2.光电效应-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

2．光电效应 【素养目标】　1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律，知道光电效应与光的电磁理论的矛盾。2.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，能对电子在反向电压所形成的场中的运动情况加以分析，并找到最大初动能和遏止电压之间的关系。3.理解截止频率和逸出功之间的关系，会用光电效应方程解决一些简单问题。4.能根据图像找到光电效应的实验规律，能利用画图像的方法求解普朗克常量。 知识点一　光电效应的实验规律及经典解释中的疑难 [情境导学]　如图所示，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板。 (1)观察到照射前后验电器指针如何变化？ (2)这个现象说明什么？ (3)这是什么现象？ 提示：(1)指针夹角变小。 (2)说明锌板带的负电荷变少了，意味着紫外线会让电子从锌板表面逸出。 (3)光电效应现象。 (阅读教材P71—P73完成下列填空) 1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。 学生用书第95页 2．光电效应的实验规律 (1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，表明已经没有光电子了。νc称为截止频率或极限频率。 (2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。 (3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，且满足mevc2＝eUc，vc为光电子初速度的上限。 (4)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。 3．逸出功：要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 4．光电效应经典解释中的疑难 光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，如： (1)不应存在截止频率。 (2)遏止电压Uc应该与光的强弱有关。 (3)弱光照射时，电子获得逸出表面所需的能量需要的时间远远大于实验中产生光电流的时间。 [问题探究]　经典的光的电磁理论对光电效应的解释与光电效应现象有哪些矛盾？ 提示：(1)按照经典的光的电磁理论：不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率；而光电效应的实验结果却是：存在截止频率νc，即如果ν<νc，无论光强有多大，都不能发生光电效应。 (2)按照经典的光的电磁理论：光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc应该与光的强弱有关；而光电效应的实验结果却是：光电子的最大初动能、遏止电压都与光强无关，而与频率有关。 (3)按照经典的光的电磁理论：如果光很弱，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于实验中产生光电流的时间；而光电效应的实验结果却是：当频率超过截止频率νc时，无论光强怎样，光电子几乎是瞬间产生的。 利用如图所示的电路研究光电效应现象，滑片P的位置在O点的正上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率，且光的强度较大，则(　　) A．减弱入射光的强度，遏止电压变小 B．P不移动时，微安表的示数为零 C．P向a端移动，微安表的示数增大 D．P向b端移动，光电子到达阳极A的最大动能增大 答案：D 解析：遏止电压仅与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故A错误；P不移动时，滑片P在O点正上方，光电管两端电压为零，由于入射光的频率大于阴极K的截止频率，则会发生光电效应，微安表应有示数，故B错误；P向a端移动，则光电管两端所加电压为负向电压，阻碍电子向阳极A运动，则光电流变小，微安表的示数变小，故C错误；P向b端移动，则光电管两端所加电压为正向电压，由eUAK＝EkA－Ek初，光电子到达阳极A的最大动能增大，故D正确。 光电效应现象的几个相关概念的理解与对比 1．光子与光电子 光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。光子是光电效应的因，光电子是果。 2．截止频率的理解 频率低于νc的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出。 3．光子的能量与入射光的强度 光子的能量即每个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积，即入射光的强度等于nhν。 4．光电流与饱和电流 金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流。在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关。 5．光的强度与饱和电流 饱和电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属时产生的光电效应而言的。对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和电流与入射光强度之间不是简单的正比关系。　　 针对练1.在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验 学生用书第96页 电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是(　　 ) A．验电器的指针带正电 B．若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大 C．