第1节 光电效应及其解释-【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（鲁科版）

本讲义聚焦光电效应及其解释核心知识点，系统梳理光电效应现象（光电子逸出）、实验规律（极限频率、瞬时性、饱和电流、遏止电压），通过爱因斯坦光子说及光电效应方程（hν=W+mv²）解释规律，进而阐述光的波粒二象性（概率波、波粒统一），形成“现象-规律-理论-本质”的完整学习支架。 该资料突出科学思维与科学探究素养，通过光电管电路分析、锌板带电实验等实例引导模型建构与问题探究，结合判断正误、图像分析题（如Ek-1/λ关系）强化理解。课中辅助教师开展实验教学，课后助力学生通过例题和针对练习巩固知识，查漏补缺，深化对量子论意义的认识。

第1节　光电效应及其解释 【核心素养目标】 物理观念 能了解光电效应现象和爱因斯坦光电效应方程的内涵，能解释光电效应在生产生活中的应用。 科学思维 知道描述微观世界需要不断建构物理模型；能根据实验结论分析光的波粒二象性。 科学探究 能根据光电效应实验现象提出问题；能观察光电效应实验，收集数据；能分析数据，发现规律，形成合理的结论；能完成与波粒二象性有关的科技论文，有提交给有关科技杂志的意识。 科学态度与责任 能体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响，了解人类认识自然的局限性与不断探索自然的必要性。 一、光电效应现象及实验规律 1．光电效应现象：在光的照射下电子从物体表面逸出的现象。逸出的电子称为 光电子。 2．光电效应的实验规律 (1)发生的条件：每一种金属对应一种光的最小频率，又称极限频率。只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生光电效应。当光的频率小于这个最小频率时，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应。 (2)从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在10-9_s内发生光电效应。 (3)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，当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值，即为饱和电流。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，这一电压值称为 遏止电压。 (4)在光频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内逸出的电子数越多，饱和电流越大；遏止电压Uc与光电子的最大初动能有关。 二、光电效应的解释及应用 1．光子说：看似连续的光实际上是由数量有限的、分立的光子组成的，每一个光子的能量为hν(h是普朗克常量，h＝6.63×10-34 J·s，ν是光的频率)。光在发射和吸收时能量是一份一份的。 2．光电效应方程 (1)表达式：hν＝W＋mv2。 (2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功，剩下的表现为电子逸出后的最大初动能。 3．光电现象的应用：光电开关、光电成像。 学生用书第93页 三、光的波粒二象性 1．光具有波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征。 2．光波是一种概率波。 3．光的波动性和粒子性不是均衡表现的，有时波动性表现得比较明显，有时粒子性表现得比较明显。 1．判断正误 (1)光电效应实验中光照时间越长光电流越大。(×) (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关。(√) (3)遏止电压与光电子最大初动能满足eUc＝mvm2的关系式。(√) (4)爱因斯坦发展了普朗克的能量不连续思想，提出了光量子的概念。(√) (5)光子通过狭缝后落在亮纹处的概率较小。(×) (6)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。(√) 2．链接实景 如图所示，把一块锌板连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，观察到验电器的指针发生了变化，这说明锌板带了电。你知道锌板是怎样带上电的吗？ 提示：锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发射出光电子，因此锌板会显示正电性，验电器会因带正电荷而使金属箔片张开一定角度。 知识点一　光电效应的规律与解释 如图是研究光电效应的实验电路。 (1)某单色光照射到金属表面上结果没有光电子逸出，请思考：我们应如何操作才能使该金属发生光电效应呢？增大入射光频率还是增大入射光强度？ (2)光电流的强度与入射光的强度一定成正比吗？ 提示：(1)增大入射光频率，使其高于该金属的极限频率。 (2)不一定。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，只有用相同频率的光产生的饱和光电流才与入射光的强度成正比。 1．爱因斯坦光子理论对光电效应的几个解释 (1)解释极限频率的存在： (2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的。如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出。因为一个电子吸收一个光子后，立即获得了光子的能量(hν)，所以电子不需要通过能量积累逸出金属表面。 学生用书第94页 (3)解释最大初动能与频率的关系：由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋mv2可知，电子从金属中逸出所需消耗的能量的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能。就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能。最大初动能的大小与光的强度无关，与光的频率有关。 (4)由c＝λν知，波长与频率成反比，故存在极限波长，发生光电效应时，频率要大于或等于极限频率，故波长要小于或等于极限波长。 2．光电效应的四点提醒 (1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。 (3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。 (4)光电子不是光子，而是电子。 3．饱和光电流及遏止电压 实验装置如图所示： 发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子向四面八方运动，部分光电子能够到达阳极A形成光电流。 (1)饱和光电流：若电源右侧为正极，即将阴极K接电源负极，阳极A接电源正极，在K与A之间就形成了向左的电场。电场力迫使原来未到达阳极A的光电子向阳极A聚集，电压逐渐增大，电场力增大；迫使作用更加强烈，到达阳极A的光电子数增多，光电流增大。