光電效應(yīng)的理論與實驗

■河南省商丘市第一高級中學(xué) 郭宗浩

光既有波動性,又有粒子性,兩者不是孤立的,而是有機(jī)的統(tǒng)一體,其表現(xiàn)規(guī)律為：(1)個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性,大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。(2)光的頻率越低,波動性越顯著,越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象;光的頻率越高,粒子性越顯著,越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象,貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)。(3)光在傳播過程中往往表現(xiàn)為波動性;光在與物質(zhì)發(fā)生作用時,往往表現(xiàn)為粒子性。(4)由光子的能量E=hν,光子的動量這兩個表達(dá)式可以看出,光的波動性和粒子性并不矛盾。

例1(2017年高考全國Ⅲ卷)在光電效應(yīng)實驗中,分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上,測得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub,光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量,則下列說法正確的是( )。

A.若νa＞νb,則一定有Ua＜Ub

B.若νa＞νb,則一定有Eka＞Ekb

C.若Ua＜Ub,則一定有Eka＜Ekb

D.若νa＞νb,則一定有hνa-Eka＞hνb-Ekb

解析：由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得Ek=hν-W0,由動能定理得又有因此Ek=eUc。當(dāng)νa＞νb時,Eka＞Ekb,Ua＞Ub。若Ua＜Ub,則一定有Eka＜Ekb。同種金屬的逸出功不變,則W0=hν-Ek不變。答案為BC。

點評：發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率,光的強(qiáng)弱只影響單位時間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目;光電子的最大初動能和遏止電壓由照射光的頻率和金屬的逸出功決定;逸出功由金屬本身決定,與光的頻率無關(guān)。

例21905年,愛因斯坦把普朗克的量子化概念進(jìn)一步推廣,成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象,提出了光子說。圖1給出了與光電效應(yīng)有關(guān)的四個圖像,下列說法正確的是( )。

圖1

A.圖甲中,當(dāng)紫外線照射鋅板時,發(fā)現(xiàn)驗電器指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn),說明鋅板帶正電,驗電器帶負(fù)電

B.圖乙中,從光電流與電壓的關(guān)系可以看出,電壓相同時,光照越強(qiáng),光電流越大,說明遏止電壓和光的強(qiáng)度有關(guān)

C.圖丙中,若電子的電荷量用e表示,ν1、νc、U1已知,由Uc-ν圖像可求得普朗克常量的表達(dá)式為

D.圖丁中,由光電子最大初動能與入射光頻率的關(guān)系可知,該金屬的逸出功為E或hν0

解析：用紫外線燈發(fā)出的紫外線照射鋅板,鋅板失去電子帶正電,驗電器與鋅板相連,則驗電器的金屬球和金屬指針帶正電。由圖乙知電壓相同時,光照越強(qiáng),光電流越大,只能說明光電流的大小與光的強(qiáng)度有關(guān),而遏止電壓只與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知圖像的斜率表示,即解得h=根據(jù)光電效應(yīng)方程E=hν-W可k0知,Ek-ν圖像的縱軸截距的絕對值表示逸出功,則逸出功為E。當(dāng)最大初動能為零時,入射光的頻率等于金屬的極限頻率,則金屬的逸出功等于hν0。答案為CD。

點評：求解本題必須熟練掌握根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0得出的三個結(jié)論。(1)光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν有關(guān),而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。只有當(dāng)hν＞W(wǎng)0時,才有光電子逸出是截止頻率(也叫極限頻率)。(2)電子一次性吸收光子的全部能量,不需要積累能量的時間,光電流幾乎是瞬間產(chǎn)生的。(3)對于同種顏色(頻率ν相同)的光,光較強(qiáng)時,包含的光子數(shù)較多,照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多,因而飽和電流較大。

跟蹤訓(xùn)練

1.某種單色光照射到金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng),如果入射光的強(qiáng)度減弱,頻率不變,那么( )。

A.從光照到金屬表面上到逸出光電子的時間間隔將明顯增加

B.逸出的光電子的最大初動能將減小

C.單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)將減少

D.有可能不發(fā)生光電效應(yīng)

圖2

2.如圖2所示,當(dāng)開關(guān)S斷開時,用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極P,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。合上開關(guān)S,調(diào)節(jié)滑動變阻器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60V時,電流表讀數(shù)仍不為零。當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60V時,電流表讀數(shù)為零。由此可知陰極材料的逸出功為( )。

A.1.9eV B.0.6eV

C.2.5eV D.3.1eV

參考答案：1.C 2.A