若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少 D．若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应 答案：A 解析：锌板原来不带电，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针也带正电，故A正确；金属的逸出功与金属本身的材料有关，与光的频率无关，故B错误；增大紫外线灯照射的强度，即单位时间内照在锌板上的光子数增多，所以单位时间内产生的光电子数增多，故C错误；能否发生光电效应与光照强度无关，取决于入射光的频率和金属截止频率之间的关系，故D错误。 针对练2.(多选)利用光电管研究光电效应的实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则(　　) A．用紫外线照射，电流表中一定有电流通过 B．用红光照射，电流表中一定无电流通过 C．用红外线照射，电流表中可能有电流通过 D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑片移到A端时，电流表中一定无电流通过 答案：AC 解析：因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A正确；因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，也可能发生光电效应，B错误，C正确；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，D错误。 知识点二　爱因斯坦的光电效应理论 [情境导学]　经典的光的电磁理论既然无法解释光电效应的实验规律，那么用什么理论解释它呢？ 提示：爱因斯坦的光子说理论。 (阅读教材P74—P75完成下列填空) 1．光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，其中，h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。 2．爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：Ek＝hν－W0。 (2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。 (3)Uc与ν、W0的关系 ①表达式：Uc＝ν－。 ②图像：Uc-ν图像是一条斜率为的直线。 [问题探究]　爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc，怎样得到Uc与ν、W0的关系？ 提示：根据光电效应方程Ek＝hν－W0及遏止电压Uc与最大初动能的关系eUc＝Ek 可得Uc与ν、W0的关系eUc＝hν－W0，即Uc＝ν－。 角度一　光电效应方程的应用 A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子的最大初动能分别为EA、EB，普朗克常量为h，则下列说法正确的是(　　 ) A．A、B两种光子的频率之比为1∶2 B．所产生光电子的最大初动能之比为2∶1 C．该金属的逸出功W0＝EA－EB D．该金属的截止频率νc＝ 答案：D 解析：由ε＝hν 可知，光子的能量与频率成正比，则A、B两种光子的频率之比为2∶1，故A错误；根据光电效应方程可得EA＝hνA－W0，EB＝hνB－W0，解得＝≠，W0＝EA－2EB，故B、C错误；该金属的截止频率为νc＝＝，故D正确。 学生用书第97页 1．光电效应方程Ek＝hν－W0的理解 (1)方程中的Ek是光电子的最大初动能：就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值。 (2)光电效应方程实质上是能量守恒方程：能量为ε＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力做功，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为逸出功W0，则电子离开金属表面时的动能就是最大初动能Ek，即Ek＝hν－W0。 2．光子说对光电效应的解释 (1)饱和电流与光照强度的关系：同种频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大。 (2)存在截止频率和遏止电压 ①由爱因斯坦光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与光强无关，所以遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。 ②若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝是光电效应的截止频率。 3．光电效应规律中的两条线索、两个关系 (1)两条线索 (2)两个关系 ①光的强度大→光子多→光电子多→光电流大； ②光的频率高→光子能量大→光电子最大初动能大。　　 针对练．(多选)某同学用如图所示的装置研究光电效应，开始时，滑动变阻器滑片c移到最右端b点。用光子能量为4.2 eV的光照射到光电管上，此时电流表G有读数。向左移动滑动变阻器的滑片c，当电压表的示数大于或等于1.5 V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是(　　) A．光电子最大初动能为2.7 eV B．光电管阴极的逸出功为2.7 eV C．当电流表示数为零时，断开开关，电流表示数不再为零 D．将电源的正负极调换，滑动变阻器滑片从b移到a，电流表的示数一直增大 答案：BC 解析：根据题意知遏止电压Uc＝1.5 V，则光电子的最大初动能Ek＝eUc＝1.5 eV，根据爱因斯坦光电效应方程得W0＝hν－Ek＝4.2 eV－1.5 eV＝2.7 eV，故A错误，B正确；当电流表示数为零时，断开开关，这时没有了反向遏止电压，电流表示数不再为零，故C正确；将电源的正负极调换，滑动变阻器滑片从b移到a，当光电流达到饱和电流后，电流表的示数就不再变化，故D错误。 