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光电效应

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光电效应是高中物理光学部分一个比较抽象的概念,也是物理考卷的命题热点之一。

光电效应是一个很重要而神奇的现象

在光的照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,从能量转化的角度来看,这是一个光生电,光能转化为电能的过程。

光电效应

 

光电效应最早由德国物理学家赫兹于1887年发现,但这一现象在当时很长一段时间内不能被解释清楚。

光电效应正确的解释由爱因斯坦提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。

光电效应的基本性质

(1)每一种金属在产生光电效应时都存在一极限频率(或称截止频率),即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长(或称红限波长)。当入射光的频率低于极限频率时,无论多强的光都无法使电子逸出。

爱因斯坦

(2)光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关,而与光强无关。

(3)光电效应的瞬时性。实验发现,即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过十的负九次方秒(1ns)。

(4)入射光的强度只影响光电流的强弱,即只影响在单位时间单位面积内逸出的光电子数目。

在光颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大,即一定颜色的光,入射光越强,一定时间内发射的电子数目越多。

光电效应的逸出功

逸出功指的是,光照射金属时,电子从金属表面逃逸必须要克服束缚而做的功。

常用单位是电子伏特(eV)。金属材料的逸出功不但与材料的性质有关,还与金属表面的状态有关,在金属表面涂覆不同的材料可以改变金属逸出功的大小。

当外界的光能量低于逸出功时,不会发生光电效应。

光电效应的截止电压

光电管工作原理示意图

如下图所示的电路图,当我们在光电管电路的基础上,加上一个电源与滑动变阻器,便可以制造一个截止电压。

截止电压的概念是这样的:设置上图的滑动变阻器的P的位置,使得电流计G示数为零。

电流为零,这说明电压为零,即外界电源产生的电压与原来光电管产生的电压抵消了。此时,上图中电压表V所测的外在电源的电压,叫做截止电压。

显然,利用所测量的截止电压,并借助上述公式(2)可以反推Ek,再借助上述公式(1)可以求解K金属的逸出功。

光电效应的截止频率

刚好能够让金属发生光电效应的频率(Ek=0),称之为截止频率。

截止频率满足方程:hv0=W

由截止频率的概念可知,低于截止频率的光,无法让金属板发生光电效应。 

光电效应与光电管

光电管原理

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光电管是基于光电效应的一种光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管工作原理图如上图所示,某种单色光照射金属K,金属K表面的电子俘获能量后可以克服原子核的束缚(逸出功),并有一部分能量富裕,这就是电子的动能。

电子如图所示,从K表面激发出来后,向A极运动。这样,A极有大量的负电荷带负电,而K极失去了电子带正电。

如果将K极与A极连接,串联一个灵敏电流计(图中G表),那么电流计就有示数。这就是光电管原理解释。

光电效应与光电管都不好理解,笔者建议同学们借助物理自诊断专题45的典型题以及配套的视频来深入学习。更为详细的解析请看文章:光电管

http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481801.html

理解光电效应需注意的几个地方

(1)体现的是粒子性;

(2)光电效应的发生条件是光子频率必须大于等于截止频率,即光子能量要够大。

王尚老师辅导书物理自诊断每道题都有视频讲解,哪道题不会扫题旁二维码即可看视频,学习更高效,考试分数更高,欢迎添加微信teacherws咨询。对光电效应而言,每一种金属都存在一个截止频率,只有光子频率大于这个频率才可能发生光电效应。

(3)光电效应发生时间极短,没有滞后。

(4)一个光子对应一个电子;激发出来的叫光电子。

(5)光的强度增加,指的是单位时间内的光子个数增加。光强的增加会增加电流的大小,不会增加电子的初动能。

光电管

(6)光电效应基本公式是hv=W+Ek;光子能量转化的公式,考题有时候会两种光,两种金属板,同学们需要多次利用光电效应方程进行判别。

(7)光电管的目的是测量光电效应的截止电压,进而结合光子能量求逸出功。

光电效应学习问题与王尚老师答疑

王尚老师物理答疑

学生问题1:什么是光电子?

王尚老师:顾名思义,光电子就是光激发出来的电子。具体定义如下:光照射到某些物质上,引起物质的电性质发生变化:该物质的电子俘获能量后克服原子核的束缚,逃逸出来(形成电流)。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应,发射出来的电子叫做光电子。请同学们借助物理自诊断专题45的例题与我的视频讲解来理解这个考点,以及光电效应的其他知识内容。

学生问题2:课本上光电管是来干嘛的?

王尚老师:咱们教材课本讲解光电管,从前后逻辑关系来看,其目的有两个:其一,通过截止电压的测量,来求解金属的逸出功。其二,进一步验证光电效应方程的准确性,为波粒二象性理论做论证案例。请同学们借助物理自诊断专题45的例题与我的视频讲解来理解这个考点,以及光电效应的其他知识内容。

学生问题3:光电管的公式eU=Ek是加速电子的吗? 

王尚老师:光电管的公式eU=Ek并不是用来计算加速电子的速度的,而是用来计算截止电压的。通过调节滑动变阻器P的位置,令电流表(电流计)G的示数为零,此时电压表测量的电压,即为截止电压。截止电压满足公式:eU=Ek。这个公式指的是,在激发出光电子反方向上添加的一个电压,刚好让动能为Ek的电子,达不到电极的另外一端,进而形成电流。请同学们借助物理自诊断专题45的例题与我的视频讲解来理解这个考点,以及光电效应的其他知识内容。

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波粒二象性http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481802.html

德布罗意波http://gaozhongwuli.com/zongjie/x35/481800.html

爱因斯坦http://gaozhongwuli.com/baike/001/32193.html

质能方程http://gaozhongwuli.com/top/481761.html

作者:王尚,苏阳。校正:齐思源。版权归属高中物理网(gaozhongwuli.com),严禁转载。

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