6.1 光电效应及其解释 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

该高中物理课件围绕光电效应及其解释展开，涵盖实验规律、光子说、爱因斯坦光电效应方程及光的波粒二象性。通过锌板验电器实验、自动门传感器等实例导入，引导学生从现象到规律再到理论，搭建连贯的学习支架。 其亮点在于通过易错辨析、典例剖析等环节，结合科学探究（如自动门传感器导学）和科学思维（图像分析光电效应方程），深化物理观念。例如用遏止电压与频率关系图培养模型建构能力，学生能直观理解抽象概念，教师可高效突破重难点。

第6章　波粒二象性 第1节　光电效应及其解释 课标要求 1.知道光电效应现象,了解光电效应的实验规律。(物理观念) 2.理解爱因斯坦光电效应方程及其意义,会用光电效应方程解决一些简单问题。(物理观念) 3.能根据实验结论说明光的波粒二象性。(科学探究) 基础落实·必备知识全过关 一、光电效应 1.光电效应 (1)定义:在光的照射下电子从物体表面逸出的现象,称为光电效应。这种逸出的电子称为　　　　　。  (2)实验规律 ①存在极限频率:当入射光的频率低于某一频率时,光电流消失,不会产生光电效应,这一频率称为　　　　　　　。极限频率与　　　　　　有关。只有当入射光的频率　　　 　　极限频率,才会产生光电效应;若入射光的频率小于极限频率,即使增加光的强度或照射时间,也不能产生光电效应。  光电子 极限频率 金属的种类　 大于或等于 ②光电效应具有瞬时性:从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间　　　　,通常在　　　内。  ③存在着饱和电流:产生光电效应时,在光照强度不变的情况下,光电流随电压的增大而增大,当光电流增大到一定值时,即使电压再增大,电流也不再增加,达到一个饱和值,即为　　　　　　。在光频率不变的情况下,入射光越　　,单位时间内逸出的电子数也越　　,饱和电流越　　。  ④阴极逸出的光电子具有初动能,因此在外加电压调到零时仍有光电流。如果施加反向电压,在电压较低时也还有光电流,只有当反向电压大于某一值时,光电流才为零,这一电压称为　　　　　　。遏止电压Uc与光电子最 大初动能满足的关系为　 　　　　。光电子最大初动能与___________　　　　　　　　有关,与入射光的强度无关。入射光的频率越高,光电子的最大初动能越大。  很短 10-9s 饱和电流　 强 多 大 遏止电压 入射光的频率 2.光电效应的解释 (1)光子说:看似连续的实际上由数量有限的、分立的光子组成的,每个光子的能量是　　。  (2)爱因斯坦光电效应方程 表达式:　　　　　　。　　是一个光子的能量;　　为一个电子从金属表面逸出而必须做的功,称为逸出功;　　　　为电子离开金属表面的最大初动能。  (3)光电效应的应用:光电开关、光电成像。 hν hν W 二、光的波粒二象性 1.波粒二象性:光既具粒子的特征,又有波的特征,光具有　　　　　　。  2.光是一种　　　　　,光子出现在哪个位置,受概率支配。单个光子出现在哪个位置是随机的,因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时,概率大的位置出现的光子多,形成亮条纹;概率小的位置出现的光子少,形成暗条纹。  3.当光的波长较长时,光子的能量和动量很小,个别光子难以显示出可观测效应,人们观察到的是大量光子的集体行为,因此波动性比较明显,波长越长,波动性越明显。光在与电子等物质相互作用时更多地表现为　　　　　,在传播过程中更多地表现为　　　　。  波粒二象性 概率波 粒子性 波动性 想一想如图所示,将锌板和验电器连在一起,然后用紫外线灯照射锌板,会发生一个奇妙的现象,验电器的金属箔片张开一个角度,这一现象说明了锌板在紫外线照射下带电了。为什么会这样呢?验电器上带何种电荷? 提示 锌板在紫外线的照射下,向外逸出电子,所以锌板带电;锌板剩余正电荷,验电器也带有正电荷。 易错辨析 判一判 (1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。(　　) (2)光子数量越大,其粒子性越明显。(　　) (3)光具有粒子性,但光子又不同于宏观观念的粒子。(　　) (4)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。(　　) (5)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(　　) (6)入射光照射到金属表面上时,光电子几乎是瞬时发射的。(　　) √ × 提示 光子数量越大,其波动性越明显。 √ × 提示 只有频率大于或等于极限频率的光照射到金属上才能发生光电效应。 × 提示 金属表面是否发生光电效应与入射光的频率有关。 √ 即学即用 练一练 一验电器与锌板相连(如图所示),用一紫外线灯照射锌板,关灯后,验电器指针保持一定偏角。 (1)现用一带负电的金属小球与锌板接触,则验电器 指针偏角将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。  (2)使验电器指针回到零,再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转。那么,若改用强度更大的红外线灯照射锌板,可观察到验电器指针　　　　(选填“有”或“无”)偏转。  减小 无 解析 (1)当用紫外线灯照射锌板时,锌板发生光电效应,锌板逸出光电子而带上正电,此时与锌板连在一起的验电器也带上了正电,故指针发生了偏转。