第6章 2 光电效应-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

2　光电效应 第六章　波粒二象性 [学习目标]　1.知道光电效应现象,了解光电效应的实验规律(重点)。 2.了解光量子的概念及光子说对光电效应的解释。3.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。 课时作业 巩固提升 要点1　光电效应 要点2　光量子概念的提出　光电效应方程(选学) 内容索引 要点1　光电效应 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.光电效应 当光照射在金属表面上时,金属中的　　　　会因吸收光的能量而 　　　　金属表面,这种现象称为光电效应。  2.光电子 光电效应中逸出来的　　　　。  电子 逸出 电子 3.光电效应的实验规律 (1)对于给定的阴极材料,都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率ν0。这个最小频率ν0叫作光电效应的截止频率,亦称为极限频率。只有　　　　截止频率的光,才能引起光电效应。不同金属材料的截止频率　　　　。  (2)在发生光电效应时,如果外加电压UAK从零开始逐渐增大,则光电流随之　　　　,但当UAK增大至一定值时,光电流达到　　　　,此后再继续增大UAK,光电流不再变化。此时的光电流称为饱和光电流。在入射光的频率保持不变的条件下,饱和光电流随照射到阴极上的光的强度而变化,光的强度越大,饱和光电流　　　　。  超过 不同 增大 最大 越大 (3)从阴极发出的光电子的最大初动能与入射光的频率呈　　　　关系,它与照射到阴极上的光的强度　　　　。  (4)只要光的频率　　　　截止频率,即使用极弱的入射光,光电子也能立刻(约10-9 s)发射出来。  线性 无关 大于 [思考与讨论] 如图是研究光电效应的电路图。 (1)闭合开关后,当电压表的示数为0时,电流表的示数不是0,说明了什么? (2)闭合开关,将滑动变阻器的滑片向右移动,会观察到什么现象?说明了什么? (3)若将电源的正负极对调,闭合开关,滑动变阻器的滑片向右移动时,又会观察到什么现象?说明了什么? 提示:(1)说明发生了光电效应现象。 (2)电压表、电流表的示数均增大,当电流增大到一定值后,滑动变阻器的滑片再向右移动,电流也不再增大。说明存在饱和光电流。 (3)电压表示数增大,电流表示数减小,最后电流表的示数可能减小到0。说明存在截止电压。 1.光电效应的实验规律 (1)任何一种金属都有一个截止频率,入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能发生光电效应,低于这个截止频率则不能发生光电效应。 (2)发生光电效应时,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,随入射光频率的增大而增大。 归纳 关键能力 合作探究 (3)大于截止频率的光照射金属时,饱和光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比。 (4)光电效应的发生几乎是瞬时的,产生电流的时间不超过10-9 s。 2.光电效应实验相关概念的理解 (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ν0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)。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)光电流和饱和光电流 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,这个饱和值是饱和光电流。在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。 [典例1]　在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与验电器相连,用弧光灯(紫外线)照射锌板时,验电器的指针就张开一个角度,如图所示,这时(　　) A.锌板带正电,指针带负电 B.锌板带正电,指针带正电 C.若用黄光照射锌板,则不能产生光电效应现象 D.若用红光照射锌板,则锌板能发射光电子 B [解析]　锌板在紫外线照射下,发生光电效应现象,有光电子飞出,故锌板带正电,部分正电荷转移到验电器上,使指针带正电,B正确,A错误;红光和黄光的频率都小于紫外线的频率,但与锌板截止频率大小关系不确定,则可能发生光电效应,也可能不发生光电效应,C、D错误。 [典例2]　用如图所示的装置研究光电效应现象,当用某种频率的光照射到光电管上时,电流表G的读数为I,则(　　) A.将开关S断开,也会有电流通过电流表 B.将滑动变阻器的触点c向a移动,光电子到达阳极时的 速度必将变小 C.如果减小入射光的光强,光电管中可能不会有光电子产生 D.如果将电池极性反转,光电管中可能不会有光电子产生 A [解析]　开关S断开,由于仍能发生光电效应,光电子仍能到达阳极,即也会有电流通过电流表,故A正确;将滑动变阻器的触点c向a移动,所加正向电压增大,则光电子到达阳极时的速度必将变大,故B错误;只要光的频率不变,就能发生光电效应,即光电管中有光电子产生,故C错误;将电池极性反转,光电管中仍然有光电子产生,只是电流表读数可能为零,故D错误。 [针对训练] 1.如图所示,在演示光电效应的实验中,某同学分别用a、b两种单色光照射锌板。发现用a光照射时与锌板连接的验电器的指针张开一定角度;用b光照射时与锌板连接的验电器的指针不动。下列说法正确的是(　　) A.增大b光的照射强度,验电器的指针有可能张开一定角度 B.增大a光的照射强度,光电子的最大初动能增加 C.a光的频率大于b光的频率 D.若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时可能不会发生光电效应 答案:C 解析:入射光频率低于截止频率时无法产生光电效应,增大b光的照射强度,仍不会发生光电效应;增大a光的照射强度,光电子的最大初动能保持不变,故A、B错误。根据a光照射锌板能够发生光电效应可知,a光的频率大于锌板的极限频率,根据b光照射锌板不能发生光电效应可知,b光的频率小于锌板的极限频率,则a光的频率大于b光的频率,故C正确。根据光电效应实验规律可知,若用b光照射另一种金属能发生光电效应,则用a光照射该金属时一定能发生光电效应,故D错误。 二 要点2　光量子概念的提出　光电效应方程(选学) 23 1.光子 爱因斯坦认为,光本身就是不连续的,而是由单个的　　　　组成的,这些能量子称为光子。每个光子的能量为ε=hν,ν为光子的　　　　,h为普朗克常量。  2.逸出功 在光电效应中电子从金属表面逸出时所需做的功W,叫作逸出功(光电子逸出金属表面所需的能量的最小值)。 梳理 必备知识 自主学习 能量子 频率 3.爱因斯坦光电效应方程 (1)公式:　　 　　。   (2)截止频率:　　　　。  hν=m+W ν0= [思考与讨论] 如何利用爱因斯坦光子说解释光电效应(一个光子的能量只能被一个电子吸收,是一对一关系)。 提示:(1)光强大,光子数多,释放的光电子也多,所以光电流也大。 (2)电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出,所以不需要时间的累积。 (3)从光电效应方程可以看出光电子最大初动能和照射光的频率呈线性关系。 (4)从光电效应方程中可看出,当最大初动能为零时,可得截止频率νc=。 1.光电效应方程:Ek=hν-W0 (1)式中的Ek是光电子的最大初动能,就某个光电子而言,其离开金属时剩余动能大小可以是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。 ①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,另一部分就是电子离开金属表面时的初动能。 ②如果克服吸引力做功最少为W0,则电子离开金属表面时动能最大为Ek,根据能量守恒定律可知:Ek=hν-W0。 归纳 关键能力 合作探究 2.光子说对光电效应的解释 (1)饱和光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,因而饱和光电流越大。 (2)存在截止频率和截止电压 ①由爱因斯坦光电效应方程知,光电子的最大初动能与入射光频率有关,与光照强度无关,所以截止电压由入射光频率决定,与光照强度无关。 ②若发生光电效应,则光电子的最大初动能必大于零,即Ek=hν-W0>0,亦即hν>W0,ν>=νc,而νc=恰好是光电效应的截止频率。 [典例3]　如图所示,一光电管的阴极用极限波长λ0=500 nm的钠制成,用波长λ=300 nm的紫外线照射阴极,光电管阳极A和阴极K之间的电势差U=2.1 V,饱和光电流的值I=0.56 μA。 (1)求每秒内由K极发射的光电子数。 (2)求光电子到达A极时的最大动能。 (3)如果电势差U不变,而照射光的强度增加到原值的三倍,此时光电子到达A极时最大动能是多大?(普朗克常量h=6.63×1 J·s) [答案]　(1)3.5×1012个　(2)6.012×10-19 J (3)6.012×10-19 J [解析]　(1)每秒内由K极发射的光电子数 n==个=3.5×1012个。 (2)由光电效应方程可知 Ek0=hν-W=h-h=hc(-) 在A、K间加电压U时,光电子到达阳极时的动能 Ek=Ek0+eU=hc(-)+eU 代入数值得Ek=6.012×10-19 J。 (3)根据光电效应规律,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,如果电势差U不变,则光电子到达A极的最大动能不变,Ek=6.012×10-19 J。 [针对训练] 2.用如图所示的装置研究光电效应现象,当用光子能量为3.6 eV的光照射到光电管上时,电流表G有读数。移动滑动变阻器的触点c,当电压表的示数大于或等于0.9 V时,电流表读数为0,则以下说法正确的是(　　) A.光电子的初动能可能为0.8 eV B.光电管阴极的逸出功为0.9 eV C.开关S断开后,电流表G示数为0 D.改用能量为2 eV的光子照射,电流表G有电流, 但电流较小 A 解析:当电压表的示数大于或等于0.9 V时,电流表的示数为0,可知截止电压为0.9 V,根据eUc=Ekm,则光电子的最大初动能为0.9 eV,则光电子的初动能可能为0.8 eV,A正确;根据光电效应方程Ekm=hν-W0,则逸出功为W0=hν-Ekm=3.6 eV-0.9 eV=2.7 eV,B错误;光电管接的是反向电压,当开关断开后,光电管两端的电压为0,逸出的光电子能够到达另一端,则仍然有电流流过电流表G,C错误;改用能量为2 eV的光子照射,因光子能量小于逸出功,则不会发生光电效应,D错误。 