高考物理 光电效应的知识和试题经典解析

问题1：什么是“光电效应”？答：如图所示，照射到金属表面上的光，能使金属中的电子从金属表面逸出的现象被称作“光电效应”。这一现象中逸出的电子被称为“光电子”。光电效应现象是英国物理学家赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现的。对光电效应现象的进一步研究，不仅使人们对光的认识前进了一大步，更将人们对物质世界的认识带入了一个新的时代。问题2：如何通过实验观察光电效应现象？答：如图所示，用紫外线灯照射与验电器相连的锌板，验电器的指针会张开一定角度。用毛皮摩擦过的橡胶棒（带“负电”）接触验电器，发现验电器指针张角变小，说明验电器带正电，也就表明紫外线照射后的锌板带“正电”，说明有“电子”从锌板上逸出。由于实验中锌板带正电对“光电子”的逸出有抑制作用，会使现象不够明显。可以采用以下两种方法对实验进行改进。方法一，如图所示，让与验电器相连的锌板先带上“负电”，然后再用紫外线灯照射锌板，发现验电器指针张角变小，说明锌板上有电子逸出；方法二，将一金属网与验电器相连，用丝绸摩擦过的玻璃棒（带正电）接触金属网，使验电器指针稳定张开一定角度。将锌板与金属网靠近（不接触）且平行放置，用紫外线灯照射锌板后发现验电器指针张角变小，说明验电器上的正电荷减少。正电荷减少的原因是锌板上的电子逸出后运动到金属网上，中和了部分正电荷。上述实验中换用可见光照射锌板，均观察不到静电计指针张角的变化，说明“光电效应”现象的发生是有条件的。问题3：为什么如图所示的实验装置可以定量探究“光电效应”的规律？答：观察问题2中的演示实验时，你可能存在以下疑问：①为什么紫外线可以让锌板上的光电子逸出，但可见光不行？②实验时有多少电子从金属板上逸出？逸出“光电子”的数量与哪些因素有关？③

“光电子”从金属板上逸出时具有怎样的特点？利用如图甲所示的实验装置可以对“光电效应”现象进行定量研究，理解这套装置的工作原理可以参照图乙的实验电路图。电路中用红色框圈住的部分称为“光电管”，其中阴极K为金属板，阳极A与电源负极相连，A、K之间是断路状态，在不施加光照的条件下闭合开关，回路中不会产生电流。电路中滑动变阻器采用“分压”接法，可以使AK两端的电压从零开始变化，若AK之间的电压不为零，则在AK之间形成电场。当满足一定条件的单色光从石英窗口照射到金属板上时，会有电子从金属阴极K上逸出。逸出的电子在电场的作用下，飞向A极，进而在导线中电场的作用下在回路中形成电流。显而易见，电流的产生与光电子有关，这个电流我们称之为“光电流”。因此可以通过研究图乙所示电路中的“光电流”定量探究光电效应现象的规律。根据电流的定义可知，饱和电流的大小取决于“光电子”数量的多少：I=ne表达式中的n为单位时间内到达阳极A的光电子数量。问题4：利用问题3中的实验装置研究“光电效应”时，观察到了哪些现象？可以总结得出哪些规律？答：利用问题3中的实验装置，用满足条件的光（条件见后文⑤）进行实验，有如下发现：①调节滑动变阻器，当AK之间的电压为零时，灵敏电流计G的示数不为零。这一现象说明即使电压为零，但仍有“光电子”到达A极，也就表明从阴极K逸出的光电子具有一定的初动能。②增大AK之间的电压，灵敏电流计G的示数增大；当电压增大到某一值后，灵敏电流计的示数达到最大，此后继续增加电压，电流不再增大。这一现象说明回路中的电流存在最大值—“饱和电流”。③将电源的正负极对调，即在AK之间施加反向电压，电路中电流减小；反向电压增大到某一值时，灵敏电流计示数为零。AK之间施加反向电压产生的电场将使从K极逸出的光电子减速，若灵敏电流计示数为零，则说明所有光电子都不能到达A极，即逸出的光电子具有最大初动能。我们把灵敏电流计示数为零时电压值称为“遏止电压”或者“截止电压”，用Uc表示。④利用同一装置换用相同频率（即颜色）、不同强度的光以及不同频率的光分别进行三次实验，实验中多次改变AK之间的电压，记录电压和与之对应的灵敏电流计的示数，在I—U图像中做出电流与电压的关系图像如图所示。图像表明，对于同一种金属，遏止电压的大小（即逸出光电子的最大初动能）仅与光的频率（即颜色）有关，与光的强度无关。对于同一种频率（颜色）的光，饱和光电流的大小与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，即单位时间内逸出的光电子数就越多。⑤用不同频率的光进行实验可以发现，只有频率大于等于某一特定频率的光照射光电管，才会发生光电效应，这一特定频率被称为极限频率或者截止频率，用νc示。若入射光的频率ν<νc，无论是增大光照强度还是延长光照时间，均无法发生光电效应。换用不同的阴极K进行实验还发现不同的金属极限频率不同，即极限频率的大小与金属自身的性质有关。⑥只要入射光的频率大于金属的极限频率，即使光很弱，也能立即观察到光电流，即光电效应大约10-9s的时间内瞬时发生。问题5：如何利用经典电磁理论解释“光电效应”的实验规律？解释过程中遇到了哪些困难？答：金属中的电子在做热运动的同时受到表面原子的引力作用，这种力阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，就必须获得一些能量以克服这种阻碍，这一过程中所需能量的最小值称为逸出功，用W0

