第4章 2. 光电效应-【重难点手册】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

重滩点手册高中物理选择性必修第三册) 第2节 光电效应 重点和难点 课标要求 重点：1，光电效应现象及其实验规律 1.通过实验，了解光电效应现象及其实验规律. 2.光电效应经典解释的困难和爱因斯坦的 2.了解爱因斯坦光电效应理论及其意义，能用爱因斯 光子说解释光电效应的成功 坦光电效应方程解释光电效应现象 3.康普顿效应和光子的动量. 3.了解康普顿效应及其意义. 难点：光电效应方程的应用 4.能根据实验结论说明光的波粒二象性. 口01必备知识梳理， 知识点1光电效应的实验规律 1.光电效应现象 卫划重点 (1)演示 1.光电效应的实质是光 现象转化为电现象 如图所示，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验 2.使锌板发生光电效应的 电器指针张开.用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化.发 光是紫外线灯发出的紫外线 现验电器张开的指针夹角变小，说明锌板带的负电荷变少了，这 意味着紫外线会让电子从锌板表面逸出. 验电器 紫外线灯 刀划重点司 (2)定义 入射光 饱和光电流 (单位时间内发射的光 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出.这种 强度 电子数) 现象称为光电效应，这种电子常称为光电子 人射光 (1)是否产生光电效应 频率 (2)光电子最大初动能 2.光电效应实验 两个关系 (1)光电效应的实验装置 1.光强大→光子数目多→ 如图所示，阴极K和阳极A是密封在真光束、 窗口 发射光电子多→饱和光电流大 空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照 2.光子频率高→光子能 量大→产生光电子的最大初 时能够发射电子.电源加在K与A之间的电 动能大 压大小可以调整，正、负极也可以对调，当 电源按图示极性连接时，闭合开关后，阳极A 吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。 88 第巴童原子结构和波粒二象性津么组 (2)实验规律 同敲黑板 ①存在截止频率 对光电效应瞬时性的解释 当入射光的频率减小到某一数值以.时，光电流消失，这表明 只要入射光的频率大于 已经没有光电子了，称为截止频率或极限频率.这就是说，当入 截止频率，电子就会聊间遮 射光的频率低于截止频率时不发生光电效应 出，不需要时间积累，也就是 实验表明，不同金属的截止频率不同.换句话说，截止频率与 说光电效应在极短的时间内 金属自身的性质有关， 就完成了；可是如果入射光的 ②存在饱和电流 频率小于截止频率，不管光有 在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋 多强，也不管照射多长时间， 于一个饱和值.也就是说，在电流较小时电流随着电压的增大而 都不可能发生光电效应. 增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会 再进一步增大了，如图所示， 黄光（强） 蓝光 黄光() UU O U 这说明，在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光 电子的数目是一定的，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳 极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大 实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流 越大，这说明，对于一定频率（颜色）的光，人射光越强，单位时间 内发射的光电子数越多. ③存在遏止电压 如果施加反向电压，也就是阴极K接电源正极、阳极A接电 源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为 0.使光电流减小到0的反向电压U。称为遏止电压 遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的 上限u。应该满足以下关系： y ev=el. 进一步的实验表明，同一种金属对于一定频率的光，无论光 的强弱如何，遏止电压都是一样的，光的频率y改变时，遏止电压 U。也会改变.这意味着对于同一种金属，光电子的能量只与入射 光的频率有关，而与入射光的强弱无关。 ④光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，照射金属 时会立即产生光电流.精确测量表明产生电流的时间很快，即光 电效应几乎是瞬时发生的. 89 重滩点手册高中物理选择性必修第三册) 知识点2光电效应经典解释中的疑难 1.逸出功 刀划重点司 要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值 逸出功W。反映了从金 叫作这种金属的逸出功，用W。表示 属表面逸出的电子克服束缚 2.光的电磁理论只能部分地解释光电效应 而消耗的最小能量，不同金属 利用光的电磁理论（经典波动理论）能够解释： 的逸出功不同，逸出功只跟金 (1)当光照射到金属表面时，电子会吸收光的能量.若电子吸 属的种类有关金属越活泼， 逸出功越小，越容易发生光电 收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子 效应 (2)光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大 3.光的电磁理论与光电效应现象的矛盾 按照光的电磁理论解释 光电效应实验结果 光能由振幅决定，与光的频率无关， 只要光强足够大（不论入射光的频率 存在截止频率e:若v<, 矛盾1 无论光强多大，都不能发 多大)，总可以使电子获得足够的能 生光电效应 量，从而发生光电效应 光强越大，电子可获得的能量越多， 光电子的最大初动能、遏 光电子的最大初动能也应该越大，遏 矛盾2 止电压也应越大，即出射电子的最大 止电压都与光强无关，而 与频率有关 初动能应该由光强来决定 具有瞬时性：当入射光照 光强大时，电子能量积累的时间就 矛盾3短：光强小时，电子能量积累的时间 射到光电管阴极时，无论 就长 光强多大，光电子几乎是 瞬问产生的 知识点3爱因斯坦的光电效应理论 1.爱因斯坦的光电效应方程 司敲黑板 (1)爱因斯坦的光子说 光子与光电子 在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫作 光子指光在空间传播时 一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即e=hv(h=6.63× 的每一份能量，光子不带电 101J·s,为普朗克常量). 光电子是金属表面受到光照 (2)光电效应方程：Ek=hv一W。 射时吸收了光子能量后发射 出来的电子，其本质是电子， 爱因斯坦的光电效应方程在本质上是能量的转化和守恒定 律对应的方程：一个电子吸收一个光子的能量()后，除了克服 原子核的引力做功消耗一部分能量外，另一部分能量转化为光电 子从金属中逸出时的初动能.由于W。是电子逸出金属时要做的 最小功，所以E。实际上为电子逸出时的最大初动能， 90 第四童原子结构和波粒二象性么组 2.光子说对光电效应现象的解释 ☑划重点 (1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能 光电效应问题的分析与理解 一份一份地吸收光子的能量.如果光的频率低于金属的极限频 1.两条线索 率，则光子提供给电子的能量不足以使电子克服原子核的束缚， 「强度一决定着每秒 钟光源发射的光子数 照射光 就不能发生光电效应 领半—一决定着每个光 (子的能量=h￥ (2)对于某一金属，逸出功是一定的，要产生光电效应，入射 「每秒钟途出的光电子数 决定着光电流的大小 光的频率必须高于金属的极限频率(，-%)，当光子的频率高于 光电子 光子的能量和逸出功决定」 着光电子的最大初动能 金属的极限频率时，能量传递给电子后，电子摆脱束缚要消耗一 2.两个关系 部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的 光强大→光子数目多 发射光电子多→光电流大（同 最大初动能E=2m:正=一w。,其中W。为金属的逸出功，则 一种光)： 光的频率越高，光电子的最大初动能越大. 光子频率高→光子能量 (3)电子吸收能量的过程极其短暂，吸收能量后瞬间挣脱束 大·产生光电子的最大初动 缚，所以光电效应的发生也几乎是瞬时的， 能大（同一种金属）. (4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强成 正比，光强越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那 么逸出的光电子数目也就越多，因此饱和电流也就越大 3.实验规律的图像表述 实验条件 实验图像 实验结论 ①当加速电压U达到一定值时，光电 入射光的 流达到饱和值Im 强度和频 ②当电压U减小到0，并开始反向时， 率不变 U.O 光电流并没降为0，表明光电子有最大 初动能，且E=eU 入射光的 14 1 黄光（强） ①U。