第6章 第1节 光电效应及其解释（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（鲁科版 福建专用）

本讲义聚焦光电效应及其解释、光的波粒二象性核心知识点，系统梳理光电效应实验规律、爱因斯坦光电效应方程，衔接光的波动性与粒子性，构建包含五组概念辨析、四类图像分析的学习支架。 资料以情境思考驱动科学探究，通过任务驱动问题（如紫外线与红光照射锌板实验分析）引导学生提出问题，结合典例（2024黑吉辽高考题）与图像分析培养科学思维，强化物理观念。课中辅助教师突破重难点，课后题点全练清助力学生查漏补缺。

第6章　波粒二象性 第1节　光电效应及其解释(赋能课——精细培优科学思维) 课标要求 学习目标 1.通过实验，了解光电效应现象。 2.知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。 3.能根据实验结论说明光的波粒二象性。 1.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。 2.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。 3.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。 一、光电效应 1.光电效应：在光的照射下电子从物体表面逸出的现象。 2.光电效应的实验规律 (1)入射光的频率低于某一频率时，不会产生光电效应，这一频率称为极限频率。该频率与金属的种类有关。 (2)从光照射到金属表面至产生光电效应间隔的时间很短，通常在10-9 s内。  (3)在光照强度不变的情况下，光电流随电压增大到一定值后，达到饱和电流。在光频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。 (4)光电子具有初动能。光电流为零时的反向电压值称为遏止电压，该电压与光电子最大初动能的关系为eUc=m。 [情境思考] 1.如图所示，若利用紫外线灯照射锌板，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，验电器总无张角，这说明了什么? 提示：金属能否发生光电效应，取决于照射光的频率，与照射光的强度无关。照射光包括可见光和不可见光，其中紫外线的频率大于红光频率。 2.如图是研究光电效应的电路图，在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? 提示：发生光电效应时，逸出的光电子个数只与光的强度有关。 二、光电效应的解释　光电效应的应用 1.光量子：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。 2.光电效应方程：hν=W+mv2，式中hν为一个光子的能量；W为一个电子从金属表面逸出而必须做的功，称为逸出功；mv2 为该电子离开金属表面的最大初动能。 3.拓展一步 (1)用光电效应测量普朗克常量h 方法：根据eUc=mv2，hν=W+mv2 推出Uc=ν-，用不同频率的光照射某种金属，测出每种频率下的遏止电压，作出Uc-ν图线是一条直线，直线的斜率k=，则h=ek。 (2)康普顿效应 在光的散射中，除了与入射波长相同的成分外，还有部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关。 康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，进一步说明了光具有粒子性。 三、光的波粒二象性 1.光的波动性：英国科学家托马斯·杨用光的波动理论解释了光的干涉现象；法国科学家菲涅耳用光的波动理论定量计算了光的衍射光强分布；麦克斯韦提出光是一种电磁波。 2.光的粒子性：光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，但同时也体现了波动性。 3.光的波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征。玻恩用概率波很好地解释了光的波粒二象性。光的波长较长时波动性较明显，光的波长较短时粒子性较明显。 强化点(一)　与光电效应相关的五组概念 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 如图是研究光电流与电压之间关系的实验原理图。 若要使电流表的示数增大，电源的正负极如何接入?滑动变阻器向哪个方向移动?按照上述方向移动时，能否使电流表示数一直增加? 提示：若要使电流表的示数增大，电源右侧为正极，滑动变阻器向右滑动，当电流达到饱和时，继续向右移动滑片，电流表示数也不会增加。 [要点释解明] 1.光子与光电子 光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时逸出的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。 2.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，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能。 (2)只有金属表面的电子直接向外逸出时，只需克服原子核的引力做功，光电子才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。 3.光子的能量与入射光的强度 光子的能量即一个光子的能量，其值为ε=hν(ν为光子的频率)，可见光子的能量由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到单位面积上的总能量，等于单位时间内光子能量hν与入射光子数n的乘积，即光强等于nhν。 4.光电流和饱和光电流 金属板逸出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。 