摘 要：光电效应的现象是很丰富的，高中教材中讲述的光电效应现象，只是其中十分典型的一种。光电效应丰富的现象和蕴含的物理规律提供了一个良好的培养学生独立分析能力和解决问题能力的考核内容。教师在教学中应注重以守恒的思想分析实际物理现象和问题，这可以使学生对物理现象、规律有更本质和深入的认识，提高其科学素质。关键词：光电效应；能量守恒思想；科学素质中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2015）24-0068-04光电效应的现象和规律、爱因斯坦的光子说和光电效应方程是高中物理教学中的重点。人民教育出版社高中《物理》选修3～5册的第十七章《波粒二象性》中的第2节“光的粒子性”，就是关于这部分的内容。书中介绍的光电效应的概念为：“照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应，这种电子常被称为光电子。”教材中，主要介绍了光照射到金属表面，产生逸出表面的光电子的现象及规律。爱因斯坦光电效应方程则是针对金属中一个电子吸收一个光子的能量，逸出金属表面形成光电子的能量转化情况，即，其中Ek为光电子的最大初动能，hν为入射光子的能量，W0为被照射金属的逸出功。以上内容是中学物理教师教授和训练的重点。但学生的思维十分开阔、活跃，不会仅限于课本。在教学中，就经常有学生提出这类问题：有没有一个光子打出多个光电子的情况？有没有多个光子打出一个光电子的情况？光照射到非金属表面会不会产生光电效应？有没有电子吸收了光子的能量却不逸出物体表面的情况，如果有，又会发生什么现象呢？等等。其实，正如学生推想的，光电效应的现象是很丰富的。高中教材中讲述的光电效应现象，只是其中十分典型的一种。而从字面上理解，光电效应是泛指光与物质相互作用时产生的各种电磁现象的总称。其效应可以表现为光电流、光电压、光电导或光电磁效应等很多种情况，应用也十分广泛。现在高中课程强调培养学生独立分析、解决问题的能力，因此，应用现有的物理知识、方法解决教材中没有学过的问题也是现在考试评价体系的一个发展趋势。而光电效应丰富的现象和蕴含的物理规律就提供了一个很好的考核内容。下面分析几个具体例子。例1：【北京2013年高考理综】20.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应。即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度较大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已经被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为v的普通光源照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）分析：此题研究的多光子光电效应是学生感到陌生的物理情境，因而有些学生感到束手无策。如何应用学过的相关知识解决这个新颖的问题呢？我们研究光电效应方程，发现它表达的是光电效应中能量的转化情况。而按照能量转化的思路分析这道题，就会十分清晰了。与单光子光电效应相同，我们仍以光电子为研究对象，它吸收了多个光子的能量nhν（n为正整数），克服金属逸出功W，剩下的光电子最大初动能为Ek=nhν-W0；此后光电子在反向电压U的作用下减速，光电流恰好减小到零时，最大初动能全部用于克服电场力做功，即Ek=eU，对整个过程则有eU=nhν-W，由于n为正整数，正确选项应为B。由上例可见，微观粒子相互作用涉及的物理过程是比较复杂的，我们不能按照经典的牛顿力学来分析，但在整个过程中依然遵守能量转化及守恒定律和动量守恒定律。因此，把握住光电效应过程中参与转化的各种能量形式及它们间的转化或转移的路径（关系）是解决这类问题的关键。用这个思路，我们可以再分析另一个光电转化现象――俄歇效应。俄歇效应是1925年发现、并以法国人Pierre Victor Auger的名字命名的一种光电转化现象。如图：用X光照射物质时，同时有两个光电子从一个原子中发射出来。其中一个与光电效应的光电子没有什么区别，其能量与入射光能量有关；但另一个电子的能量却仅与照射材料有关。这个现象叫俄歇效应。其中那个正常的光电子是X光直接使内壳层（能量较低）电子电离引起的。当这个光电子电离后，便留下一个空位，较高的能级上的电子就会填充到低能级的空位中去，并将释放的能量通过库仑相互作用传递给另一个高能级的电子使之电离。这个电子称为俄歇电子。俄歇效应是一种无辐射的跃迁。从上面的俄歇电子产生机制可以看出，俄歇电子不是通常意义的光电子，因此它的能量也不能套用光电效应方程来分析。但是，我们