多光子光電效應(yīng)的規(guī)律與啟示

摘 要：根據(jù)2013年北京高考理綜第20題即壓軸選擇題的考核內(nèi)容，對(duì)多光子光電效應(yīng)的物理現(xiàn)象、本質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行了全面的評(píng)析，著重于多光子光電效應(yīng)和單光子光電效應(yīng)的類(lèi)比研究，拓展了對(duì)光電效應(yīng)的理解。同時(shí)探討了該題的設(shè)計(jì)理念對(duì)未來(lái)選拔性命題的啟示作用。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；多光子；高考命題

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）11（S）-0043-2

2013年北京市高考理綜物理第20題即壓軸選擇題討論的是關(guān)于多光子光電效應(yīng)的問(wèn)題，考查了對(duì)多光子光電效應(yīng)微觀物理本質(zhì)的理解。從高考考查的角度講，該題做到了源于教材又高于教材，十分具有創(chuàng)新性和啟示性，其設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了今后選拔性考試的命題理念。本題的評(píng)析與回顧，可作為廣大教師教學(xué)與研究的一個(gè)參考。

原題如下：

以往我們認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖1。

用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率ν的強(qiáng)激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應(yīng)；此時(shí)，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽(yáng)極A接電源負(fù)極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場(chǎng)。逐漸增大U，光電流會(huì)逐漸減??；當(dāng)光電流恰好減小到零時(shí)，所加反向電壓U可能是下列的（其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量） （ ）

多光子光電效應(yīng)，這對(duì)中學(xué)學(xué)生而言是個(gè)陌生的概念。通常在高中甚至大學(xué)本科教育階段，涉及的光電效應(yīng)一般都是指單光子光電效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，單光子光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有這樣的特性：

1.存在著飽和電流；

2.存在著遏止電壓和截止頻率；

3.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。

為了解釋這些現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：

方程中，hν為金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子獲得的能量，ν為金屬的截止頻率，W為金屬的逸出功，Ekmax為電子逸出后的最大初動(dòng)能，U為使光電流減小到0的遏止電壓。

為什么一般討論的光電效應(yīng)都是指單光子光電效應(yīng)呢？

這是因?yàn)?，在使用普通光源的情況下，電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率是非常非常小的，幾乎為零。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦本人就思考過(guò)在強(qiáng)光下發(fā)生光電效應(yīng)的可能性問(wèn)題。對(duì)此，他有過(guò)如下的描述：光電效應(yīng)中一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的幾率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同時(shí)打在一個(gè)螞蟻身上的幾率。因此，多光子光電效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)成為可能，是二十世紀(jì)六十年代激光乃至強(qiáng)激光出現(xiàn)以后的事情。有了激光這個(gè)手段后，對(duì)于多光子光電效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上和理論上均取得了許多研究突破。利用超高強(qiáng)激光，人們不僅觀察到雙光子和三光子的光電效應(yīng)，甚至觀察到金靶材吸收幾十個(gè)等效光子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

可見(jiàn)，隨著n的增加，極限頻率呈臺(tái)階式逐漸遞減，而遏止電壓呈臺(tái)階式遞增的趨勢(shì)。這些變化意味著原本在單光子效應(yīng)下需要紫外光才能發(fā)生的光電效應(yīng)，現(xiàn)在低頻率的紅色強(qiáng)激光就可以使其發(fā)生。

（4）多光子光電效應(yīng)中電子對(duì)光子的響應(yīng)與單光子情形幾乎無(wú)差異，仍具有瞬時(shí)性。

由此可見(jiàn)，通常物理教學(xué)中所說(shuō)的光電效應(yīng)，主要是指單光子光電效應(yīng)，其適用的對(duì)象主要為普通光。但是到了光電效應(yīng)教學(xué)的后期拓展或復(fù)習(xí)階段，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度引入強(qiáng)激光作用下的多光子效應(yīng)。多光子在物理本質(zhì)上與單光子效應(yīng)并無(wú)異，應(yīng)注重對(duì)學(xué)生的物理思維和邏輯類(lèi)比能力的培養(yǎng)。

