4.2 光电效应 学案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦原子结构和波粒二象性，核心内容涵盖光电效应、康普顿效应及光的波粒二象性，通过必备知识填空、实验规律分析搭建基础，结合实验设计引导探究，依托光电管装置解析经典疑难，形成从现象到理论的学习支架。 以实验探究为特色，通过光电管操作、康普顿效应模拟培养科学探究能力，结合方程推导与图像分析发展科学思维，设置分层习题和辨析题强化物理观念，参考答案详细，助力自主学习与教学评估。

目录 第四章 原子结构和波粒二象性 1 2．光电效应 1 第1课时 光电效应 1 【参考答案】 7 第2课时 康普顿效应 光的波粒二象性 8 【参考答案】 12 专题强化7 光电效应方程及其应用 12 【参考答案】 16 第四章 原子结构和波粒二象性 2．光电效应 第1课时 光电效应 【课标要求】通过实验，了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。 【学习目标】 1．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律，知道光电效应与电磁理论的矛盾。 2．理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题。 【学习重难点】 重点：光电效应的实验规律。 难点：爱因斯坦光电效应方程以及意义。 课堂导练 必备知识 一、光电效应的实验规律 1．光电效应现象 (1)光电效应：_______________________________________。 (2)光电子：____________________。 2．光电效应的实验规律 (1)存在截止频率或极限频率νc：____________________不发生光电效应。 实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与___________有关。 (2)存在饱和电流：____________________________________________________________________。 这表明对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 (3)存在遏止电压：___________________________________________________________。 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。光的频率改变时遏止电压也会改变。这意味着对于同一种金属，光电子的能量只与入射光频率有关，而与光的强弱无关。 (4)光电效应具有瞬时性：__________________________________。 二、爱因斯坦的光电效应理论 1．光子：_________________________________________________。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：____________________。 (2)物理意义：__________________________________________________________________________________________。 1．在光电效应实验中，如果入射光的波长确定而强度增加，将产生什么结果？如果入射光的频率增加，将产生什么结果？ 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．根据如图所示的电路，利用能够产生光电效应的两种（或多种）频率已知的光来进行实验，怎样测出普朗克常量？根据实验现象说明实验步骤和应该测量的物理量，写出根据本实验计算普朗克常量的关系式____________ 点评点拨 一、光电效应的实验规律 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后观察到验电器指针变小，请问这个现象说明了什么？实验装置中发生了什么样的变化？ 光电效应的实验研究 (1)光电管：阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子，这个密封装置叫作光电管。如图甲，光电管的形状可以是长方体也可以是球体，光电管接在电路中相当于一个光控开关。 甲　 　乙 (2)研究光电效应的实验：如图乙所示，加在阴极K与阳极A之间电压的大小可以调节，电源的正负极也可以对调。 ①a.正向电压：当S1闭合、S2断开时，阳极A接在电源正极，阴极K接在电源负极，在阳极和阴极之间的空间产生由阳极指向阴极的电场，光电管阴极产生的光电子受到指向阳极的电场力作用而向阳极加速运动，这时加在光电管上的电压叫正向电压； b.反向电压：当S1断开、S2闭合时，所加电压为反向电压，光电子向阳极做减速运动。 ②调节电压大小：当滑动变阻器的滑片向右滑动时，加在光电管两端的电压(不管是正向电压还是反向电压)增大，向左滑动时加在光电管两端的电压减小。 ③测量光电流大小：有光电子从阴极K射出并能够运动到阳极A，光电管中会形成电流，这个电流就叫光电流，电流表的示数就是光电流的大小。 光电效应的实验结论 ①存在饱和电流Im：当正向电压U增加到一定值之后，光电流达到饱和值Im。这是因为单位时间内从阴极K射出的光电子全部到达阳极A。若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n，则饱和电流Im=ne，式中e为电子的电荷量。 实验结论：入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子越多，如图甲所示. ②光电子具有初动能：当电压U减小到零时，光电流I并没有减小至零，也就是说电子仍然能够自发地运动到阳极A，这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能。 ③存在遏止电压：反向电压为Uc时，恰好能阻止所有的光电子运动到阳极A，使光电流减小到零，这个反向电压叫遏止电压.利用动能定理来确定光电子的最大初速度vc和遏止电压的关系为 在用相同频率、不同强度的光去照射阴极K时，得到的I-U曲线如图甲所示.这说明相同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能(遏止电压)是相同的. ④存在截止频率(极限频率)：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，这表明已经没有光电子了.νc称为截止频率或极限频率.这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应，如图乙所示.截止频率与金属自身的性质有关. 