相同，说明频率相同的光所产生 频率相同， 黄光（弱） 的光电子的最大初动能相同 强度不同 UO U ②光的强度越大，饱和电流越大 黄 蓝光 频率越高，U。越大 UUO U 入射光的 频率不同 AU y与U。呈线性关系，频率低于4.的光， 无论强度多大，都不能产生光电子 91 重避食手册高中物理选择性必修第三册) 4.光电效应规律的两个线性图像 同敲黑板习 Uev Exv 光电子的动能与光电子的 最大初动能 U E 光照射到金属表面时，入 图像 射光子能量大于金属逸出功 时，光子的能量全部被电子吸 收，电子吸收光子的能量，可 能向各个方向运动，需克服原 物理意义 表示遏止电压U。与入射光频表示光电子的最大初动能随 率之间是线性关系 入射光的频率呈线性变化 子核和其他原子的阻碍而损 失一部分能量，剩余能量为光 图线方程 U=么-w e Ek=hv-W。 电子的初动能.只有金属表面 的电子直接向外飞出时，需克 横截距表示截止频率，纵截距横截距表示截止频率，纵截 截距 距的绝对值表示金属的逸出 服原子核的引力做功，才具有 的堂对值表示警 功W。 最大初动能，E=hv一W。,实 质为能量守恒定律方程 斜率 表示号 表示五 知识点4康普顿效应和光子的动量 1.光的散射 2划重点 光在介质中与物质微粒相互作用，其传播方向发生改变，这 1.波动性与粒子性的统 种现象叫作光的散射. 一：光既有波动特点又具有粒 2.康普顿效应 子的特征，对于宏观世界中这 用X射线照射物体时，散射出来的X射线的波长会变长，这 两种非此即彼的对立关系在 个现象称为康普顿效应 微观世界中却又可以集于光 (1)光子假说对康普顿效应的解释： 子一身.我们只能说光在有的 一个X射线光子不仅具有能量e=hv,而且还具有动量，X射 时候表现明显的是粒子性或 线的光子与物质中的微粒碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守 者是波动性，这两种特性总是 同时存在的。只不过这里的波 恒定律。 并不是宏观概念中的波，粒子 一个光子与静止的电子（假设此电子的速度相对光速而言可 也并非宏观世界中的粒子. 以忽略不计)发生弹性碰撞，如图所示.光子把部分能量转移给了 2.从数量上看：个别光子 电子，能量由v减小为y',因此，频率减小，波长增大，同时光子 的作用效果往往表现为粒子 还使电子获得一定的动量. 性，大量光子的作用效果往往 散射光子 表现为波动性， 电子了 -0-- 3.从频率上看：频率越 光子电子 低，波动性越显著，越容易看 碰撞前 碰撞后 到光的干涉和衍射现象；频率 (2)光子的动量：光子不仅具有能量，而且还具有动量，其大 越高，粒子性越显著，贯穿本 92 第四章原子结构和波粒二象性么出组 小为p=hv-色 领越强，越不容易看到光的干 cλ 涉和衍射现象。 (3)康普顿效应表明光子既有能量又有动量。 4.从传播与作用上看：光 康普顿效应深刻地揭示了光的粒子性，同时表明光子除了具 在传播过程中往往表现出波 有能量之外还具有动量.康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物 动性，在与物质发生作用时往 理学奖 往表现出粒子性 知识点5光的波粒二象性 1.麦克斯韦电磁理论使人们认识到光是一种波，而光的干 涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。 2.光电效应与康普顿效应说明光具有粒子性， 3.光子的能量e=,光子的动量p一冬这两个表达式说明 光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和动量的计算 式中都含有描述波动性的物理量一频率和波长λ. 4.光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性 口02关健能力提升-， 题型】光电效应的分析与判断 正电，验电器也带正电，故A错误；因为发生光 例①(2025·江西九江一中高二月考)光 电效应时，锌板失去电子带正电，用带负电的 电效应实验的装置如图所示，现用发出紫外线 金属小球与锌板接触，验电器电量要减小，故 的弧光灯照射锌板，验电器指针张开一个角 B错误；改用强度更大的紫外线灯照射锌板，单 度.下列判断正确的是( 位时间内发出的光电子数目增多，则所带的正 验电器 锌板 电荷增多，验电器指针偏角变大，故C正确：改用 强度更大的红外线灯照射锌板，频率减小，可能不 发生光电效应，验电器指针不动，故D错误 弧光灯 答案C 77n7777777 题型2爱因斯坦光电效应方程的应用 A.锌板带正电，验电器带负电 例2(2025·山东青岛一中高二阶段考 B.将带负电的金属小球与锌板接触，验电 试)用波长为4×10-？