光电效应的理论与实验

2018-02-05河南省商丘市第一高级中学郭宗浩

中学生数理化(高中版.高考理化) 2018年1期

■河南省商丘市第一高级中学郭宗浩

光既有波动性,又有粒子性,两者不是孤立的,而是有机的统一体,其表现规律为：(1)个别光子的作用效果往往表现为粒子性,大量光子的作用效果往往表现为波动性。(2)光的频率越低,波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;光的频率越高,粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强。(3)光在传播过程中往往表现为波动性;光在与物质发生作用时,往往表现为粒子性。(4)由光子的能量E=hν,光子的动量这两个表达式可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾。

例1(2017年高考全国Ⅲ卷)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub,光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量,则下列说法正确的是( )。

A.若νa＞νb,则一定有Ua＜Ub

B.若νa＞νb,则一定有Eka＞Ekb

C.若Ua＜Ub,则一定有Eka＜Ekb

D.若νa＞νb,则一定有hνa-Eka＞hνb-Ekb

解析：由爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W0,由动能定理得又有因此Ek=eUc。当νa＞νb时,Eka＞Ekb,Ua＞Ub。若Ua＜Ub,则一定有Eka＜Ekb。同种金属的逸出功不变,则W0=hν-Ek不变。答案为BC。

点评：发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率,光的强弱只影响单位时间内发出光电子的数目;光电子的最大初动能和遏止电压由照射光的频率和金属的逸出功决定;逸出功由金属本身决定,与光的频率无关。

例21905年,爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广,成功地解释了光电效应现象,提出了光子说。图1给出了与光电效应有关的四个图像,下列说法正确的是( )。

图1

A.图甲中,当紫外线照射锌板时,发现验电器指针发生了偏转,说明锌板带正电,验电器带负电

B.图乙中,从光电流与电压的关系可以看出,电压相同时,光照越强,光电流越大,说明遏止电压和光的强度有关

C.图丙中,若电子的电荷量用e表示,ν1、νc、U1已知,由Uc-ν图像可求得普朗克常量的表达式为

D.图丁中,由光电子最大初动能与入射光频率的关系可知,该金属的逸出功为E或hν0

解析：用紫外线灯发出的紫外线照射锌板,锌板失去电子带正电,验电器与锌板相连,则验电器的金属球和金属指针带正电。由图乙知电压相同时,光照越强,光电流越大,只能说明光电流的大小与光的强度有关,而遏止电压只与入射光的频率有关,与入射光的强度无关。根据爱因斯坦光电效应方程可知图像的斜率表示,即解得h=根据光电效应方程E=hν-W可k0知,Ek-ν图像的纵轴截距的绝对值表示逸出功,则逸出功为E。当最大初动能为零时,入射光的频率等于金属的极限频率,则金属的逸出功等于hν0。答案为CD。

点评：求解本题必须熟练掌握根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0得出的三个结论。(1)光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关,而与入射光的强弱无关。只有当hν＞W0时,才有光电子逸出是截止频率(也叫极限频率)。(2)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流几乎是瞬间产生的。(3)对于同种颜色(频率ν相同)的光,光较强时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流较大。

跟踪训练

1.某种单色光照射到金属表面上发生光电效应,如果入射光的强度减弱,频率不变,那么( )。

A.从光照到金属表面上到逸出光电子的时间间隔将明显增加

B.逸出的光电子的最大初动能将减小

C.单位时间内逸出的光电子数将减少

D.有可能不发生光电效应