光电效应经典解释中的疑难 1．逸出功 (1)逸出功的定义：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. (2)当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量，若吸收的能量超出逸出功，光电子就能从金属表面逸出.光越强，逸出的光电子数越多，光电流也就越大. 2．光电效应经典解释 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。 例1． 如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度，下列说法正确的是（ ） A．验电器带正电，锌板带负电 B．验电器带负电，锌板也带负电 C．若改用红光照射锌板，验电器的指针一定也会偏转 D．若改用同等强度、频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转 变式训练1． 如图所示为研究光电效应现象的电路图，当用绿光照射到阴极K时，电路中有光电流，下列说法正确的是（ ） A．若只减弱绿光的光照强度，光电流会减小 B．若换用红光照射阴极K时，一定也有光电流 C．若将电源的极性反接，电路中一定没有光电流 D．如果不断增大光电管两端的电压，电路中光电流会一直增大 变式训练2． 研究光电效应的实验电路图如图所示,滑动变阻器滑片处于图示位置.用绿光照射阴极K时,电流表示数为零,要使得电流表有示数,则 （ ） A．可将照射光改为红光 B．可将电源正负极调换 C．可改变阴极K的材料 D．可将滑动变阻器滑片向左移动 二、爱因斯坦的光电效应理论 对光电效应方程的理解 1．光电效应方程Ek=hν-W0中，Ek为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零到Ek之间的任何数值.Ek=hν-W0实质上是能量守恒方程. 2．存在截止频率.光电效应方程Ek=hν-W0包含了产生光电效应的条件，即要产生光电效应，必须有Ek=hν-W0＞0，即hν＞W0，ν＞ ，而 就是金属的截止频率.要想发生光电效应，则一定有ν＞νc. 3．光电效应方程Ek=hν-W0表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν存在线性关系(如图所示)，与光强无关.图中横轴上的截距是截止频率(极限频率)，纵轴上的截距是逸出功的负值，图线的斜率为普朗克常量. 4．存在遏止电压.根据动能定理得Ek=eUc，又由Ek=hν-W0得， ，可知遏止电压只跟入射光的频率和金属种类有关. 例2． 做光电效应实验时，用黄光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，应（ ） A．改用红光照射 B．增大黄光的强度 C．增大光电管上的加速电压 D．改用紫光照射 变式训练3． 已知使某种金属发生光电效应的截止频率为νc，则（ ） A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc C．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大 D．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增加一倍 变式训练4． (多选)某金属发生光电效应时,光电子的最大初动能Ek与入射光波长的倒数 间的关系如图所示.已知h为普朗克常量,c为真空中的光速,e为元电荷,由图像可知,下列说法正确的是 （ ） A．该金属的逸出功为-E B．入射光的波长小于λ0时会发生光电效应 C．普朗克常量和光速的乘积hc=Eλ0 D．用波长为 的光照射该金属时,其遏止电压为 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应。（ ） （2）极限频率越大的金属材料逸出功越大。（ ） （3）从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小。（ ） （4）入射光的频率越大，逸出功越大。（ ） 【参考答案】 课堂导练 必备知识 【答案】 一、1．光电效应现象 (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。 (2)光电子：光电效应中发射出来的电子。 2．光电效应的实验规律 (1)存在截止频率或极限频率νc：当入射光的频率小于某一数值νc时不发生光电效应。 实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。 (2)存在饱和电流：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。频率不变时，入射光越强，饱和电流越大。 这表明对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 (3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，且满足 。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。 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。光的频率改变时遏止电压也会改变。这意味着对于同一种金属，光电子的能量只与入射光频率有关，而与光的强弱无关。 (4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。 二、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：hν＝Ek＋W0或Ek＝ hν－W0。 (2)物理意义：金属中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。其中Ek为光电子的最大初动能。 1．【答案】1. 入射光波长确定而强度增加 单位时间内逸出的光电子数目增多：如果入射光的频率（波长确定）大于金属的极限频率，增加入射光的强度会导致单位时间内逸出的光电子数目增多。 无光电子逸出的情况：如果入射光的频率小于金属的极限频率，即使强度增加，也不会有光电子逸出。 2. 入射光频率增加逸出光电子的最大初动能增大：根据光电效应方程Ek=hν−W0Ek​=hν−W0​，入射光的频率增加会导致逸出光电子的最大初动能增大。 展示讨论 1． 【答案】 点评点拨 一、光电效应的实验规律 【答案】 思维探究 说明紫外线会让电子从锌板表面逸出，锌板上所带电荷量变小。 例1．【答案】D 变式训练1．【答案】A 变式训练2．【答案】C 例2．【答案】D 变式训练3．【答案】AB 变式训练4．