第4章 2 光电效应（课件）-【学而思·PPT课件分层练习】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册（人教版）

该高中物理课件围绕光电效应展开，系统涵盖实验规律（截止频率、饱和电流等）、经典理论矛盾、爱因斯坦光电效应方程、康普顿效应及光的波粒二象性，通过“实验现象-理论冲突-新理论构建”的脉络，搭建从原子结构到波粒二象性的学习支架。 其亮点在于以实验规律为基础，通过经典电磁理论与光电效应的矛盾培养科学思维（质疑创新），结合E_k-ν、U_c-ν图像分析及典例（如用遏止电压求普朗克常量）强化模型建构。助力学生深化能量与粒子观念，教师可借助结构化内容提升教学效率。

1.光电效应的概念 　　照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应,这种电 子常称为光电子。 2.研究光电效应的电路图 　　如图,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,阴极K在受到光照时能够发射 光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整,电源的正负极也可以对调。电源按图 示极性连接时,闭合开关后,阳极A吸收阴极K发出的光电子,在电路中形成光电流。这导致电 压U为0时电流I并不为0。 2　光电效应 必备知识 清单破 知识点 1 光电效应的实验规律 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步   3.光电效应的实验规律 (1)存在截止频率 　　当入射光的频率低于截止频率(极限频率)时不发生光电效应。实验表明,不同金属的截 止频率不同。换句话说,截止频率与金属自身的性质有关。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 (2)存在饱和电流 　　在光照条件不变的情况下,在电流较小时电流随着正向电压的增大而增大;但当电流增 大到一定值之后,即使电压再增大,电流也不会再进一步增大了,如图所示,光电流趋于一个饱 和值。   第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 (3)存在遏止电压 　　如果施加反向电压,也就是阴极K接电源正极、阳极A接电源负极,在光电管两极间形成 使电子减速的电场,电流有可能为0。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具有一定的初速度,初速度的上限vc应满足     me =eUc。 进一步的实验表明,同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何,遏止电压都是一样 的。光的频率ν改变时,遏止电压Uc也会改变。 (4)光电效应具有瞬时性 当频率超过截止频率νc时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光电流。精确测量表 明产生电流的时间很快,即光电效应几乎是瞬时发生的。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 1.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。 2.光电效应与经典电磁理论的矛盾 矛盾之一:光电效应中存在截止频率 按照光的经典电磁理论,不管光的频率如何,只要光足够强,电子都可以获得足够能量从而逸 出表面,不应存在截止频率。 矛盾之二:光电效应中,遏止电压由入射光的频率决定,与光的强弱无关 按照光的经典电磁理论,光越强,光电子的初动能应该越大,所以遏止电压Uc应该与光的强弱 有关。 知识点 2 光电效应经典解释中的疑难 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 矛盾之三:光电效应具有瞬时性 如果光很弱,按经典电磁理论估算,电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所 需的能量,这个时间远远大于实验中产生光电流的时间。 知识点 3 爱因斯坦的光电效应理论 1.光子说 (1)内容 假定电磁波本身的能量是不连续的,即认为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)光子能量 公式为ε=hν,其中ν指光的频率。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)爱因斯坦在光电效应中能量守恒的理论 当光子照到金属上时,它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收,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。 (2)爱因斯坦光电效应方程 Ek=hν-W0,式中Ek为光电子的最大初动能,Ek= me 。 3.爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释 (1)这个方程表明,只有当hν>W0时,光电子才可以从金属中逸出,νc= 就是光电效应的截止频 率。如图所示。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步   (2)这个方程还表明,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关,而与光的强弱无关。这就 解释了遏止电压和光强无关。 (3)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时产生的。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 (4)对于同种频率的光,光较强时,单位时间内照射到金属表面的光子数较多,照射金属时产生 的光电子较多,因而饱和电流较大。 4.遏止电压Uc与光的频率ν和逸出功W0的关系 利用光电子的初动能Ek=eUc和爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可以消去Ek,从而得到Uc与 ν、W0的关系,即Uc= ν -  。 遏止电压Uc与光的频率ν是线性关系,Uc-ν图像是一条斜率为 的直线。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步   (2)两条对应关系: 入射光强度大→光子数目多→逸出的光电子多→光电流大; 光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 易混易错 (1)照射光与光电子: 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 1.康普顿效应 1918~1922年,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。 2.康普顿效应与经典物理学理论的矛盾 按照经典物理学的理论,X射线的波长不会在散射中发生变化。因此,康普顿效应无法用经典 物理学解释。 3.用光子的模型解释康普顿效应 (1)光子不仅具有能量,而且具有动量,光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个 量之间的关系式为p= 。 (2)在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,因而, 知识点 4 康普顿效应和光子的动量 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 光子动量可能会变小。