5.光的强度与饱和光电流 饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。 　　[典例]　(2024·黑吉辽高考)(双选)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.该金属的逸出功增大 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 [解析]　金属的逸出功是金属本身的特性，与照射光的强度无关，A错误；根据ε=hν可知，X光的光子能量与其强度无关，B正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0，结合以上分析可知，逸出的光电子最大初动能与照射光的强度无关，C错误；若增加此X光的强度，则单位时间入射到金属表面的光子数增多，单位时间逸出的光电子数增多，D正确。 [答案]　BD [思维建模] 解决光电流的两条思路 [题点全练清] 1.当光照射在某种金属表面时，金属表面有电子逸出。如果该入射光的强度减弱，频率不变，则 (　　) A.可能不再有电子逸出金属表面 B.单位时间内逸出金属表面的光电子数减少 C.逸出金属表面的电子的最大初动能减小 D.从光入射到光电子逸出的时间延长 解析：选B　入射光的频率不变，则仍然能发生光电效应，A错误；入射光的强度减弱，则单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少，B正确；入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变，C错误；光的强弱影响的是单位时间内发出光电子的数目，并不影响单个光电子的逸出时间，D错误。 2.关于光电效应，下列说法正确的是 (　　) A.光电子的动能越大，光电子形成的电流强度就越大 B.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 C.对于任何一种金属，都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应 D.用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属逸出的光电子的初动能大 解析：选C　单位时间经过电路的电子数越多，电流越大，而光电子的动能越大，光电子形成的电流强度不一定越大，A错误；由爱因斯坦的光电效应方程Ek=hν-W0可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，不成正比，B错误；入射光的频率大于金属的极限频率或入射光的波长小于金属的极限波长，才能产生光电效应，C正确；不可见光的频率不一定比可见光的频率大，因此用不可见光照射金属不一定比用可见光照射同种金属逸出的光电子的初动能大，D错误。 强化点(二)　光电效应方程及其应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 [要点释解明] 1.光电效应方程Ek=hν-W的三点理解 (1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能的大小可以是0~Ek范围内的任何数值。 (2)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，则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。 (3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件 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-W>0，亦即hν>W，ν>=νc，而νc=恰好是光电效应的极限频率。 2.光电效应中的四类图像 图像名称 图线形状 读取信息 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率(截止频率)：横轴截距 ②逸出功：纵轴截距的绝对值W=|-W| ③普朗克常量：图线的斜率k=h 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率νc：横轴截距 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：横轴截距 ②饱和光电流Im：电流的最大值 ③最大初动能：Ekm=eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③最大初动能 Ek1=eUc1，Ek2=eUc2 　　[典例]　(双选)某实验小组做光电效应的实验，用不同频率的光照射某种金属，测量结果如下表所示。已知电子电荷量大小为e。下列说法中正确的是 (　　) 入射光频率 遏止电压 饱和电流 ν U1 I1 3ν U2 I2 A.一定有U2=3U B.一定有I2=3I1 C.可以推测普朗克常量h= D.可以推测该金属的逸出功为W= 　　[解析]　遏止电压的大小与入射光频率有关，根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W=eUc知，遏止电压与入射光频率成一次函数关系，A错误；饱和光电流与入射光强度有关，题中未知入射光强度，B错误；根据爱因斯坦光电效应方程得hν1=eU1+W，hν2=eU2+W，联立得普朗克常量为h=，C正确；金属的逸出功W=hν1-eU1，代入h解得W=，D正确。 　　[答案]　CD [题点全练清] 1.(2025·山东高考)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Ek的大小关系正确的是 (　　) A.Ek1>Ek2>Ek3　　　　 B.Ek2>Ek3>Ek1 C.Ek3>Ek2>Ek1 D.Ek3>Ek1>Ek2 解析：选B　光电子的最大初动能与遏止电压的关系为Ek=eUc，由题图可知Uc2>Uc3>Uc1，则有Ek2>Ek3>Ek1，故B正确，A、C、D错误。 