2.光电效应-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

本讲义聚焦光电效应核心知识点，系统梳理实验规律（截止频率、饱和电流等）、爱因斯坦光电效应方程及意义、康普顿效应与光的波粒二象性，构建从现象观察到理论解释再到本性认知的学习支架。 资料以情境导入（如锌板验电器实验）、师生互动任务（电路分析）及图像分析（Uc-ν图像）引导科学探究，通过概念对比（光子与光电子）和例题针对练培养科学思维，深化物理观念，课中辅助教师引导探究，课后助力学生查漏补缺。

2.光电效应 【素养目标】　1.了解光电效应现象及其实验规律。2.理解爱因斯坦光电效应方程及其意义，知道逸出功和最大初动能的关系。3.能作出光电效应对应的图像，并理解图像的意义。4.知道康普顿效应，了解光子的波粒二象性。 知识点一　光电效应的实验规律 【情境导入】　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。 (1)观察到照射前后验电器指针如何变化？ (2)这个现象说明什么？ (3)这是什么现象？ 提示：(1)指针夹角变小。 (2)说明锌板带的负电荷变少了，意味着紫外线会让电子从锌板表面逸出。 (3)光电效应现象。 【教材梳理】 (阅读教材P71—P73完成下列填空) 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。 学生用书⬇第86页 2.光电效应的实验规律 (1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，光电流消失，表明已经没有光电子了。νc称为截止频率或极限频率。 (2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。 (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，且满足me＝eUc，vc为光电子初速度的上限。 (4)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。 3.逸出功：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。不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 4.光电效应经典解释中的疑难 光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释，如： (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)弱光照射时，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。 【师生互动】　如图所示是研究光电效应的电路图。 任务1.闭合开关后，当电压表的示数为0时，电流表的示数不是0，说明了什么？ 任务2.闭合开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，会观察到什么现象？说明了什么？ 任务3.若将电源的正负极对调，闭合开关，滑动变阻器的滑片向右移动时，又会观察到什么现象？说明了什么？ 提示：任务1.发生了光电效应。 任务2.电压表、电流表的示数均增大，当电流增大到一定值后，滑动变阻器的滑片再向右移动，电流也不再增大；说明存在饱和电流。 任务3.电压表示数增大，电流表示数减小，最后电流表的示数减小到0；说明存在遏止电压。 【探究归纳】 光电效应现象的几个相关概念的理解与对比 概念 区分 光子与光 电子 (1)光子是指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电 (2)光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子 光电子的 初动能与 光电子的 最大初 动能 (1)光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量向各个方向运动，需克服原子核的引力做功而损失一部分能量，剩余部分能量为光电子的初动能 (2)金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，具有最大初动能 光电流与 饱和电流 (1)从金属表面飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流 (2)随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值就是饱和电流，在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关 入射光强 度与光子 能量 (1)入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量 (2)光子能量即每个光子的能量 (3)光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积 利用如图所示的电路研究光电效应现象，滑片P的位置在O点的正上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率，且光的强度较大，则(　　) A.减弱入射光的强度，遏止电压变小 B.P不移动时，微安表的示数为零 C.P向a端移动，微安表的示数增大 D.P向b端移动，光电子到达阳极A的最大动能增大 答案：D 解析：遏止电压仅与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故A错误；P不移动时，滑片P在O点正上方，光电管两端电压为零，由于入射光的频率大于阴极K的截止频率，则会发生光电效应，微安表有示数，故B错误；P向a端移动，则光电管两端所加电压为反向电压，阻碍电子向阳极A运动，则光电流变小，微安表的示数变小，故C错误；P向b端移动，光电管两端所加电压为正向电压，则eUAK＝EkA－Ek初，光电子到达阳极A的最大动能增大，故D正确。 学生用书⬇第87页 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没有掌握发生光电效应的条件，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：认为在光的频率不变时，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，在光的频率不变时，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。 这是对光照强度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，光照强度与光子数成正比。换用不同频率的光，即使光照强度相同，光子数目也不同，因而逸出的光电子数目也不同。 针对练1.如图所示，在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，下列说法正确的是(　　) A.验电器的指针带正电 B.若仅增大入射光的频率，则锌板的逸出功增大 C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光电子数减少 D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应 答案：A 解析：锌板原来不带电，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针也带正电，故A正确；金属的逸出功与金属本身的材料有关，与入射光的频率无关，故B错误；增大紫外线灯照射的强度，即单位时间内照在锌板上的光子数增多，所以单位时间内产生的光电子数增多，故C错误；能否发生光电效应与光照强度无关，取决于入射光的频率和金属截止频率之间的关系，故D错误。 