从六个角度闸述光电效应问题-《中学生数理化》高考理化2023年7-8月刊

■浙江省桐乡第一中学 李 鑫 原子物理相对力学、电学、磁学而言不算 难点,但由于部分地区师生对原子物理这部 分内容不够重视,而导致部分同学在初学阶 段就没能及时掌握原子物理中的部分关键问 题,叠加原子物理相关内容琐碎,牵扯的知识 细节较多,导致在高考中原子物理相关内容 反而成为同学们的易丢分点。下面选择原子 物理知识模块中综合性较强,涉及知识面较 广的光电效应问题,从六个角度进行阐述,以 帮助同学们复习备考。 一、历史回眸 光电效应现象最早是由赫兹发现的,但 是他并没有开展系统的光电效应研究。爱因 斯坦是理论物理学家,他从理论上借用普朗 克的量子假说成功解释了光电效应。 厘清原子物理发展进程中各个阶段物理 学家发现的物理现象并做出相应解释,并不 容易。同学们若有兴趣可以认真研读《量子 史话》这本科普读物,它可以很好地帮助我们 看清那段波澜壮阔的物理发展历程。 二、基础概念 光电效应发生得非常快,从金属中逃逸 的电子会飞向空气。 注意:光子的入射频率与截止频率无关, 光电子是电子不是光子,光电子逃逸的动能 分布在一定区间内,不是所有光电子的动能 都是最大初动能。 例 1 如图1所示,用导线将验电器与 某种金属板连接,用绿光照射金属板,验电器 指针发生偏转,下列判断正确的是( )。 A.改用红光照射金属板,验电器指针仍 图1 会发生偏转 B.减弱绿光的强度,验电器指针仍会发 生偏转 C.若验电器原来带负电,则指针偏转角 先变小后变大 D.若验电器原来带正电,则指针偏转角 先变小后变大 解析:改用红光照射金属板,因红光的频 率小于绿光的频率,故不一定会发生光电效 应,验电器指针不一定会发生偏转,选项 A 错误。即使减弱绿光的强度,验电器指针仍 会发生偏转,原因是入射光的频率没变,选项 B正确。因为发生光电效应时,金属板失去 电子带正电,所以用验电器与金属板接触,验 电器也带正电,若验电器原来带负电,则指针 偏转角先变小后变大,若验电器原来带正电, 则指针偏转角变大,选项C正确,D错误。 答案:BC 点评:不少同学会错选D,究其原因是以 为逃逸电子顺着导线到了验电器上,这个就 是认知错误了。 细节补遗:1887年,赫兹在研究电磁波 的实验中发现,接收电路的间隙若受到光照, 则会产生电火花,这种电火花就是从金属表 面逸出的电子。这是最早发现的光电效应。 按照爱因斯坦的理论,得到的爱因斯坦光电 31 物理部分 知识结构与拓展 高考理化 2023年7—8月 效应方程为Ek=hν-W0,式中Ek= 1 2mev 2 是光电子的最大初动能,h 为普朗克常量,ν 为光子的频率,W0 为电子克服金属的逸出 功。爱因斯坦光电效应方程使得光电效应中 理论与实验的矛盾迎刃而解。 三、对光电效应电路装置的认知 求解涉及光电效应装置的问题时,一要 明白光电子、截止频率、遏止电压、逸出功、阴 极和阳极、正向和反向电压的定义;二要清楚 光电效应的本质,即解释光电效应的关键方 程Ek=hν-W0,Ek 指的是光电子的最大初 动能,W0 指的是逸出功,是金属导体束缚表 面电子的本领,只有当hν>W0 时,才有光电 子逸出,逸出功决定了截止频率,最大初动能 决定了遏止电压,若所加电压能使得光电子 加速奔向正极,则为正向电压。 例 2 如图2所示是研究光电效应的 实验装置,某同学进行了如下操作:(1)用频 率为ν1 的光照射光电管,此时微安表中有电 流,将滑动变阻器的滑片P 调至位置 M(图 中未画出),使微安表示数恰好变为0,此时 电压表示数为U1;(2)用频率为ν2 的光照射 光电管,将滑片 P 调至位置 N(图中未画 出),使微安表示数恰好变为0,此时电压表 的示数为U2。已知元电荷为e,ν1<ν2。关于 该实验,下列说法中正确的是( )。 图2 A.位置 M 比N 更靠近b端 B.位置 M、N 与光强有关 C.可求得普朗克常量为 e(U1-U2) ν2-ν1 D.该 光 电 管 中 金 属 的 极 限 频 率 为 ν2U1-ν1U2 U1-U2 解析:根据电路图,结合逸出电子受到电 场阻力时,微安表示数才可能为零,易知只有 阴极K的电势高于阳极A的电势,即滑片P 向a 端滑动,才能实现微安表示数恰好变为 零,根据光电效应方程得 Ek=hν-W0= eUc,因ν1<ν2,则U1<U2,即位置 M 对应的 电压较小,位置 M 比N 更靠近b端,选项A 正确。位置 M、N 对应的是遏止电压,与入 射光的频率有关,与入射光的光强无关,选项 B错误。根据光电效应方程得 Ek1=hν1- W0=eU1,Ek2=hν2-W0=eU2,解得普朗克 常 量 h= e(U2-U1) ν2-ν1 ,逸 出 功 W0 = eU2ν1-eU