当电压达到一定值时，电场力迫使所有的光电子都到达阳极，这时若继续增大电压，到达阳极A的光电子数也不会增加，即光电流不再增加，达到饱和光电流。此时若想增大光电流只能增加出来的光子数，即增大光照强度。 (2)遏止电压：若电源左侧为正极，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在K与A之间就形成了使光电子减速的向右的电场。电场阻碍光电子到达阳极A，逐渐增大U，电场力增大，阻碍作用更加强烈，到达阳极A的光电子数减少，光电流逐渐减小；当电压达到一定值时，电场力的阻碍作用使最易到达阳极A的光电子(具有最大初动能且朝向阳极A运动)不能到达阳极A时，光电流恰好减到零，此时的电压就是遏止电压。 4．光电效应中的三个关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程：hν＝mv2＋W。 (2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。 (3)逸出功与极限频率的关系：W＝hνc。 5．光电效应中的两条对应关系 (1)光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。 (2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 (多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是(　　) A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大 B．入射光的频率变高，饱和光电流变大 C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 D．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关 答案：ACD 解析：产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，选项A正确；饱和光电流大小与入射光的频率无关，选项B错误；光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，选项C正确；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与光的强度无关，选项D正确。 如图所示电路中，阴极K涂有极限波长为λ0＝0.66 μm的金属。若闭合开关S，用波长为λ＝0.50 μm的绿光照射阴极，调整光电管两极间的电压，使电流表的示数达到最大值0.64 μA。 (1)求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。 学生用书第95页 (2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求阴极每秒发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。 答案：(1)4.0×1012个　9.6×10-20 J (2)8.0×1012个　9.6×10-20 J 解析：(1)当阴极发射的光电子全部到达阳极时，光电流达到饱和。阴极每秒发射的光电子个数 n＝＝个＝4.0×1012个 根据爱因斯坦光电效应方程知，光电子飞出阴极时的最大初动能为 Ek＝hν－W＝h－h 代入数据可得Ek＝9.6×10-20 J。 (2)如果照射光的频率不变，光强加倍，则每秒发射的光电子数加倍，饱和光电流增大为原来的2倍。根据光电效应实验规律可得阴极每秒发射的光电子个数 n′＝2n＝8.0×1012个 光电子的最大初动能不变，仍为 Ek＝9.6×10-20 J。 解决光电流的两条思路 　　 针对练1．(多选)在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏静电计相连，用弧光灯(紫外线)照射锌板时，静电计的指针就张开一个角度，如图所示，这时(　　) A．锌板带正电，指针带负电 B．锌板带正电，指针带正电 C．若用黄光照射锌板，则可能不产生光电效应现象 D．若用红光照射锌板，则锌板能发射光电子 答案：BC 解析：锌板在紫外线照射下，发生光电效应现象，有光电子飞出，故锌板带正电，指针上的部分电子被吸引到锌板上发生中和，使指针带正电，B正确，A错误；红光和黄光的频率都小于紫外线的频率，都可能不产生光电效应，C正确，D错误。 针对练2．(多选)某实验小组用光电效应实验装置研究a、b两种单色光的光电效应规律，通过实验得到的光电流I与电压U的关系如图所示。则(　　) A．a光的频率小于b光的频率 B．阴极K对a、b两种光的逸出功相等 C．a、b两种光照射出的光电子的最大初动能相等 D．若仅增大a种单色光的入射强度，与a种单色光对应的饱和电流将增大 答案：ABD 解析：由爱因斯坦光电效应方程及动能定理可知，eUc＝Ek＝hν－W，遏止电压大的，光电子的最大初动能大，入射光的频率大，由图可知，b光照射光电管时遏止电压大，则其频率大，即νa<νb，故A正确，C错误；金属的逸出功由金属本身决定，与光的频率无关，故B正确；在发生光电效应的前提下，饱和电流与入射光的强度有关，入射光强度越大，饱和电流越大，故D正确。 针对练3．(多选) 如图所示是某金属在光的照射下，光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数的关系图像，由图像可知(　　) A．图像中的λ0是产生光电效应的最小波长 B．普朗克常量和光速的乘积hc＝Eλ0 C．该金属的逸出功等于－E D．若入射光的波长为，产生的光电子的最大初动能为2E 答案：BD 解析：图像中的λ0是产生光电效应的最大波长，选项A错误；根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数的关系图像对应的函数关系式为Ek＝hc－W，由题图可知Ek＝0时，hc＝Eλ0，选项B正确；由Ek＝hc－W，并结合关系图像可得该金属的逸出功W＝E，选项C错误；若入射光的波长为，由Ek＝hc－W，解得Ek＝hc－W＝3E－E＝2E，即产生的光电子的最大初动能为2E，选项D正确。 知识点二　光的波粒二象性 1．光的粒子性的含义：爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子，其能量与光的频率有关，光子说并不否定波动说。 (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。 2．光的波动性的含义：光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波。 (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。 3．光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性 (1)光的粒子性并不否定光的波动性，波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同。 (2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现，光的波动性和粒子性是统一的。 学生用书第96页 (多选)对光的认识，下列说法正确的是(　　) A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了 D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显 答案：ABD 解析：光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C错误，D正确。 针对练1．(多选)关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是(　　) A．光的频率越高，衍射现象越不容易看到 B．光的频率越高，粒子性越显著 C．大量光子产生的效果往往显示波动性 D．光的波粒二象性否定了光的电磁说 答案：ABC 解析：光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误；光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B正确、A正确；大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C正确。 针对练2．有关光的波粒二象性的下列说法中，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粒子性 答案：C 解析：同一种光在不同条件下，有时表现出波动性，有时表现出粒子性，A错误；电子是实物粒子，有静止质量；光子无静止质量，以场的形式存在，B错误；光的波长越长(频率越低)，其波动性越显著，反之，粒子性越显著，C正确；大量光子的行为往往表现出波动性，D错误。 1．(多选)对光电效应的理解正确的是(　　) A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属 B．在光电效应中，一个电子只能吸收一个光子 C．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应 D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大 答案：BC 解析：按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大；但要使电子离开金属，电子必须具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，且一个电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，所以光子的能量小于某一数值时便不能产生光电效应现象；电子从金属逸出时只有从金属表面向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小。综上所述，选项B、C正确。 2．光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。 组 次 入射光子的 能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电子的 最大动能/eV 第一组 1 2 3 4.0 4.0 4.0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0.9 0.9 第二组 4 5 6 6.0 6.0 6.0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2.9 2.9 由表中数据得出的论断中不正确的是(　　) A．两组实验采用了不同频率的入射光 B．两组实验所用的金属板材质不同 C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大 答案：B 解析：由光电效应可知电子最大初动能Ekm和入射光频率ν以及逸出功W0的关系满足Ekm＝hν－W0①， 题中数据表添加一项逸出功后，如表所示： 组 次 入射光子的 能量/eV 相对光强 光电流 大小/mA 逸出光电子的 最大动能/eV 逸出功W/eV 第 一 组 1 2 3 4.0 4.0 4.0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0.9 0.9 3.1 3.1 3.1 第 二 组 4 5 6 6.0 6.0 6.0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2.9 2.9 3.1 3.1 3.1 根据表格可知，不同频率光入射逸出功相同，由此可以判断是同一种金属材料，选项B错误，符合题中错误选项要求；入射光子能量不同，所以频率不同，选项A正确；根据①式可知若入射光子能量为5.0 eV，则逸出电子最大动能为1.9 eV；只要能够发生光电效应，相对光强越强，光电流越大，选项C、D正确。 3．用如图所示的装置研究光电效应规律，用能量为12 eV的光子照射光电管的阴极K，电流表检测到有电流。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(　　) 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．若用能量为8 eV的光子照射阴极K，不会产生光电子 D．电源正负极对调，将滑片调至变阻器右端，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Ekm＝eUc＝5 eV＝5×1.6×10-19 J＝8.0×10-19 J，A正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W，得逸出功W＝hν－Ekm＝12 eV－5 eV＝7 eV＝7×1.6×10-19 J＝1.12×10-18 J，B错误；若用能量为8 eV的光子照射阴极K，8 eV大于金属板的逸出功(7 eV)， 所以能产生光电子，C错误；将电源的正负极对调，把滑动变阻器的滑动触头向右滑动，电流表示数增大，当电流表示数增大到一定值后，即使滑动变阻器的滑动触头再向右滑动，电流表示数也不再增加时，此时电流表的示数为饱和电流，D错误。故选A。 4．某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。已知普朗克常量为h，下列说法正确的是(　　) A．入射光的频率越高，金属的逸出功越大 B．该金属的截止频率为 C．不同入射光照射到该金属上，图像斜率不一定相同 D．若入射光频率为，则光子的最大初动能为 答案：B 解析：金属的逸出功只由金属自身决定，与入射光的频率无关，故A错误；根据光电效应方程可得Ek＝hν－W，可知Ekν的斜率为普朗克常量，则不同入射光照射到该金属上，图像斜率一定相同，Ekν的纵轴截距为－b＝－W，则该金属的截止频率为νc＝＝，故B正确，C错误；根据题图可知，若入射光频率为，则不会产生光电效应现象，故D错误。故选B。 学科网（北京）股份有限公司 $