【答案】BC 小结小测 二、课堂小测 【答案】 × √ × × 第2课时 康普顿效应 光的波粒二象性 【课标要求】知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。 【学习目标】 1．了解康普顿效应及其意义，知道光子具有动量。 2．了解光的波粒二象性。 【学习重难点】 重点：实物粒子和光子一样具有波粒二象性。 难点：实物粒子的波动性的理解。 课堂导练 必备知识 一、康普顿效应和光子的动量 1．光的散射：_______________________________________。 2．康普顿效应___________________________________________________________，这个现象称为康普顿效应。 3．康普顿效应的意义：____________________。 4．光子的动量 (1)表达式：___________ 。 (2)说明：___________________________________________________________。因此，有些光子散射后波长变大。 二、光的波粒二象性 1．光的干涉和衍射现象说明___________，光电效应和康普顿效应说明___________。 2．光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝ 。 3．光子既有粒子性，又有波动性，即___________。 展示讨论 小组讨论课本导练内容，并完成下列问题讨论且进行展示。 1．在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大量的光子。如果白炽灯消耗的电功率有15%产生可见光，试估算60W的白炽灯泡1s内发出可见光光子数的数量级。已知可见光波长的大致范围是400~760 nm。 点评点拨 一、康普顿效应和光子的动量 光子说对康普顿效应的解释 假定X射线的光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说，一个X射线的光子不仅具有能量ε=hν，而且还有动量.如图所示，这个光子与静止的电子发生碰撞，光子把部分能量转移给了电子， 光子能量由hν减小为hν'，因此频率减小，波长增大，同时，光子还使电子获得一定的动量.这样就圆满地解释了康普顿效应. 光子的动量 推导:由光子能量ε=hν，且ε=mc2(后面学习)，动量p=mc，可得hν=pc，即 ，又 ，得 其中ε为光子的能量，h为普朗克常量，p为光子的动量，c为光速，ν为光的频率，λ为光的波长. 注： 1．光子不仅具有能量，也具有动量，在与其他微粒作用过程中遵循能量守恒定律和动量守恒定律. 2．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子说的正确性. 3．能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量;波长λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量.ε=hν和 揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系. 例1． 如图所示是教材上解释康普顿效应的示意图，下列说法正确的是（ ） A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律 B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率ν C．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度 D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长 变式训练1． 太阳帆飞行器是利用太阳光获得动力的一种航天器，其原理是光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量。若光子垂直太阳帆入射并反射，其波长为λ，普朗克常量为h，则对它的冲量大小为（ ） A． B． C． D． 二、光的波粒二象性 光学发展史 学说名称 微粒说 波动说 电磁说 光子说 波粒二象性 代表 人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦 爱因斯坦 公认 实验 依据 光的直线传播、光的反射 光的干涉、衍射 光能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速 光电效应、康普顿效应 光既有波的特征，又有粒子的特征 内容 要点 光是一群弹性粒子 光是一种机械波 光是一种电磁波 光是由一份一份光子组成的 光既有波动性又有粒子性 年代 17世纪 17世纪 19世纪中 20世纪初 20世纪初 对光的波粒二象性的理解 光的特性 实验基础 含义 二象性 光的波动性 干涉、衍射 1．足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质. 2．频率低、波长长的光，波动性特征显著 1．光子说并没有否定波动性，ε=hν中，ν表示光的频率，表现了波的特征.光既具有波动性，又具有粒子性，波动性和粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下表现出的性质不同 2．只有用波粒二象性，才能说明光的各种行为 光的粒子性(能量子) 光电效应、康普顿效应 粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量 1．当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质. 2．少量或个别光子易显示出光的粒子性. 3．频率高、波长短的光，粒子性特征显著 1．光子说并没有否定波动性，ε=hν中，ν表示光的频率，表现了波的特征.光既具有波动性，又具有粒子性，波动性和粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下表现出的性质不同 2．只有用波粒二象性，才能说明光的各种行为 例2． 下列有关光的波粒二象性的说法正确的是(　　) A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子与电子是同样的一种粒子 C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D．大量光子的行为往往显示出波动性 变式训练2． 关于光的本质下列说法正确的是（　　） A．在光电效应现象中，光不具有波动性 B．在光的干涉、衍射现象中，光不具有粒子性 C．