多光子光電效應(yīng)跳出了高中物理固有知識(shí)點(diǎn)的思路框架，結(jié)合了科學(xué)最前沿，對(duì)教學(xué)、學(xué)習(xí)與科研的結(jié)合起到了一定的引領(lǐng)作用。本題充分考查了學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的物理本質(zhì)理解以及對(duì)新知識(shí)的遷移能力，可以說(shuō)是做到了既立足于考綱又超脫于考綱。

這是2013年北京高考命題的一個(gè)亮點(diǎn)，也是未來(lái)命題風(fēng)格的一種趨勢(shì)，會(huì)對(duì)2014年以及此后的高考和自主招生等選拔性考試命題起到一定的示范作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯家合.“光電效應(yīng)”教學(xué)中應(yīng)明確的問(wèn)題[J].物理教學(xué)，2008，（7）：17.

[2]張長(zhǎng)吉.光電效應(yīng)中電子吸收多個(gè)光子的可能性探討[J].物理教師，2001，（4）：20.

[3]陳偉孟.激光產(chǎn)生機(jī)理的玻爾模型解釋[J].物理教學(xué)探討，2014，（1）：43.

（欄目編輯 羅琬華）

摘 要：根據(jù)2013年北京高考理綜第20題即壓軸選擇題的考核內(nèi)容，對(duì)多光子光電效應(yīng)的物理現(xiàn)象、本質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行了全面的評(píng)析，著重于多光子光電效應(yīng)和單光子光電效應(yīng)的類(lèi)比研究，拓展了對(duì)光電效應(yīng)的理解。同時(shí)探討了該題的設(shè)計(jì)理念對(duì)未來(lái)選拔性命題的啟示作用。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；多光子；高考命題

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）11（S）-0043-2

2013年北京市高考理綜物理第20題即壓軸選擇題討論的是關(guān)于多光子光電效應(yīng)的問(wèn)題，考查了對(duì)多光子光電效應(yīng)微觀物理本質(zhì)的理解。從高考考查的角度講，該題做到了源于教材又高于教材，十分具有創(chuàng)新性和啟示性，其設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了今后選拔性考試的命題理念。本題的評(píng)析與回顧，可作為廣大教師教學(xué)與研究的一個(gè)參考。

原題如下：

以往我們認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖1。

用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率ν的強(qiáng)激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應(yīng)；此時(shí)，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽(yáng)極A接電源負(fù)極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場(chǎng)。逐漸增大U，光電流會(huì)逐漸減??；當(dāng)光電流恰好減小到零時(shí)，所加反向電壓U可能是下列的（其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量） （ ）

多光子光電效應(yīng)，這對(duì)中學(xué)學(xué)生而言是個(gè)陌生的概念。通常在高中甚至大學(xué)本科教育階段，涉及的光電效應(yīng)一般都是指單光子光電效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，單光子光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有這樣的特性：

1.存在著飽和電流；

2.存在著遏止電壓和截止頻率；

3.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。

為了解釋這些現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：

方程中，hν為金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子獲得的能量，ν為金屬的截止頻率，W為金屬的逸出功，Ekmax為電子逸出后的最大初動(dòng)能，U為使光電流減小到0的遏止電壓。

為什么一般討論的光電效應(yīng)都是指單光子光電效應(yīng)呢？

這是因?yàn)椋谑褂闷胀ü庠吹那闆r下，電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率是非常非常小的，幾乎為零。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦本人就思考過(guò)在強(qiáng)光下發(fā)生光電效應(yīng)的可能性問(wèn)題。對(duì)此，他有過(guò)如下的描述：光電效應(yīng)中一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的幾率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同時(shí)打在一個(gè)螞蟻身上的幾率。因此，多光子光電效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)成為可能，是二十世紀(jì)六十年代激光乃至強(qiáng)激光出現(xiàn)以后的事情。有了激光這個(gè)手段后，對(duì)于多光子光電效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上和理論上均取得了許多研究突破。利用超高強(qiáng)激光，人們不僅觀察到雙光子和三光子的光電效應(yīng)，甚至觀察到金靶材吸收幾十個(gè)等效光子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

