第4章 2 第1课时 光电效应现象与规律 爱因斯坦光电效应理论-【成才之路·学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步新课程学习指导(人教版)

085 2.光电效应 第1课时 光电效应现象与规律 爱因斯坦光电效应理论 ●目标重点展示 素养目标 学习重点 (1)了解光电效应及其实验规律。 (1)光电效应的实验 物理观念 (2)掌握光电效应方程。 规律。 (2)爱因斯坦光电效应方 程E=hw-W。 (1)通过实验探究、观察和分析推理进一步理解截止频 科学思维 率、遏止电压与最大初动能的关系。 (3)遏止电压c=m。 (2)能用光电效应方程解释光电效应现象。 (4)逸出功W。=hw.o [提示] 探究点1光电效应现象与规律 (1)指针夹角变小。 (2)说明锌板带的负 ●新知导学 电荷变少了，意味着 紫外线会让电子从锌 情境：如图所示，把一块锌板连接在验电 照射后 板表面逸出。 器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用 (3)光电效应现象。 [比较] 紫外线灯照射锌板。 照射前 光子与光电子 探究：(1)观察到照射前后验电器指针如 (1)光子：按照爱因 斯坦的理论，光是由 何变化？ 一份份光子组成，光 (2)这个现象说明什么？ 的传播是一份份光子 的传播，一个光子的 (3)这是什么现象？ P[提示] 能量e=hm= ●要点归纳 1.光电效应现象 (2)光电子是金属表 面受到光的照射时发 (1)光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的 从表面逸出 射出来的电子，其本 的现象。 质是电子。 (3)光子是光电效应 (2)光电子：光电效应中发射出来的 [比较] 的“因”，光电子是 “果”。 2.光电效应的实验规律 [比较] (1)存在 :当入射光的频率 某一数值v.时，无论光的 光电流与饱和电流 强度多大，照射时间多长，也不会有光电子逸出。实验表明，不同金属的截止 (1)从金属板飞出的 光电子到达阳极，回 频率 。 换句话说，截止频率与金属 有关 路中便产生光电流。 (2)存在 :在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光 (2)随着所加正向电 压的增大，光电流趋 电流趋于一个饱和值。频率不变时，入射光越强，饱和电流 于一个饱和值，这个 这表明对于一定频率（颜色）的光，入射光 单位时间内发射的 饱和值就是饱和电 流，在一定的光照条 光电子数 [比较]件下，饱和电流与所 加电压大小无关。 086 (3)存在遏止电压： 光束 窗口 [比较] ①使光电流减小到 的反向电压称为遏止电压， 入射光强度与光子 能量 如图所示。 (1)入射光强度指单 ②遏止电压与最大初动能的关系满足：2m。 位时间内照射到金属 表面单位面积上的光 子的总能量。 (2)光子能量即每个 ③实验表明同一种金属对于一定频率的光，遏止电压都是一样的，这说 光子的能量。 明对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的 有关，而与入射光 (3)光子总能量等于 光子能量与入射光子 的强度 一[比较] 数的乘积。 [规律方法]光电效 (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过 应规律中的两条线 [判断正误] 索、两个关系 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。 (1)两条线索 频李一一决定着 (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。 每个光子的能量 (3)入射光越强，光电子的最大初动能越大。 s=hv 射 光 强度一一决定着 例1：（多选）如图所示为研究光电效应的电路图。开关闭合 每秒光源发射的 光子数 后，当用波长为入。的单色光照射光电管的阴极K时， 每秒逸出的光电 电流表有示数。下列说法正确的是 () 子数一 一决定着 A 光 光电流的大小 A.