角度二　光电效应的图像问题 (多选)(2024·河南商丘市高二联考)关于近代物理学，下列图像在描述现象中，解释正确的是(　　) A．如图甲所示，由黑体的辐射强度与辐射光波长的关系可知，随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动(已知T1＞T2) B．如图乙所示，发生光电效应时，入射光越强，光电子的最大初动能也就越大 C．如图丙所示，金属的遏制电压Uc与入射光的频率ν的图像中，该直线的斜率为h D．同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线：a光、b光、c光，如图丁所示。由图可判断a、b、c光的频率关系为νc>νa＝νb 答案：AD 解析：由题图甲可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会增大，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故A正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0，可知光电子的最大初动能与光的强度无关，与光的频率有关，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大，故B错误；根据能量守恒定律得eUc＝Ek，又Ek＝hν－W0，联立可得eUc＝hν－W0，即Uc＝ν－，可知，该直线的斜率为k＝，故C错误；根据eUc＝hν－W0，可知入射光的频率越高，对应的遏止电压越大。由题图丁可知，a光和b光的遏止电压相等，所以a、b光的频率相等，c光的遏止电压最大，所以c光的频率最大，即νc>νa＝νb，故D正确。故选AD。 学生用书第98页 光电效应四类图像的理解 图像名称 图线形状 由图像获取的信息 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系 ①截止频率νc：横截距 ②逸出功W0：纵截距的绝对值W0＝|－E|＝E ③普朗克常量h：图线的斜率k＝h 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系 ①截止频率νc：横截距 ②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大 ③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：横截距 ②饱和电流Im：光电流的最大值 ③最大初动能Ek：Ek＝eUc 颜色不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和电流Im ③最大初动能Ek：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 　　 针对练．(2024·广东中山市高二联考)在如图1所示的光电管的实验中(电源正负极可以对调)，用同一光电管得到了三条可见光的光电流与电压之间的关系曲线(图2中的甲光、乙光、丙光)。下列说法中正确的有(　　) A．同一光电管对不同颜色的单色光有不同的截止频率 B．图2中如果乙光是黄光，则丙光可能是红光 C．由图2可判断，丙光激发的光电子的最大初动能最大 D．在图1中电流表G的电流方向可以是b流向a 答案：C 解析：光电管的截止频率由光电管本身决定，与入射光的颜色无关，故A错误；三种光中，当丙光照射光电管时，遏止电压最大，即光电子的最大初动能最大，根据光电效应方程有eUc＝Ek＝hν－W0，可知丙光的频率最大，如果乙光是黄光，则丙光不可能是红光，故B错误，C正确；光电子从光电管的右端逸出，流过电流表G的电流方向为a到b，故D错误。故选C。 知识点三　康普顿效应和光子的动量　 光的波粒二象性 [情境导学]　我们前面学习过的光电效应现象说明光具有粒子性，光的干涉和衍射现象说明光具有波动性。 (1)康普顿效应能说明光具有什么特性呢？ (2)根据上述现象说明光具有什么特性？ 提示：(1)粒子性。 (2)说明光既具有粒子性又具有波动性。 学生用书第99页 (阅读教材P76—P77完成下列填空) 1．康普顿效应：在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。 2．光子的动量：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p＝。 3．光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。 [问题探究]　光子与静止的电子碰撞，碰撞后电子的运动方向如图所示。碰后光子可能沿哪个方向运动？光子的波长怎样变化？ 提示：光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒。根据动量守恒，碰后光子不可能沿2、3方向；根据能量守恒，碰后光子能量减小，波长变长。 角度一　康普顿效应的理解 (多选)频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原运动方向，这种现象称为光子的散射，下列关于光子散射的说法正确的是(　　 ) A．光子改变原来的运动方向，传播速度变小 B．光子由于在与电子碰撞中获得能量，因而频率增大 C．由于受到电子的碰撞，散射后的光子波长大于入射光子的波长 D．由于受到电子的碰撞，散射后的光子频率小于入射光子的频率 答案：CD 解析：碰撞后光子改变原来的运动方向，但传播速度不变，A错误；光子由于在与电子碰撞中，即遵守能量守恒，又遵守动量守恒，把一部分能量转移给电子，因而光子能量hν变小，频率ν变小，又λ＝，故波长λ变大，B错误，C、D正确。 1．康普顿效应的解释 假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光电效应理论，一个光子不仅具有能量ε＝hν，而且还有动量。如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分动量转移给了电子，动量由减小为，因此p减小，波长增大。 　　 2．