2021年江蘇省新高考適應性考試第14題學生問題分析

陸光華

(南京師范大學蘇州實驗學校,江蘇 蘇州 215133)

2021年1月24日,江蘇省舉行了新高考適應性考試物理測試．從學生提問到試題評講,以及教師之間基于考情對試題的交流,讓筆者有了很多的收獲．這里談談試卷非選擇題的第14題．

1 原題再現

題目.我國中微子探測實驗利用光電管把光信號轉換為電信號．如圖1所示,A和K分別是光電管的陽極和陰極,加在A、K之間的電壓為U．現用發光功率為P的激光器發出頻率為v的光全部照射在K上,回路中形成電流．已知陰極K材料的逸出功為W0,普朗克常量為h,電子電荷量為e．

圖1 光電效應電路

(1) 求光電子到達A時的最大動能Ekm;

(2) 若每入射N個光子會產生1個光電子,所有的光電子都能到達A,求回路的電流強度I．

2 試題答案

(1) 根據光電效應方程可知hν-W0=Ek0,逸出的電子在電場中加速向A運動,根據動能定理Ue=Ekm-Ek0,聯立解得Ekm=Ue+hν-W0．

3 學生出現的問題

本題是試卷非選擇題的第3題,按常理出現在這個位置的試題應當難度不大,可現實是很多學生幾乎拿不到分,尤其是第2問,學生表示根本無從下手．學生考試中出現的問題,主要有以下4個方面.

問題1:第1問中要求光電子到達A時的最大動能．很多學生直接根據光電效應方程,寫出Ekm=hν-W0,把從金屬表面逸出的最大初動能和到達陽極的最大動能混為一談．一些學生雖然注意到了兩者的差別,但是誤以為兩極之間是減速電壓,導致錯誤．

問題2:多數學生根據第2問的情景,想到用電流的微觀表達式I=nqvS求解,經過一番求解后,苦于n、S無從知曉,只能戛然而止．

問題3:有學生認為,既然激光頻率足夠高能使金屬發生光電效應,那么為什么是“每入射N個光子會產生1個光電子”,而不是產生N個光電子?

4 問題分析

學生丟分嚴重,這一方面緣于光電效應現象不僅內容豐富,而且相應的規律還比較抽象,[1]但另一方面也暴露了教與學存在的問題．比如,問題一是因為學生審題不清、不會分析光電效應電路;問題2則是生搬硬套公式,不能根據題意利用電流的定義式進行分析．這里筆者重點來說說,問題3和問題4．

4.1 問題3的分析

當光照射到金屬表面時,光子的能量可以被金屬里的某一個電子完全吸收．吸收能量后,電子的動能立刻增加,如果吸收能量后的電子的動能足夠大,可以克服內部原子核對它的引力,就可能離開金屬表面而逸出,成為光電子．然而一部分光子會被金屬內部電子吸收,電子吸收光子后的運動方向是隨機的,[2]加之內部電子逸出更為困難,這部分電子并不一定能從金屬表面逸出．同理即便是金屬表面的電子,它們最容易從金屬中逸出,但金屬表面的電子吸收能量后也可能往金屬內部運動而無法從金屬表面逸出．試題中“每入射N個光子會產生1個光電子”的表述并無問題,這涉及到光電轉化效率問題,光電轉化效率與入射光的頻率(或波長)以及陰極材料有關．

在教師之間交流時,部分老師也提出了問題3的疑惑,筆者以為,這或許與教材上的表述有關．人教版教材上有這樣一段話:“當光照射金屬表面時,電子吸收能量．若電子吸收的能量與原有的熱運動能量之和超過逸出功,電子就從表面逸出,這就是光電子．”[3]這里順帶說一下,電子吸收的能量與原有的熱運動能量之和超過逸出功,是電子就從表面逸出的必要條件,而非充分條件,能否逸出還與其運動方向有關,教材表述不嚴謹．

4.2 問題4的分析

我們知道光電效應中存在飽和電流,然而不少學生并未能真正理解．他們認為,兩極之間有加速電壓,隨著電壓不斷增大,電子由陰極到達陽極的時間變短,光電流應當不斷變大,而不會出現飽和．

試題第2問中“所有的光電子都能到達A”,意味著光電流達到飽和．光電流達到飽和時,從陰極發出多少個,所取截面處就有相同數量的通過．所以不管截面取在陽極與陰極之間任何位置,相同時間通過截面的電量都是一樣的,由此當光電流達到飽和時，無需考慮加速電壓的影響.