若只让滑片P向D端移动，则电流表的示数一定 子 光电子逸出后的最 增大 大初动能之m2 B.若只增加该单色光的强度，则电流表示数一定增大 (2)两个关系 ①光强大（频奉一定） C.若改用波长小于入。的单色光照射光电管的阴极K,则电流表的示数 →光子数目多→发射 一定不为零 光电子多→饱和电 流大； D.若改用波长大于入。的单色光照射光电管的阴极K,则电流表的示数 @光子频奉高→光子 一定为零 ◆[规律方法] 能量大→产生光电子 的最大初动能大。 跟踪训练1：如图所示为演示光电效应的实验装置，关 [思考] 于光电效应，下列说法正确的是 ( 电子吸收光子的能量 后，都能从金属表面 A.发生光电效应时，光电子是从K极逸出的 G 逸出吗？ B.灵敏电流计不显示读数一定是因为入射光强度 提示：不能。①若电 太弱 子吸收的能量大于逸 出功，会从金属表面 C.灵敏电流计不显示读数可能是因为电压过低 逸出，且还会具有一 D.如果把电源反接，一定不会发生光电效应 定的动能继续运动。 ®若电子吸收的能量 探究点2光电效应经典解释中的疑难 恰好等于逸出功，电 子恰好能从金属表面 逸出，速度为0。 1.逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的 值，用W。表 ③若电子吸收的能量 示。不同种类的金属，其逸出功的大小 (填“相同”或“不相同”)。 小于逸出功，则电子 不会从金属表面 ●[思考] 逸出。 087 2.光电效应与经典电磁理论的矛盾 项目 经典电磁理论 光电效应实验结果 不论入射光的频率是多少， 存在截止频率，如果光 只要光足够强，总可以使电 的频率小于金属的极 矛盾1：截止频率 子获得足够的能量从而发生 限频率，无论光强多 光电效应，不应该存在截止 大，都不会发生光电 频率 效应 光越强，电子可获得更多的 能量，光电子的最大初动能 矛盾2：遏止电压 遏止电压与光强无关， 也应该越大，所以遏止电压 的决定因素 与频率有关 与光的强弱有关，与光的频 率无关 光越强时，电子能量积累的 当入射光照射到光电 时间就越短：光越弱时，能量 管的阴极时，无论光强 矛盾3：瞬时性 积累的时间就越长，不会瞬 怎样微弱，几乎在一开 时发生光电效应 始就产生了光电子 [比较] 光电子的初动能与 例2：光电效应的规律中，经典波动理论能解释的有 ( 最大初动能 (1)光照射到金属表 A.入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率时才产生光电效应 面时，电子吸收光子 B.当入射光频率大于被照射金属的极限频率时，光电子数目与入射光 的全部能量，可能向 的强度成正比 各个方向运动，需克 C.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大服原子核的引力和其 而增大 他原子的阻碍而损失 D.入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的 一部分能量，剩余部 分能量为光电子的初 探究点3爱因斯坦的光电效应理论 动能。 (2)只有金属表面的 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v的光 电子直接向外飞出 时，只需克服原子核 的能量子为 ,其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为 的引力做功，才具有 最大初动能。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：hw= 或Ek= (2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是 ,在这些 能量中，一部分大小为W。的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子 的 。其中E为光电子的 初动能。 D[比较] 088 3.光电效应方程对光电效应实验现象的解释 (1)只有当hw 区，时.才有光电子逸出，以.-四就是光电效应的 截止频率。 [思考] (2)光电子的最大初动能E与 有关，而与光的 爱因斯坦光电效应方 程给出了光电子的最 无关。