浅谈高中物理光电效应饱和光电流的影响因素

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摘要：结合新课标教学新要求与授课实情，阐述了中学物理教材光电效应内容与一线教学的差异，对饱和光电流的影响因素以及恒定光强下饱和光电流与入射光频率的关系进行了分析，得出影响饱和光电流最重要的因素应当是光电效率。

关键词：新课标理念、光电效应、饱和光电流、入射光频率

中图分类号：G4 文献标识码：A

一、引言

随着新课标、新课程、新教材、新高考的落地和深入实施，一线教师理解课标，落实新理念，实施新教材，转变育人方式，改变学生的学习方式，推动教学指向深度学习的教学方式转变已成为当前教学改革的迫切要求。然而笔者从自身的一线教学过程中发现，新教材的部分知识点在授课过程中会使师生产生疑惑，课本以及相关参考书已经无法解释部分学生的问题，而部分教师受限于课程安排或自身原因，往往不做深究。《普通高中物理课程标准》中明确要求高中物理课程需“创设情境令学生乐于探究、善于实验，让学生基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提处质疑和批判，锻造创造性见解”。而在高中物理教学中，由于学段及知识层面的局限性，使得课本部分知识在授课时出现分歧，这个问题应当得到重视并解决，从而培养学生乐于探究、善于探究的核心素养。本文分析了光电效应中饱和光电流大小的影响因素，阐述了饱和光电流与入射光频率之间的可能关系，根据当前文献资料针对学生常见的共性问题进行分析。

人教版选择性必修三中对光电效应现象的描述包括以下几点：①.存在极限频率，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应；但伴随这激光的问世，光电效应光子“多对一”成为可能，中学物理教材中应当强调“普通光源”的前提；②.具备瞬时性，光电子的发射时间不超过；③.饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。中学物理教材表述如下：在光的频率不变的情况下，入射光越强，光子数越多，饱和电流越大。而事实真的如此么？饱和光电流的大小是否只由入射光子数决定呢？下面笔者针对该点进行详细分析。

二、饱和光电流的影响因素

1.饱和光电流的公式推导

光电效应中产生的饱和光电流I取决于从阴极材料出射的光电子数n，q表示光电子的电量大小

用S表示阴极材料的面积，E表示单位时间内打在阴极板上的总光能（假设入射光均匀照射），α表示入射光与阴极板的夹角，D表示光强，N表示入射总光子数：

在人教版教材中默认光电效应中入射光子与出射光电子是一一对应的关系，但实际我们需要考虑其中的转换效率，此处转换效率η可表示为：

由（6）式可知，在D、A、α确定的前提下，饱和光电流I的大小与阴极板处光电转换效率η成正比，与入射光的频率υ成反比，事实上材料不同，转换效率随入射光频率变化的曲线不同，它们之间的关系是非线性变化的，因此饱和光电流的大小是由多个因素同时影响的，其中包括入射光频率与转换效率，不能简单描述为随入射光频率的线性变化关系。另外，对于饱和光电流的大小而言，入射光频率与光电效率谁的影响更大也需要进行论证。

2.饱和光电流的决定性因素——光电效率

如图1所示，圆形表示光子数相同，此时饱和光电流只与光电效率有关；方形表示光强相同，此时饱和光电流受到光电效率和光子数的共同影响。根据图像可以发现，在这两种情况下的饱和光电流的变化趋势基本一致，因此我们可以初步得出光电效率对饱和光电流大小的影响更大。相较于中学阶段的光子数多少决定饱和光电流的大小，光电效率对饱和光电流的影响更大。

除此以外，笔者认为可能存在的影响饱和光电流大小的因素还有以下几个：

（1）电子做无规则热运动时会产生暗电流，此外光电管漏电也可能产生暗电流。

（2）自然光线室内会发生漫反射，如果进入光电管中会产生本底电流。

（3）照射光源本身的限制——单色性较低，实则可能并不是单一频率入射光。

（4）光子电子的碰撞散射作用。发生碰撞散射后，光子频率降低，若该作用较强，散射的光子频率降低到一定程度可能无法被吸收，也就可能无法产生光电子。

（5）强激光照射下的多光子光电效应，即使单个光子的频率小于截止频率，但吸收多个光子后仍可能发生光电效应，使得电子逸出。

三、总结

光电效应中饱和光电流与入射光频率之间的内在机制比较复杂，影响因素较多，不能简单描述为随入射光频率的线性变化关系，需要根据实际情况进行分析，在得出结论时需要约束好前提条件，考虑到外界可能存在的影响因素，方能得出严谨科学的结论，而中学阶段教材所论述的入射光子数与光电子一一对应的的假设实则不利于学生真正理解光电效应机制，因为相对于光子数目，光电转换效率的影响程度更大。

参考文献

[1]王志军，2013年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集，P335，2013

[2]李曙光，光电效应中饱和光电流与入射光频率的关系研究，大学物理实验，Vol.15 No.2，P4-17，2002（6）。

[3]王学军，光电效应中饱和光电流与入射光频率的关系，保定师专学报，Vol.12，1999（4）

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