高考物理光電效應專題詳析

王玉艷

(河北省鹽山中學)

光電效應就是光和電之間的轉化,它是指某種高于某種特定金屬特定頻率(極限頻率)的電磁波照射該金屬時會使該金屬的核外電子吸收能量后逃逸出金屬表面從而形成自由電子而形成電流的現象,愛因斯坦對光電效應現象的成功解釋為量子力學的發展奠定了堅實的基礎,開啟了量子力學的黃金時代。高考對這部分內容不僅要求其基本概念的理解和應用,還要在實際問題當中會分析拓展,本文對光電效應內容在近幾年高考考查情況分析總結。

一、光電效應的基本規律

如圖1是研究光電效應的電路圖。

圖1

(一)光電效應現象

在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現象,稱為光電效應,發射出來的電子稱為光電子。注意光電子的本質是電子,而不是光子。

(二)愛因斯坦光電效應方程

1.光子說

在空間傳播的光是不連續的,而是一份一份的,每一份叫作一個光的能量子,簡稱光子,光子的能量ε=hν。其中h=6.63×10-34J·s。(稱為普朗克常量)

2.逸出功W0

使電子脫離某種金屬所做功的最小值。注意,金屬越活躍,逸出功越小,越容易發生光電效應

3.最大初動能

最大初動能:發生光電效應時,金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。注意,光電子的初動能和最大初動能不總是相等的,初動能介于0～Ekm之間。

4.愛因斯坦光電效應方程表達式：Ek=hν-W0

(三)光電效應經典解釋

1.不應存在極限頻率。

2.遏止電壓Uc應該與光的強弱有關。

3.電子獲得逸出表面所需的能量需要的時間遠遠大于實驗中產生光電流的時間。

【例1】(2023華僑、港澳、臺聯考卷)利用如圖2所示的電路做光電效應實驗,通過改變滑動變阻器的滑動頭位置,可獲得光電流強度與電壓的關系圖線。實驗中使用了幾種已知頻率的入射光照射光電管,這些光入射后在電路中均出現了光電流。保持電路接法不變,通過實驗可以測出

( )

A.普朗克常量

B.金屬的逸出功

C.光電子脫離金屬后的最大初動能

D.一定光強下的飽和光電流

圖2

【答案】D

【分析】當光電管接反向電壓時,調節滑動變阻器,可測量遏止電壓,接正向電壓時,無法測量遏止電壓,無法求解光電子脫離金屬后的最大初動能;根據光電效應方程分析可知,無法測量普朗克常量和金屬的逸出功;當電流達到飽和光電流時,再增大光電管兩端的電壓,電流不變。

【解析】將電源反接,調節滑動變阻器,當電流表的示數為0時,電壓表此時的示數為遏止電壓,由動能定理得,光電子獲得的最大初動能Ekm=eU,若保持電路接法不變,則無法測量光電子脫離金屬后的最大初動能,C錯誤;根據光電效應方程得Ekm=hν-W0,入射光的頻率ν已知,保持電路接法不變,無法測量光電子獲得的最大初動能,則無法測量普朗克常量h和金屬的逸出功W0,AB錯誤;調節滑動變阻器,當電流表的示數不再增大時,電流表的示數為該光強下的飽和光電流,D正確。

【點評】本題考查光電效應,解題關鍵是掌握遏止電壓的測量方法,掌握光電效應方程,結合動能定理分析即可。

二、光電效應規律的理解及應用

光電效應的五個規律:

(一)存在截止頻率νc:能使某種金屬發生光電效應的入射光的最小頻率叫作該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。不同的金屬對應著不同的極限頻率。

(二)光電子的最大初動能與入射光的強度無關,只隨入射光的頻率增大而增大。

(三)存在飽和電流:在光的頻率不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大。光電流的強度與入射光的強度成正比。注意,光照強度決定著每秒鐘光源發射的光子數,頻率決定著每個光子的能量。光強表示一個光子的能量乘以單位時間內的光子個數,如果光的頻率不變,那么一個光子的能量就不變,如果光照強度不變,那么單位時間內發射出的光子數目也不變,隨著時間增加單位時間內放射出的光電子數目也不變。