这就解释了遏止电压和光强无关。 大初动能E,与入射光 (3)电子吸收一份光子能量的过程极其短暂，吸收能量后瞬间挣脱束缚， 的频率v的关系。但 是，很难直接测量光 所以光电效应的发生几乎是瞬时的。 电子的动能，容易测 量的是遏止电压U。, (4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强 怎样得到U。与v、W。 度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 的关系？ 也就越多，因此饱和电流也就越大。 提示：根据光电效应 方程E.=hv-W。及 [判断正误] 遏止电压U。与最大 (1)“光子”就是“光电子”的简称。 初动能的关系eU。= E:,可得U。与v、W。 (2)入射光的频率相等，光电子的最大初动能一定相等。 ( 的关系eU.=hw- (3)同一频率的光照射到同一金属上，光电子的初动能一定相同。 形。，即U。=上 (4)截止频率和金属的逸出功成正比。 Wo [思考] 例3：（多选)某同学用如图所示的装置研究光电效应， 光线 光电管 开始时，滑动变阻器滑片℃移到最右端b点。用 此图 中光 光子能量为4.2eV的光照射到光电管上，此时电 电管流表G有读数。向左移动滑动变阻器的滑片c,当 所加 电压表的示数大于或等于1.5V时，电流表读数 [规律方法] 电压 为反 为0，则以下说法正确的是 爱因斯坦光电效应方 向电A.光电子最大初动能为2.7eV说明遏正电压为U。=15V 程应用 写对具有最大初动能的电子由动能定理可行-Ue=0-E,E=1.5V B.光电管阴极的逸出功为2.7eV /.先根据电路图判断 由光电效应方程E,=hv-W。,可求Wo,其中hv=4.2eV, 光电管阴阳极两喘加 的是正向电压或反向 C.当电流表示数为零时，断开开关，电流表示数不再为零 电压 马断开开关后，由于光电子有初动能，电流表示数不为零 2.根据爱因斯坦光电 D.将电源的正负极调换，滑动变阻器滑片从b移到α，电流表的示 效应方程结合动能定 数一直增大 理联立求解 7 电源的正负极对调，光电管加正向电压，当正向电压增大到一定值后，光电流达 根据待求量建立等式 到饱和，滑动变阻器滑片再从b向a格动，电流表示数不再增大 求解：E=hv-Wo, En=eU.或E=Em+eU >[规律方法] 089 跟踪训练2：（多选）利用如图所示的电路研究光电效应现象，其中电极K由 金属钾制成，其逸出功为2.25eV。用某一频率的光照射时，逸出光电子的最大 HA KH 初动能为1.50eV,电流表的示数为I。已知普朗克常量约为6.6×10-34J·s,则 下列说法中正确的是 MY N A.金属钾发生光电效应的极限频率约为5.5×1014Hz B.若入射光频率加倍，光电子的最大初动能变为3.00eV C.若入射光频率加倍，电流表的示数变为21 D.若入射光频率加倍，遏止电压的大小将变为5.25V 素养能力提升拓展整合·启智培优 光电效应规律的综合应用 例4：(2025·江苏宿迁期末)如图所示为研究光电效应的实验装置。发光功率 ∠单色光 为P的激光器发出频率为的光，全部照射在阴极K上，回路中形成光电 A 流。当滑片B向左移至α时，微安表的示数恰好为零，电压表的示数为 U,;当滑片B向右移至b时，微安表的示数达最大值，电压表的示数为U2。 光电子电荷量为e,普朗克常量为h。求： (1)阴极材料的逸出功W。; (2)当滑片B向右移至b时，光电子到达A极板时的最大动能E； (3)若每入射N个光子会产生一个光电子，所有的光电子都能到达A,微安表的最大示数I。 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[18](2)假设以光源为圆心，以d为半径，做一球面，球面刚好与挡 板相切，球面的表面积S=4πd, 单位时间内照在单位面积挡板上的光子数 n'= Pλ S-Audhe 跟踪训练2：D根据E=ne,因为E相同，可得光子能量之比为 4:5:再根据8=加=织光子能量与波长成反比，故光子波 长之比为5：4，故D正确 2.光电效应 第1课时光电效应现象与规律 爱因斯坦光电效应理论 探究点1光电效应现象与规律 要点归纳 1.