m的紫光照射某金属，发 器指针偏角变大 出的光电子垂直进人3×10一4T的匀强磁场 C.使验电器指针回到零，改用强度更大的 中，光电子所形成的圆轨道的最大半径为 弧光灯照射锌板，验电器指针偏角变大 1.2cm(电子电荷量e=1.6×10-9C,其质量 D.使验电器指针回到零，改用强度更大的 m=9.1×10-1kg).求： 红外线灯照射锌板，验电器指针偏角变大 (1)紫光光子的能量. 解析发生光电效应时，锌板失去电子带 (2)光电子的最大初动能， 93 重滩点手册高中物理选择性必修第三册) (3)该金属发生光电效应的极限频率 D.该金属的逸出功约为2.85×10-19J 解折(1)光子的能童e=h,=h发=6.63× 光束 10×88J497X10. (2)光电子进入磁场后，受到的洛伦兹力 等于做匀速圆周运动的向心力，则gB=m?, 电源 光电子的最大初动能民=m=理 甲 2m U/V 1.62×108×9X108×1.44X10J≈1.82× 1.0f 2×9.1×10-3I 0.8- 1019J. 06 0.4f (3)金属的极限频率满足W。=ho,由爱因 0.2f 斯坦光电效应方程Ek=hv一W。=hv一hh, 山f山L→v(1oHz) 4.04.55.05.56.06.57.0 6=m-E=4.97×1019-1.82X10-19 Hz≈ h 6.63×10-34 4.75×1014Hz. 解析因为测量逼止电压U。与入射光频 题型3光电效应的图像问题 率y的关系时，需要使加在两极板间的电压为 例B(2025·安徽合肥一六八中学高二 反向电压，使电子减速，所以应该让电场方向 阶段练习)（多选）利用图甲所示的实验装置测 从K指向A,所以电源右端应为正极，故A正 量遏止电压U与入射光频率v的关系.若某次 确；因为最大初动能为Ek=U,即遏止电压 实验中得到如图乙所示的U。y图像，已知普朗 U越大，说明光电子最大初动能越大，故B正 克常量h=6.63×10-4J·s,则下列说法正确 确；由爱因斯坦光电效应方程知Ek=hu一W。, 的是(). 遏止电压只与入射光频率有关，与入射光强度 A.电源的右端为正极 无关，故C错误；当最大初动能为0时，对应频 B.遏止电压U越大，说明光电子的最大 率即为截止频率，由图像知截止频率为。=4.3 初动能越大 ×1014Hz,所以逸出功为W。=he=6.63X C.若保持入射光频率不变，增大人射光光 104×4.3×104J≈2.85×1019J,故D正确. 强，遏止电压也会增大 答案ABD 03核心素养聚焦。 考向1光子的能量和动量 相干光电子束.用该电子束照射间距为d的双 例1(2023·浙江6月卷)（多选）有一种 缝，在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条 新型光电效应量子材料，其逸出功为W。.当紫 纹，测得条纹间距为△x.已知电子质量为， 外光照射该材料时，只产生动能和动量单一的 普朗克常量为h,光速为c,则(). 94 第四童原子结构和波粒二象性么组 A电子的动量九，= 子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光 d△x 电子，并对光电子进行分析的科研仪器.用某 B.电子的动能Ex= hL2 2md'△x2 一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电 子，若增加此X光的强度，则( C.光子的能量E=w。十hL d△x A.该金属逸出功增大 D.光子的动量p=W+ h2L2 B.X光的光子能量不变 c 2cmd'△r C.逸出的光电子最大初动能增大 图折由条纹间距△虹一台入，电子动量A一 D.单位时间逸出的光电子数增多 解析用某一频率的X光照射某种金属表 是联立解得A-品A对：电子的动能民 面，逸出了光电子.若增加此X光的强度，由于 m-益解得=（品），B错老子 1 金属的逸出功是金属本身的特性，仅与金属自 身有关，与照射光的强度无关，因此该金属逸 的能量E=W。+E,故E=w。十(hL) 出功不变，A错误；若增加此X光的强度，由于 2m(dnz) 光子能量e=hy只与频率有关，所以X光的光 C错光子的动量=_仙=E,解得p W十 子能量不变，B正确；根据爱因斯坦光电效应方 程Em=hy一W。,若增加此X光的强度，逸出 h2L2 2cmAx2,D对. 的光电子最大初动能不变，C错误；若增加此X [答案AD 光的强度，入射到金属表面的光子数增多，单 位时间内逸出的光电子数增多，D正确」 命题意图 考查光子的能量和动量 核心素养 答案BD 科学思维 素养水平 水平3 命题意图 考查光电效应现象 考向2光电效应现象 核心素养 科学思维 素养水平 水平3 例☑(2024·辽宁卷)（多选）X射线光电 95