2021年江苏省新高考适应性考试第14题学生问题分析

陆光华

(南京师范大学苏州实验学校,江苏 苏州 215133)

2021年1月24日,江苏省举行了新高考适应性考试物理测试．从学生提问到试题评讲,以及教师之间基于考情对试题的交流,让笔者有了很多的收获．这里谈谈试卷非选择题的第14题．

1 原题再现

题目.我国中微子探测实验利用光电管把光信号转换为电信号．如图1所示,A和K分别是光电管的阳极和阴极,加在A、K之间的电压为U．现用发光功率为P的激光器发出频率为v的光全部照射在K上,回路中形成电流．已知阴极K材料的逸出功为W0,普朗克常量为h,电子电荷量为e．

图1 光电效应电路

(1) 求光电子到达A时的最大动能Ekm;

(2) 若每入射N个光子会产生1个光电子,所有的光电子都能到达A,求回路的电流强度I．

2 试题答案

(1) 根据光电效应方程可知hν-W0=Ek0,逸出的电子在电场中加速向A运动,根据动能定理Ue=Ekm-Ek0,联立解得Ekm=Ue+hν-W0．

3 学生出现的问题

本题是试卷非选择题的第3题,按常理出现在这个位置的试题应当难度不大,可现实是很多学生几乎拿不到分,尤其是第2问,学生表示根本无从下手．学生考试中出现的问题,主要有以下4个方面.

问题1:第1问中要求光电子到达A时的最大动能．很多学生直接根据光电效应方程,写出Ekm=hν-W0,把从金属表面逸出的最大初动能和到达阳极的最大动能混为一谈．一些学生虽然注意到了两者的差别,但是误以为两极之间是减速电压,导致错误．

问题2:多数学生根据第2问的情景,想到用电流的微观表达式I=nqvS求解,经过一番求解后,苦于n、S无从知晓,只能戛然而止．

问题3:有学生认为,既然激光频率足够高能使金属发生光电效应,那么为什么是“每入射N个光子会产生1个光电子”,而不是产生N个光电子?

4 问题分析

学生丢分严重,这一方面缘于光电效应现象不仅内容丰富,而且相应的规律还比较抽象,[1]但另一方面也暴露了教与学存在的问题．比如,问题一是因为学生审题不清、不会分析光电效应电路;问题2则是生搬硬套公式,不能根据题意利用电流的定义式进行分析．这里笔者重点来说说,问题3和问题4．

4.1 问题3的分析

当光照射到金属表面时,光子的能量可以被金属里的某一个电子完全吸收．吸收能量后,电子的动能立刻增加,如果吸收能量后的电子的动能足够大,可以克服内部原子核对它的引力,就可能离开金属表面而逸出,成为光电子．然而一部分光子会被金属内部电子吸收,电子吸收光子后的运动方向是随机的,[2]加之内部电子逸出更为困难,这部分电子并不一定能从金属表面逸出．同理即便是金属表面的电子,它们最容易从金属中逸出,但金属表面的电子吸收能量后也可能往金属内部运动而无法从金属表面逸出．试题中“每入射N个光子会产生1个光电子”的表述并无问题,这涉及到光电转化效率问题,光电转化效率与入射光的频率(或波长)以及阴极材料有关．

在教师之间交流时,部分老师也提出了问题3的疑惑,笔者以为,这或许与教材上的表述有关．人教版教材上有这样一段话:“当光照射金属表面时,电子吸收能量．若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功,电子就从表面逸出,这就是光电子．”[3]这里顺带说一下,电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功,是电子就从表面逸出的必要条件,而非充分条件,能否逸出还与其运动方向有关,教材表述不严谨．

4.2 问题4的分析

我们知道光电效应中存在饱和电流,然而不少学生并未能真正理解．他们认为,两极之间有加速电压,随着电压不断增大,电子由阴极到达阳极的时间变短,光电流应当不断变大,而不会出现饱和．

试题第2问中“所有的光电子都能到达A”,意味着光电流达到饱和．光电流达到饱和时,从阴极发出多少个,所取截面处就有相同数量的通过．所以不管截面取在阳极与阴极之间任何位置,相同时间通过截面的电量都是一样的,由此当光电流达到饱和时，无需考虑加速电压的影响.