3.研究光电效应规律的实验装置如图所示,以频率为ν的光照射光电管阴极K时,有光电子产生。由于光电管K、A间加的是反向电压,光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动。光电流i由图中电流计G测出,反向电压U由电压表V测出。当电流计的示数恰好为零时,电压表的示数称为截止电压U0。在下列表示光电效应实验规律的图像中,错误的是(　　) B 解析:当反向电压U与频率ν一定时,光电流与入射光强度成正比,A正确;截止电压U0与入射光频率的关系图像应为一条不过坐标原点的倾斜直线,B错误;当光强I和频率ν一定时,反向电压增大,光电流减小,若反向电压超过截止电压U0,则光电流为零,C正确;光电效应发生所需的时间小于10-9 s,D正确。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 [A组　基础巩固练] 1.(多选)光电效应实验的装置如图所示,用弧光灯照射锌板,验电器指针张开一个角度,则下面说法中正确的是(　　) A.用紫外线照射锌板,验电器指针会发生偏转 B.用绿色光照射锌板,验电器指针会发生偏转 C.锌板带的是负电荷 D.使验电器指针发生偏转的是正电荷 AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:将擦得很亮的锌板连接验电器,用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线),锌板中有一部分自由电子从表面飞出来,锌板中缺少电子,于是带正电,验电器指针张开一个角度,绿色光的频率小于紫外线的频率,不一定能使锌板发生光电效应,故选A、D。 2.(多选)用如图所示的装置研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA。移动滑动变阻器的滑片,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表读数为0,则(　　) A.光电管阴极的逸出功为1.8 eV B.开关S断开后,没有电流流过电流表G C.光电子的最大初动能为0.7 eV D.改用能量为1.5 eV的光子照射,电流表G也有电流,但电流较小 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:该装置所加的电压为反向电压,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,可知光电子的最大初动能为0.7 eV,根据光电效应方程Ek=hν-W0,得W0=1.8 eV,故A、C正确;开关S断开后,在光子能量为2.5 eV的光照射下,光电管发生了光电效应,有光电子逸出,则有电流流过电流表G,故B错误;1.5 eV的光子的能量小于逸出功,所以不能发生光电效应,无光电流,故D错误。 3.某单色光照射某金属时不能产生光电效应,则下列措施中,可能使该金属产生光电效应的是(　　) A.延长光照时间 B.增大光的强度 C.换用频率更高的光照射 D.换用波长更长的光照射 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:某单色光照射某金属时不能产生光电效应,说明该单色光的频率较低,光子能量较小,通过延长光照时间、增大光的强度,都不能产生光电效应,只有换用频率更高(或者波长更短)的光照射,才有可能使该金属产生光电效应,故C正确。 4.研究光电效应的电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中,正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:频率相同的光照射同一金属时,发射出的光电子的最大初动能相同,所以截止电压相同;饱和光电流与光的强度有关,光的强度越大,饱和光电流越大,故选项C正确。 5.(多选)如图所示是光电管的原理图,用频率为ν1的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则(　　) A.当滑动变阻器的滑动触头移到A端时,电流表中 一定无电流通过 B.当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,电流表示 数可能不变 C.换用紫外线照射,电流表中一定有电流通过 D.换用红外线照射,电流表中一定无电流通过 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 BC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:滑片移到A端时,所加的电压为零,因为光电子有初动能,有光电子到达阳极,则灵敏电流表中有电流通过,故A错误;当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时,如果达到饱和光电流,则电流表的示数不变,故B正确;紫外线的频率大于可见光的频率,用紫外线照射,能产生光电效应,有电流通过电流表,故C正确;若用红外线照射阴极K,因红外线频率小于可见光频率,因此可能发生光电效应,也可能不发生光电效应,故电流表可能有电流,故D错误。 6.用波长为300 nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19 J。