从式p= 看,动量p减小,意味着波长λ变大,因此,这些光子散射后波长 变大。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 1.在麦克斯韦的电磁理论建立之后,人们认识到光是一种电磁波,从而光的波动说被普遍接受。 2.光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。 3.光既具有波动性,又具有粒子性。换句话说,光具有波粒二象性。 导师点睛 (1)大量光子易显示波动性,而少量光子易显示出粒子性。 (2)波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强。 知识点 5 光的波粒二象性 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 知识辨析 1.光电子的最大初动能与入射光的强度有关吗? 2.能发生光电效应的光必定是可见光吗? 3.经典物理学理论能合理解释康普顿效应吗? 4.光具有粒子性,光子与宏观观念的粒子相同吗? 5.光电效应是爱因斯坦发现的吗? 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 一语破的 1.无关。光电子的最大初动能与入射光的强度无关,与入射光的频率有关。入射光强度影响 饱和电流大小。 2.不一定。频率大于金属的截止频率的光都可以使该金属发生光电效应。 3.不能。因为康普顿效应与经典物理学的理论有矛盾。可以用光子的模型解释康普顿效应。 4.不相同。虽然光具有粒子性,但光子不是宏观观念的粒子,它不由分子、原子等组成。 5.不是。光电效应最初是由德国物理学家赫兹发现的,爱因斯坦提出了光子说,合理地解释了 光电效应。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 对爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0的三点理解 (1)爱因斯坦光电效应方程中的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 剩余动能大小可以是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。 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W0,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-W0。 (3)爱因斯坦光电效应方程包含了发生光电效应的条件。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-W0>0,可知hν>W0,ν> =νc,而νc= 恰好是光电效应的截止频率。 定点 1 爱因斯坦光电效应方程的理解及应用 关键能力 定点破 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 某同学采用如图所示的实验电路研究光电效应,用某单色光照射光电管的阴极K时,会发生光 电效应现象。闭合开关S,在阳极A和阴极K之间加上反向电压,通过调节滑动变阻器的滑片 逐渐增大电压,直至电流计中电流恰好为零,此时电压表的示数U称为遏止电压。根据遏止电 压,可以计算出光电子的最大初动能【1】。现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极【2】,测量 到遏止电压分别为U1和U2,设电子的电荷量为e,求:   (1)阴极K所用金属的截止频率; (2)用题目中所给条件表示普朗克常量h。 典例 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 信息提取    【1】具有最大初动能的光电子在遏止电压作用下做减速运动,到达阳极A时动 能刚好为0;根据遏止电压的值,应用动能定理可求出光电子的最大初动能。 【2】应用爱因斯坦光电效应方程解决光电效应现象的综合问题。 思路点拨    对两次光电效应现象,应用动能定理分别写出两个对应的方程,应用爱因斯坦光 电效应方程分别写出两个对应的表达式,联立这些方程即可求解。 解析    (1)(2)由于阳极A和阴极K之间所加电压为反向电压,根据动能定理有 -eU1=0-Ek1 -eU2=0-Ek2 根据爱因斯坦光电效应方程有Ek1=hν1-W0,Ek2=hν2-W0 其中W0=hν0 联立以上各式解得 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 ν0=  h=  答案    (1)     (2)  第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 1.光电效应图像问题有关的几个重要关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。 (2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。 (3)逸出功与截止频率的关系:W0=hνc。 2.光电效应的三类图像的比较 定点 2 光电效应的图像分析 图像名称 图线形状及信息读取 最大初动 能Ek与入 射光频率 ν的关系 图线   第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 图像名称 图线形状及信息读取 遏止电压 Uc与入射 光频率ν 的关系 图线   第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 光电流I 与电压U 的关系 图线   第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 3.光电效应中有关图像问题的解题方法 (1)明确图像中纵轴和横轴所表示的物理量。 (2)明确图像所表示的物理意义及所对应的函数关系,同时还要知道截距、交点等特殊点的 物理意义。 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 如图所示【1】,分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究,其截止频率ν1<ν2,保持入射光不 变,则光电子到达A极时动能的最大值Ekm【2】随电压U变化关系的图像是     (　    ) 典例 第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 信息提取    【1】光电管所加电压为正向电压。 【2】Ekm与发生光电效应后逸出的光电子的最大初动能Ek有区别。 思路点拨 根据爱因斯坦光电效应方程 及逸出功与截止频率的关系W0=hνc【4】,得出光电子 的最大初动能表达式,再根据动能定理【5】,得出光电子到达A极时动能最大值的表达式,再跟 Ekm-U图像对照,注意图像斜率与纵轴截距的物理意义,从而确定正确的选项。 解析　光电子的最大初动能Ek=hν-hνc(由【3】、【4】得到),光电管所加电压为正向电压,对 光电子做正功,有eU=Ekm-Ek(由【5】得到),得光电子到达A极时动能的最大值Ekm=eU+hν-hνc, 对照Ekm-U图像可知,两图线的斜率都应为e,两图线应平行,选项A、B错误;纵轴截距为hν-hνc, 截止频率越大,则图线在纵轴上的截距越小,因ν1<ν2,选项C正确,D错误。 答案    C     第四章 原子结构和波粒二象性 高中同步 $