(五)光照射到金屬表面時,光電子的發射幾乎是瞬時的。

【例2】(2023廣州一模)如圖3,放映電影時,強光照在膠片上,一方面,將膠片上的“影”投到屏幕上;另一方面,通過聲道后的光照在光電管上,隨即產生光電流,喇叭發出與畫面同步的聲音。電影實現聲音與影像同步,主要應用了光電效應的下列哪一條規律

( )

圖3

A.光電效應的發生時間極短,光停止照射,光電效應立即停止

B.入射光的頻率必須大于金屬的極限頻率,光電效應才能發生

C.光電子的最大初動能與入射光的強度無關,只隨著入射光的頻率增大而增大

D.當入射光的頻率大于極限頻率時,光電流的強度隨入射光的強度增大而增大

【答案】A

【分析】電影實現聲音與影像同步,是利用了光電效應的發生時間的特點,結合題意完成分析。

【解析】電影實現聲音與攝像同步,主要應用了光電效應中的規律是,光電效應的發生時間極短,光停止照射,光電效應立即停止,依據該原理實現聲音與影像同步,故A正確,BCD錯誤。

【點評】本題主要考查了光電效應的相關應用,理解光電效應的特點,結合生活實例完成分析。我們可以把光電效應的研究總結兩條思路

1.兩條思路:

2.兩條對應關系:

入射光強度大→光子數目多→發射光電子多→光電流大;

光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。

三、光電效應圖像的理解和應用

光電效應的三類圖像

【例3】(2022·河北卷·4)如圖4是密立根于1916年發表的鈉金屬光電效應的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實驗曲線,該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程,并且第一次利用光電效應實驗測定了普朗克常量h。由圖像可知

( )

A.鈉的逸出功為hνc

B.鈉的截止頻率為8.5×1014Hz

C.圖中直線的斜率為普朗克常量

D.遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比

圖4

【答案】A

【分析】根據光電效應方程結合圖像得出鈉的逸出功和直線的斜率,同時分析出直線的類型。

【點評】本題主要考查了光電效應方程的相關應用,熟悉圖像的物理意義,理解物理學概念即可完成分析解答光電效應有關圖像問題的三個“關鍵”:一、明確圖像的種類;二、弄清圖像的縱軸、橫軸截距的物理意義;三、選準光電效應的有關方程。

四、鞏固練習

1.(2023·1月浙江卷·11)被譽為“中國天眼”的大口徑球面射電望遠鏡已發現660余顆新脈沖星,領先世界。天眼對距地球為L的天體進行觀測,其接收光子的橫截面半徑為R。若天體射向天眼的輻射光子中,有η(η<1)被天眼接收,天眼每秒接收到該天體發出的頻率為ν的N個光子。普朗克常量為h,則該天體發射頻率為ν光子的功率為

( )

圖5

【答案】A

【分析】根據題意結合球的表面積的計算公式、圓形面積公式、光子能量計算公式以及功率的計算公式求解即可。

【解析】以天體為球心,在天眼處對應的球形的表面積為S1=4πL2

天眼接收光子的橫截面的面積為S2=πR2

天眼接收光子的功率為P1=Nhν

【點評】本題考查光子能量計算公式以及功率的計算公式,解答本題的關鍵是能夠根據題中給出的信息進行分析,求解即可。

2.(2023春武漢期末測試)武漢某學?？萍寂d趣小組同學們設計了一個煙霧探測器,如圖6,S為光源,當有煙霧進入探測器時,S發出的光被煙霧散射進入光電管C。光射到光電管中的鈉表面產生光電子,當光電流大于或等于I時,探測器觸發報警系統報警。已知真空中光速為c,鈉的截止頻率為ν0,電子的電荷量為e,則下列說法正確的是

( )

圖6

A.用截止頻率更高的材料取代鈉,探測器一定可以正常工作

C.光源S發出光只要光強足夠大,探測器一定可以正常工作

D.探測器正常工作,僅增大光電管C的正向電壓,光電流一定增大

【答案】B

【分析】根據光電效應發生的條件判斷探測器是否可以正常工作;根據產生光電效應的條件,結合極限頻率與極限波長關系,即可求解最大波長;發生光電效應的條件與光頻率有關,與光照強度無關;依據光電流是否達到飽和電流分析光電流的變化。