针对练2.(多选)利用光电管研究光电效应的实验如图所示，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，电流表中一定有电流通过 B.用红光照射，电流表中一定无电流通过 C.用红外线照射，电流表中可能有电流通过 D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑片向N端移动时，电流表示数一定增大 答案：AC 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，A正确；因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，也可能发生光电效应，B错误，C正确；当滑动变阻器的滑片向N端移动时，UAK增大，若光电流未达到饱和电流，电流表示数增大，但若光电流已达到饱和电流，电流表示数不变，D错误。 知识点二　爱因斯坦的光电效应理论 【情境导入】　经典的光的电磁理论既然无法解释光电效应的实验规律，那么用什么理论解释它呢？ 提示：爱因斯坦的光子说理论。 【教材梳理】 (阅读教材P74—P75完成下列填空) 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：Ek＝hν－W0。 (2)物理意义：金属中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的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。 (3)Uc与ν、W0的关系 ①表达式：Uc＝ν－。 ②图像：Uc－ν图像是一条斜率为的直线。 【师生互动】　爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系。但是，很难 学生用书⬇第88页 直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc。 任务1.怎样得到Uc与ν、W0的关系？ 任务2.怎样求出普朗克常量h和金属的截止频率？ 提示：任务1.根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及遏止电压Uc与最大初动能的关系eUc＝Ek，可得Uc与ν、W0的关系eUc＝hν－W0，即Uc＝ν－。 任务2.根据公式Uc＝ν－，画出Uc-ν图像，利用图像的斜率可求出h；在Uc-ν图像中，横截距为金属的截止频率。 【探究归纳】 1.光电效应方程Ek＝hν－W0的理解 (1)方程中的Ek是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0～Ek范围内的任何数值。 (2)爱因斯坦光电效应方程实质上是能量守恒方程：能量为ε＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力做功，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为逸出功W0，则电子离开金属表面时的动能就是最大初动能Ek，即Ek＝hν－W0。 2.光子说对光电效应的解释 (1)饱和电流与光照强度的关系：同种频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大。 (2)存在截止频率和遏止电压 ①由爱因斯坦光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与光照强度无关，所以遏止电压由入射光的频率决定，与光照强度无关。 ②若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0＞0，hν＞W0，ν＞＝νc，而νc＝是光电效应的截止频率。 3.光电效应四类图像的理解 图像名称 图线形状 由图像获取的信息 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系 (1)截止频率νc：横截距 (2)逸出功W0：纵截距的绝对值W0＝｜－E｜＝E (3)普朗克常量h：图线的斜率k＝h 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系 (1)截止频率νc：横截距 (2)遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大 (3)普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 (1)遏止电压Uc：横截距 (2)饱和电流Im：光电流的最大值 (3)最大初动能Ek：Ek＝eUc 颜色不同的光，光电流与电压的关系 (1)遏止电压：Uc1、Uc2 (2)饱和电流Im：光电流的最大值 (3)最大初动能Ek：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 爱因斯坦光电效应方程的应用 (2025·辽宁抚顺高二期末)用如图所示的装置研究光电效应规律，用光子能量为12 eV的光束照射光电管的阴极K，电流表检测到有电流。闭合开关，调节滑动变阻器滑片，当电压表的示数为5.0 V时，电流表的示数恰好为零，已知元电荷e＝1.6×10－19 C，下列说法正确的是(　　) 学生用书⬇第89页 A.光电子的最大初动能为8.0×10－19 J B.光电管的阴极K的逸出功为1.21×10－18 J C.若用光子能量为8 eV的光束照射阴极K，不会产生光电子 D.将电源正负极对调，滑动变阻器滑片调至变阻器最右端，此时电流表示数一定为饱和电流 答案：A 解析：调节滑动变阻器滑片，当电压表的示数为5.0 V时，电流表的示数恰好为零，可知光电子的最大初动能Ek＝eUc＝5 eV＝8.0×10－19 J，故A正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，得逸出功W0＝hν－Ek＝7 eV＝1.12×10－18 J，故B错误；若用光子能量为8 eV的光束照射阴极K，8 eV大于阴极K的逸出功，所以能发生光电效应产生光电子，故C错误；将电源的正负极对调，把滑动变阻器的滑片向右滑动，当电流表示数不再增加时，此时电流表的示数为饱和电流，故D错误。 针对练.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，且所产生的光电子的最大初动能分别为EkA、EkB，普朗克常量为h，则下列说法正确的是(　　) A.A、B两种光子的频率之比为1∶2 B.所产生光电子的最大初动能之比为2∶1 C.该金属的逸出功W0＝EkA－EkB D.该金属的截止频率νc＝ 答案：D 解析：由ε＝hν 可知，光子的能量与频率成正比，则A、B两种光子的频率之比为2∶1，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程可得EkA＝hνA－W0，EkB＝hνB－W0，解得＝≠，W0＝EkA－2EkB，故B、C错误；该金属的截止频率为νc＝＝，故D正确。 光电效应的图像问题 (多选)(2025·河南商丘市高二联考)关于近代物理学，对下列图像描述的现象，解释正确的是(　　) A.如图甲所示，由黑体的辐射强度与辐射光波长的关系可知，随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动(已知T1＞T2) B.如图乙所示，发生光电效应时，入射光越强，光电子的最大初动能也就越大 C.如图丙所示，金属的遏止电压Uc与入射光的频率ν的图像中，该直线的斜率为h D.