当带负电的金属小球与锌板接触后,中和了一部分正电荷,从而使验电器的指针偏角减小。 (2)使验电器指针回到零,用钠灯发出的黄光照射锌板,验电器指针无偏转,说明钠灯发出的黄光的频率小于锌的极限频率,而红外线比黄光的频率还要低,更不可能使锌板发生光电效应。能否发生光电效应与入射光的强弱无关。 重难探究·能力素养全提升 探究点一　光电效应的实验规律 导学探究 当我们走到自动门前时,光电池电子眼探测到有人到来,门就会自动打开,这种传感器可以对光响应。当光的强度变化时,传感器产生的电流大小将发生改变,与相应的电路耦合,就可以触发开关将门打开。 你知道其中的道理吗? 要点提示 这种传感器代表了光电效应的一种应用,当发生光电效应时,光照在金属上使电子从金属中逸出,这种现象爱因斯坦给出了合理的解释并将其理论化,他阐明了光与粒子流有相似的行为。 知识归纳 1.光电效应的实质:光现象 电现象。 2.光电效应中的光包括不可见光和可见光。 3.光电子:光电效应中发射出来的电子,其本质还是电子。 4.入射光的频率决定了能否发生光电效应。 5.发生光电效应时,产生的光电子数与入射光的强度有关。 典例剖析 【例题1】　利用光电管研究光电效应实验如图所示,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,电流表不一定有电流通过 B.用红光照射,电流表一定无电流通过 C.用频率为ν的可见光照射K,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 D.用频率为ν的可见光照射K,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 D 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,选项A错误;因不知阴极K的极限频率,所以用红光照射时,也可能发生光电效应,选项B错误;即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,选项C错误;当滑动触头向B端滑动时,UAK增大,阳极A吸收光电子的能力增强,光电流会增大,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么即使增大UAK,光电流也不会增大,选项D正确。 规律方法　关于光电效应的三个理解误区 误区1:认为光电效应中,只要光强足够大,就能发生光电效应。 产生该误区的原因是对产生光电效应的条件认识不清。实际上,能不能发生光电效应由入射光的频率决定,与入射光的强度无关。 误区2:认为光电流的强度与入射光的强度一定成正比。 出现该误区是由于混淆了光电流和饱和电流。实际上,光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关,只有同种频率的光的饱和电流的强度才与入射光的强度成正比。 误区3:认为入射光越强,产生的光电子数一定越多。 这是对光强的概念理解不全面造成的。实际上,入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量,是由入射的光子数和入射光子的频率决定的,可用E=nhν表示,其中n为单位时间内的光子数。在入射光频率不变的情况下,光强度与光子数成正比。换用不同频率的光,即使光强度相同,光子数目也不同,因而逸出的光电子数目也不同。 对点演练 1.(多选)如图所示,电路中所有元件完好,但光照射到光电管上,灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是(　　) A.入射光太弱 B.入射光波长太长 C.光照时间太短 D.电源正、负极接反 BD 解析 金属存在极限频率,频率不低于极限频率的光照射金属时才会有光电子逸出,逸出的光电子的最大初动能随频率的增大而增大,动能小时不能克服反向电压,也不会有光电流。入射光的频率低于极限频率,不能产生光电效应,与光照强弱无关,选项B正确,A错误;电路中电源正、负极接反,对光电管加了反向电压,若该电压超过了遏止电压,也没有光电流产生,选项D正确;光电效应的产生与光照时间无关,选项C错误。 探究点二　光电效应方程的理解及应用 导学探究 研究光电效应现象的装置图如图甲所示,研究光电效应的电路图如图乙所示。请结合装置图及产生的现象回答下列问题: (1)在图甲中发现,利用紫光照射锌板无论光的强度如何变化,验电器都有张角;而用红光照射锌板,无论光的强度如何变化,验电器始终无张角。这说明了什么? (2)在图乙中给光电管两端加正向电压,用一定强度的光照射时,若增加电压,电流表示数不变,而光强增加时,保持所加电压不变,电流表示数会增大,这说明了什么? 要点提示 (1)金属能否发生光电效应,决定于入射光的频率,与入射光的强度无关。 (2)发生光电效应时,饱和电流的强度与光的强度有关。 知识归纳 1.光电效应方程实质上是能量守恒方程 (1)能量为ε=hν的光子被电子所吸收,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动能。 (2)如果克服吸引力做功最少为W,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-W。 2.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 光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大; 光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。 3.在理解光电效应方程的基础上,把其数学关系式与数学函数图像结合起来,经分析、推导得出图像的斜率以及在图像横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量,从而理解它们的物理意义,有效提高自身应用数学解决物理问题的能力。 关系 图像 解释 最大初动能与入射光频率的关系图像 该图像对应的函数式为Ek=hν-W,图像与横轴的交点为极限频率,图像是相互平行的,因为图线的斜率就是普朗克常量 关系 图像 解释 光电流与电压的关系图像 从图线①③可看出同种光照射同种金属板对应的遏止电压相同,而饱和电流随入射光强度增大而增大;从图线①②可知,对于同种金属,入射光的频率越高,遏止电压越大 遏止电压与入射光频率的关系 该图像的对应函数式为 ,故从图像可以直接读出金属的极限频率,由斜率可算出普朗克常量,由纵轴截距可推算出金属的逸出功 【例题2】 (2025湖北宜荆荆恩联考)采用如图甲所示电路来研究光电效应规律,现分别用a、b两束单色光照射同一光电管,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系图像如图乙所示。下列说法正确的是(　　) A.若直流电源右端为正极,将滑动变阻器滑片 向右滑动,则电流表示数不断增大 B.若直流电源左端为正极,将滑动变阻器滑片 向右滑动,则电流表示数不断增大 C.若b光能使某金属产生光电效应,则a光一定也可以 D.若a光能使某金属产生光电效应,则b光一定也可以 典例剖析 D 解析 若直流电源右端为正极,则光电管两端是反向电压,将滑动变阻器滑片向右滑动,反向电压增大,电流逐渐减小到0,故A错误;若直流电源左端为正极,则光电管两端是正向电压,将滑动变阻器滑片向右滑动,正向电压增大,电流达到饱和电流后不再增大,故B错误;根据eUc=Ek=hν-W0可知,入射光的频率越大,光电子的最大初动能越大,其对应的遏止电压越大,所以a光的频率比b光的小,若b光能使金属发生光电效应,只能说明b光的频率大于截止频率,而a光的频率不一定大于截止频率,a光不一定可以,若a光能使金属发生光电效应,能说明a光的频率大于截止频率,而b光的频率一定大于截止频率,b光一定可以,故C错误,D正确。 对点演练 2.(多选)如图所示是某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,由图像可知(　　) A.该金属的逸出功等于E B.该金属的逸出功等于hνc C.入射光的频率为νc时,产生的光电子的最大初动能为E D.入射光的频率为2νc时,产生的光电子的最大初动能为2E AB 解析 题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W,知当入射光的频率恰为该金属的极限频率νc时,光电子的最大初动能Ek=0,此时有hνc=W,即该金属的逸出功等于hνc,选项B正确;根据图线的物理意义,有W=E,故选项A正确,C、D错误。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 1.(多选)在做光电效应的实验时,某金属被光照射发生了光电效应,实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示,由实验图线可求出(　 　) A.该金属的极限频率和极限波长 B.普朗克常量 C.该金属的逸出功 D.单位时间内逸出的光电子数 ABC　 1 2 3 1 2 3 2.如图所示,N为钨板,M为金属网,它们分别和电池两极相连,各电池的极性和电动势在图中标出。钨的逸出功为4.5 eV。现分别用能量不同的光子照射钨板(各光子的能量在图上标出)。那么,下列图中有光电子到达金属网的是(　　) A.①②③ B.②③ C.③④ D.①② B 1 2 3 解析 入射光的光子能量小于逸出功,则不能发生光电效应,故①错误;入射光的光子能量大于逸出功,能发生光电效应;电场对光电子加速,故有光电子到达金属网,故②正确;入射光的光子能量大于逸出功,能发生光电效应,根据光电效应方程Ekm=hν-W=3.5 eV,因为所加的电压为反向电压,反向电压为2 V,知光电子能到达金属网,故③正确;入射光的光子能量大于逸出功,能发生光电效应,根据光电效应方程Ekm=hν-W=3.5 eV,所加的反向电压为4 V,根据动能定理知,光电子不能够到达金属网,故④错误。故选B。 1 2 3 3.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3.00×108 m/s。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为　 　　 Hz。(结果保留一位有效数字)  8×1014 解析 根据爱因斯坦光电效应方程 ,代入数据解得ν0=8×1014 Hz。 eUc= hν=W+mv2 mv2 Uc= 解析 依据光电效应方程Ek=hν-W可知,当Ek=0时,ν=ν0,即图像中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率,极限波长为λ0=。图线的斜率k=,可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量。根据图像,假设图线的延长线与Ek轴的交点为C,其截距大小为W,有k=,而k=h,所以W=hν0,即图像中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功。故选A、B、C。 Ek=hν-W=h-hν0 $