可見(jiàn)，隨著n的增加，極限頻率呈臺(tái)階式逐漸遞減，而遏止電壓呈臺(tái)階式遞增的趨勢(shì)。這些變化意味著原本在單光子效應(yīng)下需要紫外光才能發(fā)生的光電效應(yīng)，現(xiàn)在低頻率的紅色強(qiáng)激光就可以使其發(fā)生。

（4）多光子光電效應(yīng)中電子對(duì)光子的響應(yīng)與單光子情形幾乎無(wú)差異，仍具有瞬時(shí)性。

由此可見(jiàn)，通常物理教學(xué)中所說(shuō)的光電效應(yīng)，主要是指單光子光電效應(yīng)，其適用的對(duì)象主要為普通光。但是到了光電效應(yīng)教學(xué)的后期拓展或復(fù)習(xí)階段，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度引入強(qiáng)激光作用下的多光子效應(yīng)。多光子在物理本質(zhì)上與單光子效應(yīng)并無(wú)異，應(yīng)注重對(duì)學(xué)生的物理思維和邏輯類(lèi)比能力的培養(yǎng)。

多光子光電效應(yīng)跳出了高中物理固有知識(shí)點(diǎn)的思路框架，結(jié)合了科學(xué)最前沿，對(duì)教學(xué)、學(xué)習(xí)與科研的結(jié)合起到了一定的引領(lǐng)作用。本題充分考查了學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的物理本質(zhì)理解以及對(duì)新知識(shí)的遷移能力，可以說(shuō)是做到了既立足于考綱又超脫于考綱。

這是2013年北京高考命題的一個(gè)亮點(diǎn)，也是未來(lái)命題風(fēng)格的一種趨勢(shì)，會(huì)對(duì)2014年以及此后的高考和自主招生等選拔性考試命題起到一定的示范作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯家合.“光電效應(yīng)”教學(xué)中應(yīng)明確的問(wèn)題[J].物理教學(xué)，2008，（7）：17.

[2]張長(zhǎng)吉.光電效應(yīng)中電子吸收多個(gè)光子的可能性探討[J].物理教師，2001，（4）：20.

[3]陳偉孟.激光產(chǎn)生機(jī)理的玻爾模型解釋[J].物理教學(xué)探討，2014，（1）：43.

（欄目編輯 羅琬華）

摘 要：根據(jù)2013年北京高考理綜第20題即壓軸選擇題的考核內(nèi)容，對(duì)多光子光電效應(yīng)的物理現(xiàn)象、本質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行了全面的評(píng)析，著重于多光子光電效應(yīng)和單光子光電效應(yīng)的類(lèi)比研究，拓展了對(duì)光電效應(yīng)的理解。同時(shí)探討了該題的設(shè)計(jì)理念對(duì)未來(lái)選拔性命題的啟示作用。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；多光子；高考命題

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）11（S）-0043-2

2013年北京市高考理綜物理第20題即壓軸選擇題討論的是關(guān)于多光子光電效應(yīng)的問(wèn)題，考查了對(duì)多光子光電效應(yīng)微觀物理本質(zhì)的理解。從高考考查的角度講，該題做到了源于教材又高于教材，十分具有創(chuàng)新性和啟示性，其設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了今后選拔性考試的命題理念。本題的評(píng)析與回顧，可作為廣大教師教學(xué)與研究的一個(gè)參考。

原題如下：

以往我們認(rèn)識(shí)的光電效應(yīng)是單光子光電效應(yīng)，即一個(gè)電子在極短時(shí)間內(nèi)能吸收到一個(gè)光子而從金屬表面逸出。強(qiáng)激光的出現(xiàn)豐富了人們對(duì)于光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，用強(qiáng)激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個(gè)電子在短時(shí)間內(nèi)吸收多個(gè)光子成為可能，從而形成多光子電效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖1。

用頻率為ν的普通光源照射陰極K，沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng)，換用同樣頻率ν的強(qiáng)激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應(yīng)；此時(shí)，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽(yáng)極A接電源負(fù)極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場(chǎng)。逐漸增大U，光電流會(huì)逐漸減??；當(dāng)光電流恰好減小到零時(shí)，所加反向電壓U可能是下列的（其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電量） （ ）