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，如图丁所示，由图可判断a光、b光、c光的频率关系为νc＞νa＝νb 答案：AD 解析：由题图甲可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故A正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，可知光电子的最大初动能与光的强度无关，与光的频率有关，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大，故B错误；根据能量守恒定律得eUc＝Ek，又Ek＝hν－W0，联立可得eUc＝hν－W0，即Uc＝ν－，可知题图丙中直线的斜率为k＝，故C错误；根据eUc＝hν－W0，可知入射光的频率越高，对应的遏止电压越大，由题图丁可知，a光和b光的遏止电压相等，所以a、b光的频率相等，c光的遏止电压最大，所以c光的频率最大，即νc＞νa＝νb，故D正确。故选AD。 针对练.(2025·广东中山市高二联考)在如图1所示的光电管的实验中(电源正负极可以对调)，用同一光电管得到了三条可见光的光电流与电压之间的关系曲线(图2中的甲光、乙光、丙光)。下列说法中正确的有(　　) A.同一光电管对不同颜色的单色光有不同的截止频率 B.图2中如果乙光是黄光，则丙光可能是红光 C.由图2可判断，丙光激发的光电子的最大初动能最大 D.在图1中电流表G的电流方向可以是b流向a 答案：C 解析：光电管的截止频率由光电管本身决定，与入射光的颜色无关，故A错误；三种光中，丙光照射光电管时，遏止电压最大，即光电子的最大初动能最大，根据爱因斯坦光电效应方程有eUc＝Ek＝hν－W0，可知丙光的频率最大，如果乙光是黄光，则丙光不可能是红光，故B错误，C正确；光电子从光电管的右端逸出，流过电流表G的电流方向为由a到b，故D错误。故选C。 知识点三　康普顿效应和光子的动量　 光的波粒二象性 【情境导入】　我们前面学习过的光电效应现象说明光具有粒子性，光的干涉和衍射现象说明光具有波动性。 (1)康普顿效应能说明光具有什么特性？ (2)根据上述现象说明光具有什么特性？ 提示：(1)粒子性。 (2)光既具有粒子性，又具有波动性。 学生用书⬇第90页 【教材梳理】 (阅读教材P76—P77完成下列填空) 1.康普顿效应：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。 2.光子的动量：光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p＝。 3.光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。 【师生互动】　太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；航天员在太空中会发现尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的。 任务1.分析产生这些现象的原因。 任务2.光子与天空中的微粒碰撞时遵循什么规律？ 提示：任务1.在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不能散射只向前传播。 任务2.遵循能量守恒定律和动量守恒定律。 【探究归纳】 1.康普顿效应的解释 假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦光电效应理论，一个光子不仅具有能量ε＝hν，而且还有动量。如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分动量转移给了电子，动量由，因此p减小，波长增大。 2.康普顿效应的意义 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电效应理论的正确性。 3.光的波粒二象性的理解 光的两 种性质 实验 基础 表现 说明 波动性 干涉和 衍射 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述 (2)大量光子容易显示出波动性 (1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的 (2)光的波动性不同于宏观概念的波 粒子性 光电效应、康普顿效应 (1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质(2)少量或个别光子容易显示出粒子性 (1)粒子的含义是“不连续”的，是“一份一份”的 (2)光子不同于宏观概念的粒子 康普顿效应的理解 (多选)频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原运动方向，这种现象称为光子的散射。下列关于光子散射的说法正确的是(　　) A.光子改变原来的运动方向，传播速度变小 B.光子由于在与电子碰撞中获得能量，因而频率增大 C.由于受到电子的碰撞，散射后的光子波长大于入射光子的波长 D.由于受到电子的碰撞，散射后的光子频率小于入射光子的频率 答案：CD 解析：碰撞后光子改变原来的运动方向，但传播速度不变，A错误；光子在与电子碰撞中，既遵守能量守恒，又遵守动量守恒，把一部分能量转移给电子，因而光子能量hν变小，则频率ν变小，又λ＝，故波长λ变大，B错误，C、D正确。 针对练.(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对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。关于康普顿效应，以下说法正确的是(　　) 学生用书⬇第91页 A.康普顿效应说明光子具有动量 B.康普顿效应现象说明光具有波动性 C.康普顿效应现象说明光具有粒子性 D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加 答案：AC 解析：康普顿效应说明光具有粒子性，且光子具有动量，故A、C正确，B错误；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，D错误。 光的波粒二象性的理解 下列说法正确的是(　　) A.光子说的确立完全否定了波动说 B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同，又与微观概念中的粒子相同 C.光的波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象 D.光电效应说明光具有粒子性，康普顿效应说明光具有波动性 答案：C 解析：光子说的确立，没有完全否定波动说，而是使人们对光的本质认识更完善，光既有波动性，又有粒子性，即光具有波粒二象性，故A错误；光与宏观概念中的波、微观概念中的粒子均不相同，故B错误；波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象，故C正确；光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，故D错误。 针对练.关于光的波粒二象性的理解正确的是(　　) A.大量光子的行为往往表现出粒子性，个别光子的行为往往表现出波动性 B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转化成粒子 C.高频光是粒子，低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 答案：D 解析：光同时具有波的性质和粒子的性质，大量光子往往表现出波动性，个别光子往往表现为粒子性，波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著，但不能说光是波或粒子。故选D。 学科网（北京）股份有限公司 $