高考物理光电效应专题详析

王玉艳

(河北省盐山中学)

光电效应就是光和电之间的转化,它是指某种高于某种特定金属特定频率(极限频率)的电磁波照射该金属时会使该金属的核外电子吸收能量后逃逸出金属表面从而形成自由电子而形成电流的现象,爱因斯坦对光电效应现象的成功解释为量子力学的发展奠定了坚实的基础,开启了量子力学的黄金时代。高考对这部分内容不仅要求其基本概念的理解和应用,还要在实际问题当中会分析拓展,本文对光电效应内容在近几年高考考查情况分析总结。

一、光电效应的基本规律

如图1是研究光电效应的电路图。

图1

(一)光电效应现象

在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象,称为光电效应,发射出来的电子称为光电子。注意光电子的本质是电子,而不是光子。

(二)爱因斯坦光电效应方程

1.光子说

在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光的能量子,简称光子,光子的能量ε=hν。其中h=6.63×10-34J·s。(称为普朗克常量)

2.逸出功W0

使电子脱离某种金属所做功的最小值。注意,金属越活跃,逸出功越小,越容易发生光电效应

3.最大初动能

最大初动能:发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。注意,光电子的初动能和最大初动能不总是相等的,初动能介于0～Ekm之间。

4.爱因斯坦光电效应方程表达式：Ek=hν-W0

(三)光电效应经典解释

1.不应存在极限频率。

2.遏止电压Uc应该与光的强弱有关。

3.电子获得逸出表面所需的能量需要的时间远远大于实验中产生光电流的时间。

【例1】(2023华侨、港澳、台联考卷)利用如图2所示的电路做光电效应实验,通过改变滑动变阻器的滑动头位置,可获得光电流强度与电压的关系图线。实验中使用了几种已知频率的入射光照射光电管,这些光入射后在电路中均出现了光电流。保持电路接法不变,通过实验可以测出

( )

A.普朗克常量

B.金属的逸出功

C.光电子脱离金属后的最大初动能

D.一定光强下的饱和光电流

图2

【答案】D

【分析】当光电管接反向电压时,调节滑动变阻器,可测量遏止电压,接正向电压时,无法测量遏止电压,无法求解光电子脱离金属后的最大初动能;根据光电效应方程分析可知,无法测量普朗克常量和金属的逸出功;当电流达到饱和光电流时,再增大光电管两端的电压,电流不变。

【解析】将电源反接,调节滑动变阻器,当电流表的示数为0时,电压表此时的示数为遏止电压,由动能定理得,光电子获得的最大初动能Ekm=eU,若保持电路接法不变,则无法测量光电子脱离金属后的最大初动能,C错误;根据光电效应方程得Ekm=hν-W0,入射光的频率ν已知,保持电路接法不变,无法测量光电子获得的最大初动能,则无法测量普朗克常量h和金属的逸出功W0,AB错误;调节滑动变阻器,当电流表的示数不再增大时,电流表的示数为该光强下的饱和光电流,D正确。

【点评】本题考查光电效应,解题关键是掌握遏止电压的测量方法,掌握光电效应方程,结合动能定理分析即可。

二、光电效应规律的理解及应用

光电效应的五个规律:

(一)存在截止频率νc:能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。

(二)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光的频率增大而增大。

(三)存在饱和电流:在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。光电流的强度与入射光的强度成正比。注意,光照强度决定着每秒钟光源发射的光子数,频率决定着每个光子的能量。光强表示一个光子的能量乘以单位时间内的光子个数,如果光的频率不变,那么一个光子的能量就不变,如果光照强度不变,那么单位时间内发射出的光子数目也不变,随着时间增加单位时间内放射出的光电子数目也不变。

(五)光照射到金属表面时,光电子的发射几乎是瞬时的。

【例2】(2023广州一模)如图3,放映电影时,强光照在胶片上,一方面,将胶片上的“影”投到屏幕上;另一方面,通过声道后的光照在光电管上,随即产生光电流,喇叭发出与画面同步的声音。电影实现声音与影像同步,主要应用了光电效应的下列哪一条规律

( )

图3

A.光电效应的发生时间极短,光停止照射,光电效应立即停止

B.入射光的频率必须大于金属的极限频率,光电效应才能发生

C.光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随着入射光的频率增大而增大

D.当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度随入射光的强度增大而增大

【答案】A

【分析】电影实现声音与影像同步,是利用了光电效应的发生时间的特点,结合题意完成分析。

【解析】电影实现声音与摄像同步,主要应用了光电效应中的规律是,光电效应的发生时间极短,光停止照射,光电效应立即停止,依据该原理实现声音与影像同步,故A正确,BCD错误。

【点评】本题主要考查了光电效应的相关应用,理解光电效应的特点,结合生活实例完成分析。我们可以把光电效应的研究总结两条思路

1.两条思路:

2.两条对应关系:

入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大;

光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。

三、光电效应图像的理解和应用

光电效应的三类图像

【例3】(2022·河北卷·4)如图4是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知

( )

A.钠的逸出功为hνc

B.钠的截止频率为8.5×1014Hz

C.图中直线的斜率为普朗克常量

D.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比

图4

【答案】A

【分析】根据光电效应方程结合图像得出钠的逸出功和直线的斜率,同时分析出直线的类型。

【点评】本题主要考查了光电效应方程的相关应用,熟悉图像的物理意义,理解物理学概念即可完成分析解答光电效应有关图像问题的三个“关键”:一、明确图像的种类;二、弄清图像的纵轴、横轴截距的物理意义;三、选准光电效应的有关方程。