已知普朗克常量为6.63×10-34 J·s,真空中的光速为3.0×108 m·s-1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　) A.1×1014 Hz　　　　 B.8×1014 Hz C.2×1015 Hz D.8×1015 Hz 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:设单色光的最低频率为ν0,由光电效应方程知Ek=hν1-W0,0=hν0-W0,又知ν1=,整理得ν0=-,解得ν0≈8×1014 Hz,故选B。 7.紫光在真空中的波长为4.5×10-7 m(h=6.63×10-34 J·s),问: (1)紫光光子的能量是多少? (2)用它照射截止频率为ν0=4.62×1014 Hz的金属钾时能否发生光电效应?若能发生,则光电子的最大初动能为多少? 答案:(1)4.42×10-19 J　(2)能　1.36×10-19 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:(1)紫光光子的能量E=hν=h=4.42×10-19 J。 (2)紫光频率ν=≈6.67×1014 Hz, 因为ν>ν0,所以能发生光电效应。 光电子的最大初动能为 Ekm=hν-W=h(ν-ν0)≈1.36×10-19 J。 [B组　综合强化练] 8.研究光电效应实验的电路如图所示,电源电动势为3 V,内阻不计;用频率为6.4×1014 Hz的光照射光电管阴极K,当滑动变阻器的滑片在最左侧时,微安表中的电流不为零;当滑动变阻器的滑片向右滑动使电压表的示数为0.5 V时,微安表中的电流恰好为零。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,电子的电荷量e=1.6×10-19 C,则阴极K的逸出功为(　　) A.2.15 eV B.2.65 eV C.1.65 eV D.0.5 eV 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:频率为6.4×1014 Hz的光子能量hν≈2.65 eV,当电压表的示数为0.5 V时,微安表中的电流恰好为零,说明光电子的最大初动能为0.5 eV,由光电效应方程Ekm=hν-W可知,阴极K的逸出功为2.15 eV,故选项A正确。 9.(多选)甲、乙两种金属发生光电效应时,光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν间的关系图线分别如图中的a、b所示。下列判断正确的是(　　) A.甲金属的逸出功大于乙金属的逸出功 B.乙金属的极限频率小于甲金属的极限频率 C.改变入射光强度不会对图线a与b产生任何影响 D.图线a与b的斜率是定值,与入射光和金属材料均无关系 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 CD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:根据光电效应方程Ek=hν-W=hν-hν0知,纵截距对应ν=0的时候,此时纵截距的绝对值就是金属的逸出功,由图可知甲金属的逸出功小于乙金属的逸出功,故A错误;横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率,此时的频率等于金属的极限频率,由图可知乙金属的极限频率大于甲金属的极限频率,故B错误;图线的斜率表示普朗克常量,根据图线斜率可得出普朗克常量,因此甲与乙一定平行,且两斜率是固定值,与入射光和金属材料皆无关系,故C、D正确。 10.用频率为ν的光照射光电管阴极时,产生的光电流随阳极与阴极间所加电压的变化规律如图所示,U0为截止电压。已知电子电荷量为-e,普朗克常量为h,求: (1)光电子的最大初动能Ekm; (2)该光电管发生光电效应的极限频率ν0。 答案:(1)eU0　(2)ν- 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:(1)截止电压的作用是使具有最大初动能的光电子不能到达阳极,根据动能定理得-eU0=0-Ekm,最大初动能Ekm=eU0。 (2)根据爱因斯坦光电效应方程得Ekm=hν-hν0,得光电管的极限频率ν0=ν-=ν-。 [C组　培优选做练] 11.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的激光器发出波长为λ的光全部照射在K上,回路中形成电流,若将电源的正负极对调,回路中电流恰好为0。已知光速为c,普朗克常量为h,电子电荷量为e,电源内阻不计。 求: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 (1)每秒钟到达K极的光子数量n; (2)阴极K材料的逸出功W0; (3)电源正负极不对调时,光电子到达A的最大动能Ekm。 答案:(1)　(2)-Ue　(3)2Ue 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:(1)设每秒钟到达K极的光子数量为n,则nhν=Pt,又ν=,联立解得n=。 (2)根据光电效应方程可知hν-W0=Ek0 得Ek0=-W0=Ue 解得W0=-Ue。 (3)逸出的电子在电场中加速向A运动,根据动能定理得Ue=Ekm-Ek0 联立解得Ekm=2Ue。 $$