在任何情况下，光都既具有波动性、同时又具有粒子性 D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的 小结小测 一、课堂小结 二、课堂小测 （1）激光雷达能根据多普勒效应测出目标的运动速度，从而对目标进行跟踪。（ ） （2）玻璃中的气泡看起来格外亮是光的折射现象。（ ） （3）光电效应说明了光具有粒子性。（ ） （4）戴上特制眼镜看3D电影有立体感是利用了光的偏振原理。（ ） （5）光电子就是光子。（ ） 【参考答案】 课堂导练 必备知识 【答案】 一、1．光的散射：光子在介质中与物质微粒相互作用，使光的传播方向发生改变。 2．康普顿效应：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。 3．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量。 4．光子的动量 (1)表达式： 。 (2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小。因此，有些光子散射后波长变大。 二、1．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。 2．光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝ 。 3．光子既有粒子性，又有波动性，即光具有波粒二象性。 展示讨论 1．【答案】1019 点评点拨 例1．【答案】D 变式训练1．【答案】D 例2．【答案】CD 变式训练2．【答案】C 小结小测 二、课堂小测 【答案】 √ √ √ √ × 专题强化7 光电效应方程及其应用 1．进一步理解爱因斯坦光电效应方程并会分析有关问题。 2．会用图像描述光电效应有关物理量之间的关系，能利用图像求光电子的最大初动能、截止频率和普朗克常量(重难点)。 专题探究 一、光电效应方程Ek＝hν－W0的应用 1．光电效应方程的理解 (1)Ek为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W0和光的______有关。 (2)若Ek＝0，则hν＝W0，此时的ν即为金属的_________。 2．光电效应现象的有关计算 (1)最大初动能的计算：________________； (2)截止频率的计算：_______，即__________； (3)遏止电压的计算：_______，即__________。 例1． 如图所示，用波长为λ0的单色光照射某金属，调节滑动变阻器，当电压表的示数为某值时，电流表的示数恰好减小为零；再用波长为 的单色光重复上述实验，当电压表的示数增加到原来的3倍时，电流表的示数又恰好减小为零。已知普朗克常数为h，真空中光速为c。该金属的逸出功为（ ） A． B． C． D． 变式训练1． 光电传感器是智能技术领域不可或缺的关键器件，而光电管又是光电传感器的重要元件。如图所示，某光电管K极板的逸出功W0＝hν，若分别用频率为2ν的a光和频率为5ν的b光照射该光电管，则下列说法正确的是（ ） A．a光和b光的波长之比为2∶5 B．用a光和b光分别照射该光电管，逸出光电子的最大初动能之比为2∶5 C．加反向电压时，对应的遏止电压之比为1∶4 D．加正向电压时，对应形成的饱和光电流之比为1∶4 变式训练2． 用普通光源照射金属时，一个电子在极短时间内只能吸收一个光子从金属表面逸出，称为单光子光电效应．如果用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内能吸收多个光子，称为多光子光电效应．某光电效应实验装置如图所示，用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率的强激光照射阴极K，发生了光电效应；闭合开关S，并逐渐增大电源电压U，当光电流恰好减小到零时，电压为Uc.已知W为金属材料的逸出功，h为普朗克常量，e为电子电荷量，下列说法可能正确的是（ ） A．a端为电源的负极 B．ν＝ C．Uc＝ － D．Uc＝ － 二、光电效应图像问题 光电效应中的三类图像 图像名称 图像形状 由图像直接(间接) 得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像 ①图像方程:Ek=hν-W0 ②横轴截距:截止频率νc ③纵轴截距的绝对值:逸出功W0=|-E|=E ④图线的斜率:普朗克常量h 光电流I与所加电压U的关系图像 ①横轴截距:遏止电压Uc1、Uc2,遏止电压越大,入射光的频率越大 ②图像渐近线:饱和电流 ③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2 ④I随所加正向电压(U＞0)的增大而增大,随所加反向电压(U＜0)的增大而减小 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像 ①图像方程: ②横轴截距:截止频率νc ③纵轴截距(图像延长线与纵轴交点): ④图线的斜率:普朗克常量h与电子电荷量e的比值(注:此时两极之间接反向电压) ④遏止电压Uc随入射光频率的增大而增大 例2． 如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知（ ） A．钠的逸出功为hνc B．钠的截止频率为8.5×1014 Hz C．图中直线的斜率为普朗克常量h D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比 变式训练3． 如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线（直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴的交点坐标为0.5）。由图可知（ ） A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz C．该图线的斜率表示普朗克常量的倒数 D．该金属的逸出功为0.5 eV 变式训练4． 如图甲所示是研究光电效应饱和电流和遏止电压的实验电路，A、K为光电管的两极，调节滑动变阻器触头P可使光电管两极获得正向或反向电压。现用光子能量E＝11.2 eV的光持续照射光电管的极板K。移动滑动变阻器触头P，获得多组电压表、电流表读数，作出电流与电压关系的图线如图乙所示。求： （1）光电管K极材料的逸出功； （2）恰达到饱和电流3.1 μA时，到达A极板的光电子的最大动能。 【参考答案】 专题探究 一、光电效应方程Ek＝hν－W0的应用 【答案】 1．频率ν 截止频率νc 2．Ek＝hν－W0＝hν－hνc hνc＝W0 νc＝ －eUc＝0－Ek Uc＝ 例1．【答案】C 变式训练1．【答案】C 变式训练2．【答案】D 例2．【答案】A 变式训练3．【答案】A 变式训练4．【答案】 （1）5.4 eV；（2）8.0 eV 学科网（北京）股份有限公司 $