四、巩固练习

1.(2023·1月浙江卷·11)被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星,领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测,其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中,有η(η<1)被天眼接收,天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h,则该天体发射频率为ν光子的功率为

( )

图5

【答案】A

【分析】根据题意结合球的表面积的计算公式、圆形面积公式、光子能量计算公式以及功率的计算公式求解即可。

【解析】以天体为球心,在天眼处对应的球形的表面积为S1=4πL2

天眼接收光子的横截面的面积为S2=πR2

天眼接收光子的功率为P1=Nhν

【点评】本题考查光子能量计算公式以及功率的计算公式,解答本题的关键是能够根据题中给出的信息进行分析,求解即可。

2.(2023春武汉期末测试)武汉某学校科技兴趣小组同学们设计了一个烟雾探测器,如图6,S为光源,当有烟雾进入探测器时,S发出的光被烟雾散射进入光电管C。光射到光电管中的钠表面产生光电子,当光电流大于或等于I时,探测器触发报警系统报警。已知真空中光速为c,钠的截止频率为ν0,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是

( )

图6

A.用截止频率更高的材料取代钠,探测器一定可以正常工作

C.光源S发出光只要光强足够大,探测器一定可以正常工作

D.探测器正常工作,仅增大光电管C的正向电压,光电流一定增大

【答案】B

【分析】根据光电效应发生的条件判断探测器是否可以正常工作;根据产生光电效应的条件,结合极限频率与极限波长关系,即可求解最大波长;发生光电效应的条件与光频率有关,与光照强度无关;依据光电流是否达到饱和电流分析光电流的变化。

【点评】此题考查了爱因斯坦光电效应的规律,属于物理知识在日常生活中的应用,解决本题的关键是掌握光的频率与波长关系,注意饱和电流的概念。

3.(2023春广东东莞期末测试)胶片电影利用光电管把“声音的照片”还原成声音,如图7所示,在电影放映机中用频率和强度不变的一极窄光束照射声音轨道,在胶片移动的过程中,通过声音轨道后的光强随之变化,光束射向内表面涂有光电材料作为阴极的光电管后释放出光电子,在电路中产生变化的电流,把声音放大还原,则

( )

图7

A.任何频率的光通过声音轨道照射在光电管上都可以释放出光电子

B.单位时间光电管中产生光电子数目将随胶片移动发生变化

C.光电管中产生光电子的最大初动能将随胶片移动发生变化

D.由于吸收光子能量需要积累能量的时间,以致声像有明显不同步

【答案】B

【分析】根据发生光电效应的条件分析A,光照强度决定光电子数多少;根据光电效应方程分析C,电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间。

【解析】产生光电效应的条件是照射光的频率要大于光电材料的截止频率,故A错误;对于同种频率的光,在发生光电效应的情况下,照射光强度越大,单位时间内照射到金属表面的光子数越多,照射金属时产生的光电子越多,因而光电管中产生光电子数目将随胶片移动发生变化,故B正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W可知,光电子的最大初动能与入射光的频率ν有关,而与胶片移动无关,故C错误;电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时产生的,即使声像明显不同步也不是其主要原因,故D错误。

【点评】本题考查了光电效应的知识,入射光的频率大于金属的极限频率时发生光电效应,有光电子产生,电路中有电流,可以还原出声音。

4.(2023春天津南开区期末测试)1905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。下列有关光电效应的图与图像,说法正确的是

( )

甲

A.图8甲中,把紫外线灯换成红外线灯,验电器指针也会发生偏转

B.图8乙中,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8丙中,图像的斜率为普朗克常量h

D.图8丁中,由图像可知该金属的逸出功为E或hν0

【答案】D

【分析】验电器的指针发生偏转,仅仅能说明验电器带电;光照越强,光电流越大,说明饱和光电流与光的强度有关;入射光的频率增大,光电子的最大初动能增大,遏止电压增大。根据光电效应方程得出Uc-ν的关系式,通过关系式得出斜率、截距表示的含义。根据光电效应方程,结合图线的纵轴截距求出金属的逸出功,结合横轴截距得出金属的极限频率,从而得出逸出功。

【点评】该题考查对光电效应的规律以及与光电效应有关的几个图像的理解。遏止电压:使光电流减小到零时的最小反向电压Uc。截止频率:能使某种金属发生光电效应的最小频率,不同的金属对应着不同的截止频率。逸出功:电子从金属中逸出所需做功的最小值。

五、结语

物理是一门具有很强逻辑性思维的学科,随着高考越来越强调对学生综合素质的考查,作为一名理科生在应用物理知识解题时,应该要有意识地在将所学的物理知识应用于物理解题中,同时还要将抽象的理论知识应用于实际情境中。因此,教师要针对特定题目,结合内容的特点,合理地建立相应的物理模型,培养学生抽象的思维能力。高考对光电效应问题的考查不仅限于基础知识的理解和应用,更在实际问题中要会分析、会应用。因此,培养学生在实际的情境中建立相应的物理模型、分析物理过程的能力尤为重要。