多光子光電效應(yīng)，這對(duì)中學(xué)學(xué)生而言是個(gè)陌生的概念。通常在高中甚至大學(xué)本科教育階段，涉及的光電效應(yīng)一般都是指單光子光電效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，單光子光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有這樣的特性：

1.存在著飽和電流；

2.存在著遏止電壓和截止頻率；

3.光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。

為了解釋這些現(xiàn)象，愛(ài)因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程：

方程中，hν為金屬中的自由電子吸收一個(gè)光子獲得的能量，ν為金屬的截止頻率，W為金屬的逸出功，Ekmax為電子逸出后的最大初動(dòng)能，U為使光電流減小到0的遏止電壓。

為什么一般討論的光電效應(yīng)都是指單光子光電效應(yīng)呢？

這是因?yàn)椋谑褂闷胀ü庠吹那闆r下，電子吸收兩個(gè)以上光子能量的概率是非常非常小的，幾乎為零。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦本人就思考過(guò)在強(qiáng)光下發(fā)生光電效應(yīng)的可能性問(wèn)題。對(duì)此，他有過(guò)如下的描述：光電效應(yīng)中一個(gè)電子吸收兩個(gè)光子的幾率不會(huì)大于下雨天兩個(gè)雨滴同時(shí)打在一個(gè)螞蟻身上的幾率。因此，多光子光電效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)成為可能，是二十世紀(jì)六十年代激光乃至強(qiáng)激光出現(xiàn)以后的事情。有了激光這個(gè)手段后，對(duì)于多光子光電效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上和理論上均取得了許多研究突破。利用超高強(qiáng)激光，人們不僅觀察到雙光子和三光子的光電效應(yīng)，甚至觀察到金靶材吸收幾十個(gè)等效光子的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

可見(jiàn)，隨著n的增加，極限頻率呈臺(tái)階式逐漸遞減，而遏止電壓呈臺(tái)階式遞增的趨勢(shì)。這些變化意味著原本在單光子效應(yīng)下需要紫外光才能發(fā)生的光電效應(yīng)，現(xiàn)在低頻率的紅色強(qiáng)激光就可以使其發(fā)生。

（4）多光子光電效應(yīng)中電子對(duì)光子的響應(yīng)與單光子情形幾乎無(wú)差異，仍具有瞬時(shí)性。

由此可見(jiàn)，通常物理教學(xué)中所說(shuō)的光電效應(yīng)，主要是指單光子光電效應(yīng)，其適用的對(duì)象主要為普通光。但是到了光電效應(yīng)教學(xué)的后期拓展或復(fù)習(xí)階段，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度引入強(qiáng)激光作用下的多光子效應(yīng)。多光子在物理本質(zhì)上與單光子效應(yīng)并無(wú)異，應(yīng)注重對(duì)學(xué)生的物理思維和邏輯類(lèi)比能力的培養(yǎng)。

多光子光電效應(yīng)跳出了高中物理固有知識(shí)點(diǎn)的思路框架，結(jié)合了科學(xué)最前沿，對(duì)教學(xué)、學(xué)習(xí)與科研的結(jié)合起到了一定的引領(lǐng)作用。本題充分考查了學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的物理本質(zhì)理解以及對(duì)新知識(shí)的遷移能力，可以說(shuō)是做到了既立足于考綱又超脫于考綱。

這是2013年北京高考命題的一個(gè)亮點(diǎn)，也是未來(lái)命題風(fēng)格的一種趨勢(shì)，會(huì)對(duì)2014年以及此后的高考和自主招生等選拔性考試命題起到一定的示范作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯家合.“光電效應(yīng)”教學(xué)中應(yīng)明確的問(wèn)題[J].物理教學(xué)，2008，（7）：17.

[2]張長(zhǎng)吉.光電效應(yīng)中電子吸收多個(gè)光子的可能性探討[J].物理教師，2001，（4）：20.

[3]陳偉孟.激光產(chǎn)生機(jī)理的玻爾模型解釋[J].物理教學(xué)探討，2014，（1）：43.

（欄目編輯 羅琬華）