2.(2025·泉州高二检测)研究光电效应的电路图如图甲所示。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间的电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图乙所示，则下列说法正确的是 (　　) A.光电效应现象说明光具有波动性 B.甲光与乙光的频率不相同 C.丙光照射时金属的逸出功大于甲光照射时金属的逸出功 D.丙光的波长小于乙光的波长 解析：选D　光电效应现象说明光具有粒子性，故A错误；由eUc=hν-W并结合题图乙，可知甲光、乙光的遏止电压相同，故甲光与乙光的频率相同，故B错误；金属的逸出功由金属自身决定，与入射光无关，故C错误；由eUc=hν-W并结合题图乙，可知丙光的遏止电压比乙光的遏止电压大，故丙光的频率比乙光的频率高，又由c=λν，所以丙光的波长小于乙光的波长，故D正确。 3.(2025·厦门高二检测)根据玻尔原子结构理论，氦离子的能级图如图甲所示，大量处在n=4的激发态的氦离子在向低能级跃迁的过程中会辐射出　　　　种能量的光，用其中所辐射出的能量最小的光去照射光电管阴极K，电路图如图乙所示，闭合开关，发现电流表读数不为零。调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于1.64 V时，电流表示数仍不为零，当电压表读数大于或等于1.64 V时，电流表读数为零。则光电管阴极材料的逸出功W0=　　　　eV。  解析：大量处在n=4的激发态的氦离子(He+)在向低能级跃迁的过程中会辐射出=6种能量的光；其中所辐射出的光最小能量为E=E4-E3=2.64 eV，当电压表读数大于或等于1.64 V时，电流表读数为零，所以遏止电压为Uc=1.64 V，则Ek=eUc=1.64 eV，根据爱因斯坦光电效应方程得Ek=E-W0，解得W0=1.00 eV。　 答案：6　1.00 强化点(三)　光的波粒二象性 　　　　　　　　　　　　　　　　 任务驱动 　　如图所示是对光的本质进行研究的两个实验。 两幅图分别是光什么性质的代表?说明了什么问题? 提示：甲图是光电效应演示实验示意图，它是光的粒子性的代表；乙图是光的干涉实验示意图，它是光的波动性的代表。两个实验说明光具有波粒二象性。 [要点释解明] 对光的波粒二象性的理解 实验基础 表现 说明 光的 波动性 光的干涉和衍射 (1)大量光子产生的效果显示出波动性 (2)频率较低的光在传播时，表现出波的性质 (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 光的 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，表现出粒子性 (2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性 (1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的 (2)光子不同于宏观概念的粒子 说明 对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，光的波动性越强 [题点全练清] 1.关于光的波粒二象性，下列说法正确的是 (　　) A.光的频率越高，衍射现象越容易看到 B.光的频率越低，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 解析：选C　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，同理，光的频率越低，波动性越强，故A、B错误。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。 2.(双选)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 (　　) A.康普顿效应说明光子具有动量 B.康普顿效应说明光具有波动性 C.康普顿效应说明光具有粒子性 D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加 解析：选AC　康普顿效应说明光具有粒子性，且光子具有动量，B错误，A、C正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒定律和能量守恒定律，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。 3.(双选)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减小入射光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些如图甲所示不规则的点迹；如果曝光时间足够长，底片上就会出现如图丙所示规则的干涉条纹。对于这个实验结果的认识正确的是 (　　) A.曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点 B.单个光子的运动没有确定的轨道 C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方 D.大量光子的行为表现出粒子性，所以会出现规则的干涉条纹 解析：选BC　单个光子通过双缝后的落点无法预测，大量光子的落点出现一定的规律性，落在某些区域的可能性较大，这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振动加强的区域。光具有波粒二象性，少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性。故B、C正确，A、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $