15.1 光电效应 学案 -2026届高考物理一轮复习

第15章 近代物理 第1讲 光电效应

课前复习

一、黑体与黑体辐射

1．黑体：物体在辐射电磁波的同时，还会吸收和反射外界射来的电磁波．如果一个物体能全部吸收入射的各种波长的电磁波而不产生反射，我们称之为绝对黑体，简称黑体．

2．黑体辐射：黑体表面向外辐射电磁波，这个过程叫作黑体辐射．黑体辐射的状况只与黑体的温度有关，与材料的种类及表面状况无关．

3．黑体辐射的实验规律

随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的最大值向波长较短的方向移动．

4.维恩公式：德国物理学家维恩从热学理论推出的公式，只在短波部分与实验非常接近；

5.瑞利公式：英国物理学家瑞利从经典电磁理论推出的公式，只在长波部分与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符．

6.微观世界里的能量是一份一份的，其中不可分的最小值ε叫作能量子，ε＝hν，式中的ν是带电微粒振动的频率，h是普朗克常量，h＝6.626 070 15×10－34 J·s.为了解黑体辐射规律，普朗克提出了能量子的概念，即能量是不连续的．总能量就是能量子的整数倍。。

 

二、光电效应及其规律　

1．定义照射到金属表面的光，能使金属中的（      ）从表面逸出的现象。

2．光电子（       ）中发射出来的电子。

3．光电效应的实验规律

(1)存在截止频率：当入射光的频率（         ）截止频率νc时不发生光电效应。不同金属的截止频率νc不同，即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，即在一定的光照条件下，单位时间阴极K发射的光电子的数目是一定的。实验表明，光的频率一定时，入射光越强，饱和电流（      ），单位时间内发射的光电子数（       ）。

(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子的初动能有最大值，Ekm＝mev＝eUc，称为光电子的最大初动能。实验表明，遏止电压(或光电子的最大初动能)与入射光的（      ）无关，只随入射光频率的增大而（      ）。

(4)光电效应具有瞬时性：当入射光的频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时发生的。

 

三、 爱因斯坦光电效应方程　

1．光子说光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量为（     ），其中h＝6.63×10－34 J·s(称为普朗克常量)。这些能量子后来称为光子。。

2．逸出功W0要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的（        ）叫作这种金属的逸出功。

3．光电子的最大初动能

在光电效应中，金属中的（     ）吸收光子后，除了要克服金属的逸出功外，有时还要克服原子的其他束缚而做功，这时光电子的初动能就比较小；当逸出过程只克服金属的逸出功而逸出时，光电子的初动能称为最大初动能。

 

4．爱因斯坦光电效应方程

(1)表达式：Ek＝（                           ）。

(2)物理意义：金属表面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（       ）金属，剩下的是逸出后电子的最大初动能Ek＝（           ）。

 

5．对光电效应规律的解释

 

                                        

 

四、波粒二象性　

1．光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有（          ）。

(2)光电效应和康普顿效应说明光具有（             ）。

(3)（                                  ），即光具有波粒二象性。

(4)光子的能量ε＝（           ），光子的动量p＝（               ）。

2．物质波

(1)1924年，法国物理学家德布罗意提出：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种波叫作物质波，也叫（                ）。所以实物粒子也具有波粒二象性。

(2)粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从的关系为：ν＝（    ）；λ＝（    ）。

五、判断题

1．光子和光电子都是实物粒子。(　　)

2．只要入射光的强度足够强，就能发生光电效应。(　　)

3．光电效应说明光具有粒子性，说明光的波动说是错误的。(　　)

4．电子枪发射电子的现象就是光电效应。(　　)

5．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　)

6．光的波长越长，越容易发生干涉和衍射现象。(　　)

7．光电效应方程Ek＝hν－W0中ν为入射光子的频率，而不是金属的极限频率。(　　)

8．不同的金属一定对应着相同的极限频率。(　　)

 

课堂讲解

例1、（2025·广西·高考真题）有四种不同逸出功的金属材料：铷，钾，钠和镁制成的金属板。现有能量为的光子，分别照到这四种金属板上，则会发生光电效应的金属板为（　　）

A．铷 B．钾 C．钠 D．镁

 

例2、（2025·江苏·高考真题）江门中微子实验室使用我国自主研发的光电倍增管，利用光电效应捕捉中微子信息。光电倍增管阴极金属材料的逸出功为，普朗克常量为h。

(1)求该金属的截止频率；

(2)若频率为的入射光能使该金属发生光电效应，求光电子的最大初动能。

 

 

 

 

 

 

例3、（多选）（2024·辽宁·高考真题）X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器，用某一频率的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（　　）

A．该金属逸出功增大 B．X光的光子能量不变

C．逸出的光电子最大初动能增大 D．单位时间逸出的光电子数增多

 

 

例4、（2025·山东·高考真题）在光电效应实验中，用频率和强度都相同的单色光分别照射编号为1、2、3的金属，所得遏止电压如图所示，关于光电子最大初动能的大小关系正确的是（　　）

 

A． 

B．

C． 

D．

 

 

例5、（教材选择性必修三P77页第3题）铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长为200 nm 的光照射铝的表面。

（1）求光电子的最大初动能。

（2）求截止电压。

（3）求铝的截止频率。

 

 

 

例6、（教材选择性必修三P98页第1题）在光电效应实验中，小明用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（甲、乙、丙），如图4-1所示。回答下面问题，并说明理由。

（1）甲、乙两种光的频率，哪个大？

（2）乙、丙两种光的波长，哪个大？

（3）乙、丙两种光所对应的截止频率，哪个大？

（4）甲、丙两种光所产生光电子的最大初动能，哪个大？

 

 

 

例7、（教材选择性必修三P98页B组第1题）用同一束单色光，在同一条件下先后照射锌板和银板，都能产生光电效应。在以上两次实验中，对于下列四个物理量，哪些是一定相同的？哪些是可能相同的？哪些是一定不同的？

（1）光子的能量。

（2）光电子的逸出功。

（3）光电子的动能。

（4）光电子的最大动能。

 

 

 

例8、（教材选择性必修三P99页第5题）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，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB。求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功。

 

 

 

 

 

例9、（2025·四川·高考真题）某多晶薄膜晶格结构可以等效成缝宽约为3．5×10−10m的狭缝。下列粒子束穿过该多晶薄膜时，衍射现象最明显的是（　　）

A．德布罗意波长约为7.9×10−13m的中子

B．德布罗意波长约为8.7×10−12m的质子

C．德布罗意波长约为2.6×10−11m的氮分子

D．德布罗意波长约为1.5×10−10m的电子

 

 

例10、（多选）（2025·浙江·高考真题）如图1所示，三束由氢原子发出的可见光P、Q、R分别由真空玻璃管的窗口射向阴极K。调节滑动变阻器，记录电流表与电压表示数，两者关系如图2所示。下列说法正确的是（　　）

A．分别射入同一单缝衍射装置时，Q的中央亮纹比R宽

B．P、Q产生的光电子在K处最小德布罗意波长，P大于Q

C．氢原子向第一激发态跃迁发光时，三束光中Q对应的能级最高

D．对应于图2中的M点，单位时间到达阳极A的光电子数目，P多于Q

 

课后巩固

1、（2025·广东·高考真题）有甲、乙两种金属，甲的逸出功小于乙的逸出功。使用某频率的光分别照射这两种金属，只有甲发射光电子，其最大初动能为，下列说法正确的是（    ）

A．使用频率更小的光，可能使乙也发射光电子

B．使用频率更小的光，若仍能使甲发射光电子，则其最大初动能小于

C．频率不变，减弱光强，可能使乙也发射光电子

D．频率不变，减弱光强，若仍能使甲发射光电子，则其最大初动能小于

2、（2025·河北·高考真题）光纤光谱仪的部分工作原理如图所示。待测光在光纤内经多次全反射从另一端射出，再经棱镜偏转，然后通过狭缝进入光电探测器。

(1)若将光纤简化为真空中的长玻璃丝，设玻璃丝的折射率为，求光在玻璃丝内发生全反射时的最小入射角。

(2)若探测器光阴极材料的逸出功为，求该材料的截止频率。（普朗克常量）

 

 

 

3、（2025·陕晋青宁卷·高考真题）我国首台拥有自主知识产权的场发射透射电镜TH—F120实现了超高分辨率成像，其分辨率提高利用了高速电子束波长远小于可见光波长的物理性质。一个静止的电子经电压加速后，其德布罗意波长为，若加速电压为，不考虑相对论效应，则其德布罗意波长为（　　）

A． B． C． D．

 

4、（多选）（2024·贵州·高考真题）我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜，其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为的中性氢辐射，另一处是波长为的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子（　　）

A．频率更大 B．能量更小 C．动量更小 D．传播速度更大

 

5、（2024·海南·高考真题）利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关接1时，用频率为的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为，已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是（　　）

 

A．其他条件不变，增大光强，电压表示数增大

B．改用比更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为

C．其他条件不变，使开关接接2，电流表示数仍为零

D．光电管阴极材料的截止频率

 

 

6、（2024·北京·高考真题）产生阿秒光脉冲的研究工作获得2023年的诺贝尔物理学奖，阿秒（as）是时间单位，1as = 1 × 10−18s，阿秒光脉冲是发光持续时间在阿秒量级的极短闪光，提供了阿秒量级的超快“光快门”，使探测原子内电子的动态过程成为可能。设有一个持续时间为100as的阿秒光脉冲，持续时间内至少包含一个完整的光波周期。取真空中光速c = 3.0 × 108m/s，普朗克常量h = 6.6 × 10−34J⋅s，下列说法正确的是（   ）

A．对于0.1mm宽的单缝，此阿秒光脉冲比波长为550nm的可见光的衍射现象更明显

B．此阿秒光脉冲和波长为550nm的可见光束总能量相等时，阿秒光脉冲的光子数更多

C．此阿秒光脉冲可以使能量为−13.6eV（−2.2 × 10−18J）的基态氢原子电离

D．为了探测原子内电子的动态过程，阿秒光脉冲的持续时间应大于电子的运动周期

7、（2024·浙江·高考真题）如图所示，金属极板M受到紫外线照射会逸出光电子，最大速率为。正对M放置一金属网N，在M、N之间加恒定电压U。已知M、N间距为d（远小于板长），电子的质量为m，电荷量为e，则（　　）

 

A．M、N间距离增大时电子到达N的动能也增大

B．只有沿x方向逸出的电子到达N时才有最大动能

C．电子从M到N过程中y方向位移大小最大为

D．M、N间加反向电压时电流表示数恰好为零

 

8、（多选）（2023·海南·高考真题）已知一个激光发射器功率为，发射波长为的光，光速为，普朗克常量为，则（    ）

A．光的频率为 B．光子的能量为

C．光子的动量为 D．在时间内激光器发射的光子数为

 

9、（2023·江苏·高考真题）“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接