表示。不同种类的金属逸出功的大小不同，如下图所示。经典电磁理论对光电效应的解释为：在光的照射下，金属内部的电子受到电磁波的作用做受迫振动。当光以电磁波的形式传递的能量足以大于电子的逸出功时，电子就可以从金属表面逸出发生光电效应。根据经典电磁理论，电磁波的强度取决于振幅的大小。强度越大的光其振幅越大，对电子的驱动作用越强，电子就振动得越剧烈也就越容易从物体内部逃逸出来成为“光电子”。因此只要光的强度足够大，就一定能使金属发生“光电效应”，金属也就不存在极限频率。光的强度越大，逸出的光电子具有的最大初动能也就越大，因此相同频率、不同强度的光也不可能具有相同的遏止电压。光照时间越长，逸出的光电子越多，回路中也不可能存在“饱和电流”。用光的电磁理论估算光电子从照射到逸出需要的时间过程如下：假设一功率P=1W的点光源，距光源d=10cm

处有一钾薄片，钾薄片中的电子可以在半径r约为0.5×10-10m的圆面积范围内收集能量。钾的逸出功A=1.8eV。按照经典电磁理论，由光源发射的辐射能均匀分布在以点光源为中心、以d为半径的球形波阵面上，这波阵面的面积为4πd2,所以照射到离光源d处、半径为r的圆面积内的功率为假定这些能量全部为电子所吸收，那么从光开始照射到电子逸出表面需要的时间为若考虑光辐射过程中的能量损失，时间会更长。显而易见，这一估算与实验中得到的10-9s相差甚远，所以经典电磁理论也无法解释“光电效应”的瞬时性。问题6：为什么爱因斯坦的“光子说”可以解释“光电效应”？答：1905年，爱因斯坦发展了普朗克提出的能量子的理论（1900年），提出了“光量子”假说，这一假说的主要内容为：与热辐射相同，光的能量也是不连续的，由有限的、分立的光子组成，每一个光子的能量满足光的强度（单位时间通过单位面积的光的能量）取决于单位时间内通过该单位面积的光子数N，即E=Nhν。爱因斯坦利用“光子说”成功解释了光电效应，并因此获得1921年的诺贝尔物理学奖（唯一一次）。子问题1：如何利用“光子说”解释光电效应的成因？答：当光照射到金属上时，光子的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，若电子吸收光子的能量大于等于金属的逸出功，电子就可以从金属表面逃逸出来，成为光电子，这就是光电效应。电子吸收能量后逸出成为光电子的过程遵循能量守恒定律，由于电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动，所以经过的路程不同，损失的能量也不同，从表面出来时的初动能也不同。只有直接从金属表面出来的光电子损失的能量最少（即逸出功），所以这些电子具有最大初动能。根据能量守恒定律可知：Ekm

=hν-W0上述方程被称作爱因斯坦的光电效应方程，利用这一方程就可以进一步解释光电效应的几条实验规律。子问题2：如何利用光子说解释光电效应的实验规律？①为什么光电效应现象可以瞬时发生？答：根据光电效应方程，只要光的频率大于或等于极限频率，电子吸收一个光子的能量就可逸出金属表面，所以光电效应不需要积累能量的时间，光电流几乎是瞬时产生的。②为什么金属存在极限频率ν0，且极限频率取决于金属自身的性质？根据光电效应方程，只有hν≥W0即ν≥W0/h时，电子才可以从金属表面逸出，所以金属存在极限频率νc，νc和金属的逸出功之间存在如下关系：ν0=W0/h上述表达式表明金属极限频率的大小仅取决于金属的逸出功。③为什么遏止电压与入射光的频率有关而与入射光的强度无关？答：当AK之间的反向电压使具有最大初动能的光电子都无法到达A极时，电路中就不会产生电流，所以最大初动能与遏止电压之间存在如下关系：Uce=Ekm根据光电效应方程Ekm

=hν-W0可得：Uce=

hν-W0所以遏止电压仅与入射光的频率有关而与入射光的强度无关。④为什么实验中存在饱和电流？相同频率的光强度越大，饱和电流越大？答：实验中，若单位时间入射到阴极K上的光子全部被电子吸收，则到达阳极A的“光电子”数目达到最大，此后即使再增大电压，也无法增大“光电子”的数目，因此电路中的电流达到最大，即饱和电流。而相同频率的光，强度越大，单位时间内到达金属表面的光子数越多，单位时间内吸收光子的电子数增多，逸出金属表面的电子数也增多，饱和电流就越大。问题7：如何利用“光电效应”测量普朗克常量h？答：在利用爱因斯坦的光电效应方程解释“遏止电压仅与入射光的频率有关而与入射光的强度无关”时，我们得到遏止电压与入射光的频率之间存在线性关系：

Uce=

hν-W0对同一金属阴极采用不同频率的入射光照射，可以测得不同的遏止电压。记录入射光的频率和对应遏止电压的数值并在Uc—ν图像作图，作出的图线为一条不过原点的直线，如图所示（换用不同的金