【點評】此題考查了愛因斯坦光電效應的規律,屬于物理知識在日常生活中的應用,解決本題的關鍵是掌握光的頻率與波長關系,注意飽和電流的概念。

3.(2023春廣東東莞期末測試)膠片電影利用光電管把“聲音的照片”還原成聲音,如圖7所示,在電影放映機中用頻率和強度不變的一極窄光束照射聲音軌道,在膠片移動的過程中,通過聲音軌道后的光強隨之變化,光束射向內表面涂有光電材料作為陰極的光電管后釋放出光電子,在電路中產生變化的電流,把聲音放大還原,則

( )

圖7

A.任何頻率的光通過聲音軌道照射在光電管上都可以釋放出光電子

B.單位時間光電管中產生光電子數目將隨膠片移動發生變化

C.光電管中產生光電子的最大初動能將隨膠片移動發生變化

D.由于吸收光子能量需要積累能量的時間,以致聲像有明顯不同步

【答案】B

【分析】根據發生光電效應的條件分析A,光照強度決定光電子數多少;根據光電效應方程分析C,電子一次性吸收光子的全部能量,不需要積累能量的時間。

【解析】產生光電效應的條件是照射光的頻率要大于光電材料的截止頻率,故A錯誤;對于同種頻率的光,在發生光電效應的情況下,照射光強度越大,單位時間內照射到金屬表面的光子數越多,照射金屬時產生的光電子越多,因而光電管中產生光電子數目將隨膠片移動發生變化,故B正確;根據愛因斯坦光電效應方程Ek=hν-W可知,光電子的最大初動能與入射光的頻率ν有關,而與膠片移動無關,故C錯誤;電子一次性吸收光子的全部能量,不需要積累能量的時間,光電流自然幾乎是瞬時產生的,即使聲像明顯不同步也不是其主要原因,故D錯誤。

【點評】本題考查了光電效應的知識,入射光的頻率大于金屬的極限頻率時發生光電效應,有光電子產生,電路中有電流,可以還原出聲音。

4.(2023春天津南開區期末測試)1905年,愛因斯坦把普朗克的量子化概念進一步推廣,成功地解釋了光電效應現象,提出了光子說。下列有關光電效應的圖與圖像,說法正確的是

( )

甲

A.圖8甲中,把紫外線燈換成紅外線燈,驗電器指針也會發生偏轉

B.圖8乙中,電壓相同時,光照越強,光電流越大,說明遏止電壓和光的強度有關

C.圖8丙中,圖像的斜率為普朗克常量h

D.圖8丁中,由圖像可知該金屬的逸出功為E或hν0

【答案】D

【分析】驗電器的指針發生偏轉,僅僅能說明驗電器帶電;光照越強,光電流越大,說明飽和光電流與光的強度有關;入射光的頻率增大,光電子的最大初動能增大,遏止電壓增大。根據光電效應方程得出Uc-ν的關系式,通過關系式得出斜率、截距表示的含義。根據光電效應方程,結合圖線的縱軸截距求出金屬的逸出功,結合橫軸截距得出金屬的極限頻率,從而得出逸出功。

【點評】該題考查對光電效應的規律以及與光電效應有關的幾個圖像的理解。遏止電壓:使光電流減小到零時的最小反向電壓Uc。截止頻率:能使某種金屬發生光電效應的最小頻率,不同的金屬對應著不同的截止頻率。逸出功:電子從金屬中逸出所需做功的最小值。

五、結語

物理是一門具有很強邏輯性思維的學科,隨著高考越來越強調對學生綜合素質的考查,作為一名理科生在應用物理知識解題時,應該要有意識地在將所學的物理知識應用于物理解題中,同時還要將抽象的理論知識應用于實際情境中。因此,教師要針對特定題目,結合內容的特點,合理地建立相應的物理模型,培養學生抽象的思維能力。高考對光電效應問題的考查不僅限于基礎知識的理解和應用,更在實際問題中要會分析、會應用。因此,培養學生在實際的情境中建立相應的物理模型、分析物理過程的能力尤為重要。