(1)电子(2)电子 2.(1)截止频率减小到不同本身 (2)饱和电流越大越强越多 (3)0eU。频率无关 (4)10-9s 判断正误 (1)×(2)×(3)× 例1：BC只让滑片P向D端移动，A、K间电压增大，所加电压 为正向电压，如果光电流达到饱和值，增加电压，电流表示数 也不会增大，故A错误；只增加单色光强度，逸出的光电子数 增多，光电流增大，故B正确；若改用波长小于入的单色光， 一定发生光电效应，电流表示数一定不为零，故C正确；若改 用波长大于入。的单色光，光子能量减小，可能会发生光电效 应，则电流表的示数不一定为零，故D错误。 跟踪训练1：A当发生光电效应时，光电子从K极逸出，故A正 确；由题图可知，光电管A、K两极之间加的是正向电压，若有 光电子逸出，则光电子在电场力作用下加速运动，一定能到达 A极，回路中一定有光电流，若灵敏电流计不显示读数，可能 是因为入射光频率过低，没有发生光电效应，故B、C错误；若 把电源反接，不会影响光电效应现象的发生，故D错误。 探究点2光电效应经典解释中的疑难 1.最小不相同 例2：B按经典的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而 增大，与光的频率无关，金属中的电子必须吸收足够的能量后 才能从其中飞出，电子有一个能量积累的时间，光的强度越 大，单位时间内辐射到金属表面的能量越多，被电子吸收的能 量自然也越多，产生的光电子数也越多，故经典波动理论只能 解释B项。 探究点3爱因斯坦的光电效应理论 1.hv光子 2.(1)E+W。hm-W。(2)hm初动能最大 3.(1)>(2)入射光的频率v强弱 判断正误 (1)×(2)×(3)×(4)V 例3：BC根据题意知遏止电压U。=1.5V,则光电子的最大初 动能E=eU。=I.5eV,根据爱因斯坦光电效应方程得W。= hv-E=4.2eV-1.5eV=2.7eV,故A错误，B正确：当电流 表示数为零时，断开开关，这时没有了反向遏止电压，电流表 示数不再为零，故C正确：将电源的正负极调换，滑动变阻器 滑片从b移到α，当光电流达到饱和光电流后，电流表的示数 就不再变化，故D错误。 跟踪训练2：AD由W。=hw。可知v。≈5.5×104Hz,故A正确； 由爱因斯坦光电效应方程E=v-W。可知，入射光频率加 倍，光电子的最大初动能大于原来的2倍，即大于3.00eV,故 B错误；若入射光强度加倍，电流表的示数变为2I,若人射光 频率加倍，电流变大，但不是2倍的关系，故C错误；由爱因斯 坦光电效应方程E,=m-W。可知，Eo=hm-W。,入射光频率 加倍，则E1=2m-W。,又最大初动能与遏止电压的关系为 Ek1=eUe,解得U。=5.25V,故D正确。 素养能力提升 hv-el,(2)el:+els (3) 解析：(1)依题意，滑动变阻器的滑片B左移至a时，加在光 电管两端的电压为反向电压，此时电流表示数恰好为零，电子 从K极射出时的最大初动能为Em=eU1=hw-W。 得阴极材料的逸出功W。=hw-eU1o (2)当滑片B向右移至b时，微安表的示数达最大值，电压表 的示数为U2,根据功能关系可得，此时电子到达A极时的最 大初动能为E,=eU1+eU2c (3)设经过时间t,激光器共发出n个光子，根据Pt=nhv, =e,解得1=货 Nhv 第2课时光电效应的四类图像 康普顿效应光的波粒二象性 探究点1光电效应的四类图像 例1：ABC依据光电效应方程E,=hv-W。可知，当E,=0时，v =v。,即E,-v图像中横坐标轴的截距在数值上等于金属的 截止频率，A正确；因为W。=hv。,则Ek-v图线的斜率k=h, 可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量，B正确：根据题 图，假设图线与E,轴的交点为C,其截距大小为W。,有k= ,而k=h,所以W。=hm,即瓦-图像中纵坐标轴的截距 Ve 在数值上等于金属的逸出功，C正确；由题给条件无法求出单 位时间内逸出的光电子数，D错误。 例2：C由题图乙可知遏止电压大小与入射光的频率为一次函 数关系，不是正比例关系，故选项A错误：由题图乙知，号<，