康普顿效应的意义 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光电效应理论的正确性。 　　 角度二　光的波粒二象性的理解 下列说法正确的是(　　) A．光子说的确立完全否定了波动说 B．光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同，又与微观概念中的粒子相同 C．光的波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象 D．光电效应说明光具有粒子性，康普顿效应说明光具有波动性 答案：C 解析：光子说的确立，没有完全否定波动说，而是使人们对光的本质认识更完善，光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A错误；光与宏观概念中的波、微观概念中的粒子均不相同，故B错误；波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象，故C正确；光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，故D错误。 光的波粒二象性的理解 光的两种性质 实验基础 表现 说明 波动性 干涉和衍射 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述(2)大量光子容易显示出波动性 (1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的 (2)光的波动性不同于宏观概念的波 粒子性 光电效应、康普顿效应 (1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子容易显示出粒子性 (1)粒子的含义是“不连续”的“一份一份”的(2)光子不同于宏观概念的粒子 　　 针对练1.(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应，以下说法正确的是(　　) A．康普顿效应说明光子具有动量 B．康普顿效应现象说明光具有波动性 C．康普顿效应现象说明光具有粒子性 D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加 答案：AC 解析：康普顿效应说明光具有粒子性，且光子具有动量，故B错误，A、C正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，D错误。 针对练2.关于光的波粒二象性的理解正确的是(　　) A．大量光子的行为往往表现出粒子性，个别光子的行为往往表现出波动性 B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转化成粒子 C．高频光是粒子，低频光是波 D．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 答案：D 解析：光同时具有波的性质和粒子的性质，大量光子往往表现出波动性，个别光子往往表现为粒子性，波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著，故D正确，A、B错误；波长越长，频率越小，波动性越明显，但不能说光是波或粒子，故C错误。 1．(粤教版选择性必修第三册·P98·T2)根据爱因斯坦的“光子说”可知(　　) A．“光子说”本质就是牛顿的“微粒说” B．光的波长越大，光子的能量越小 C．一束单色光的能量可以连续变化 D．只有光子数很多时，光才具有粒子性 答案：B 解析：爱因斯坦的“光子说”并不否定光的波动性，而牛顿的“微粒说”与波动说是对立的，故A项错误；根据公式ε＝hν＝h可知，光的波长越大，光子的能量越小，故B项正确；一束单色光的波长恒定，光子的能量也是恒定的，故C项错误；不论光子数多少，光都具有波粒二象性，故D项错误。故选B。 2．(2024·河北邯郸市高二联考)通过学习，我们知道，光具有波粒二象性，下列关于光的说法正确的是(　　) A．康普顿效应说明光具有波动性 B．普朗克提出能量是量子化的 C．光在任何情况下都能表现出波动性和粒子性 D．爱因斯坦提出了光电效应方程，并以此支持了光的波动说 答案：B 解析：康普顿效应说明光具有粒子性，A错误；普朗克提出能量是量子化的，B正确；大量光子往往表现出波动性，少量光子往往表现为粒子性。光的波长越长，波动性越强；光的波长越短，粒子性越强，C错误；爱因斯坦提出了光电效应方程，并以此支持了光的粒子说，D错误。故选B。 3.(2024·陕西安康市高二联考)微光夜视仪的核心部件是微光像增强器，它利用光电效应将输入的微弱光信号转换成电信号，工作光谱主要在可见光和红外线波段。若用蓝光和红外线照射同一微光夜视仪中光电管的阴极，下列说法正确的是(　　) A．红外线的频率比蓝光的频率大 B．用蓝光照射时产生光电子的最大初动能更大 C．用蓝光照射时产生的光电流一定更大 D．用红外线照射时产生的光电流一定更大 答案：B 解析：蓝光的频率比红外线的大，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，可知蓝光照射时产生光电子的最大初动能更大，故A错误，B正确；光电流大小与入射光强度有关，蓝光和红外线的强度大小未知，无法比较，故C、D错误。故选B。 4．(多选)(2024·广东珠海市高二月考)如图为与光电效应有关的四幅图像，下列说法正确的是(　　) 学生用书第101页 A．根据图甲装置，若开始锌板不带电，用紫外线照射锌板，则验电器的张角变大，验电器带负电 B．根据图乙可知，黄光越强，则饱和电流越大，说明光子的能量与光强有关 C．由图丙可知，ν2为该金属的截止频率 D．由图丁可知E等于该金属的逸出功 答案：CD 解析：由题意，在甲装置中，用紫外线照射锌板，发生光电效应，则锌板将失去一部分电子，锌板带正电，则验电器带正电，验电器的张角将变大，故A错误；根据ε＝hν可知光子的能量由光的频率决定，与光的强度无关，故B错误；根据eUc＝hν－W0＝hν－hν0，解得Uc＝ν－，结合题图丙可解得该金属的截止频率ν0＝ν2，故C正确；根据Ek＝hν－W0，结合题图丁解得该金属的逸出功W0＝E，故D正确。故选CD。 学科网（北京）股份有限公司 $$