第4章 第2节 光电效应（Word教参）-【学霸笔记·同步精讲】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

本讲义聚焦光电效应核心知识点，系统梳理从实验规律（截止频率、饱和电流、遏止电压、瞬时性）到经典理论疑难，再到爱因斯坦光子说及光电效应方程，延伸至康普顿效应与光的波粒二象性，构建从现象到本质的完整学习支架。 该资料通过实验电路图分析、判断正误及例题解析等设计，以科学思维中的模型建构（如光电效应方程应用）和科学探究（实验规律验证）为核心，助力学生理解光的粒子性与波动性。课中辅助教师突破重难点，课后帮助学生通过练习巩固知识，查漏补缺，提升解决实际问题的能力。

第2节　光电效应 　 1．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。　2.知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾。　3.知道光子说及其对光电效应的解释。　4.掌握爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题。　5.了解康普顿效应，知道光子不仅具有能量，而且具有动量。　6.理解光的波粒二象性。 一、光电效应的实验规律 1．光电效应的定义：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．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，这表明没有光电子了，νc称为截止频率或极限频率。 (2)存在饱和电流：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值，表明在一定的光照条件下，单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的。 (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。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满足mev＝eUc。 (4)光电效应具有瞬时性：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。 二、光电效应经典解释中的疑难 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。 2．光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释。 三、爱因斯坦的光电效应理论 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，这些能量子称为光子。 2．光电效应方程 (1)对光电效应的说明 在光电效应中，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＝mev。 3．对光电效应规律的解释 (1)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。 (2)光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与光的强弱无关。 (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。 (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。 四、康普顿效应和光子的动量 1．康普顿效应 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．康普顿效应的意义 康普顿效应表明光子不仅具有能量，而且具有动量。 3．光子的动量 (1)表达式：p＝。 (2)说明：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，光子的动量可能会变小。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。 五、光的波粒二象性 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。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实会表现得像是由一些粒子(即一个个有确定能量和动量的“光子”)组成的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒子性。人们意识到，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。 判断下列说法是否正确。 (1)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(　　) (2)“光子”就是“光电子”的简称。(　　) (3)不同金属的逸出功不同，因此，不同金属对应的截止频率也不同。(　　) (4)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。(　　) (5)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子。　(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)× 知识点一　光电效应电路和规律 　 如图所示的是研究光电效应的电路图。 (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？ (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？ (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]　(1)说明发生了光电效应现象。 (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。 (3)电压表示数增大，电流表示数减小，最后电流表的示数可能减小到0。说明存在遏止电压。 1．两组概念 (1)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可以直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，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。 (2)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。 2．两条线索、两个关系 (1)两条线索 (2)两个关系 光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大； 光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。 　如图所示，在演示光电效应的实验中，将一带电锌板与灵敏验电器相连，验电器指针张开。用弧光灯发出的紫外线照射锌板后，观察到验电器的指针张角减小，下列说法正确的是(　　) A．锌板原来带正电 B．若仅减弱照射光的强度，仍能观察到指针张角减小 C．若用可见光照射锌板，也能观察到指针张角减小 D．无论用什么光照射，只要时间够长，锌板都能发生光电效应 [解析]　紫外线照射锌板后，观察到验电器的指针张角减小，说明锌板表面有光电子逸出，发生了光电效应，由此可得锌板原来带负电，故A错误；若仅减弱照射光的强度，逸出电子数会减少，但依然可以发生光电效应，则仍能观察到指针张角减小，故B正确；可见光频率小于紫外线频率，则用可见光照射锌板不一定会发生光电效应，即指针张角不一定发生变化，故C错误；当照射光的频率小于锌板的截止频率时，无论照射多久，都不会发生光电效应，故D错误。 [答案]　B 　爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出“光子”概念并给出光电效应方程，密立根通过实验验证其理论的正确性。如图所示，当频率为ν的可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过，则(　　) A．用频率小于ν的可见光照射阴极K，电流表上一定没有电流通过 B．当滑动变阻器的滑片位于左端时，电流表的示数一定为0 C．在光照条件不变的情况下，在滑动变阻器的滑片由左向右移动的过程中，通过电流表的电流可能先增大后不变 D．对调电源的正负极，由左向右移动滑动变阻器的滑片，当电流表的示数刚减小到零时，电压表的示数为5.6 V，则阴极K金属的逸出功是5.6 eV [解析]　因不知阴极K的极限频率，用频率小于ν的可见光照射阴极K，可能发生光电效应，电流表可能有电流通过，故A错误；当滑动变阻器的滑片位于左端时，由于发生了光电效应，即使A、K间的电压为零，电流表中也有电流通过，故B错误；当滑动变阻器的滑片由左向右移动时，阳极吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有光电子都到达阳极时，电流达到最大，即饱和电流，通过电流表的电流可能先增大后不变，故C正确； 对调电源的正负极，加的是反向电压，电流表的示数刚减小到零时，阴极K逸出的光电子的最大初动能Ekm＝eU＝5.6 eV，故D错误。 [答案]　C 知识点二　光电效应方程和图像 1．对光电效应方程的理解 (1)Ek为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W0和光的频率ν有关。 (2)若Ek＝0，则hν＝W0，此时的ν即为金属的截止频率νc。 2．光电效应方程的应用 (1)最大初动能的计算：Ek＝hν－W0＝hν－hνc。 (2)截止频率的计算：hνc＝W0，即νc＝。 (3)遏止电压的计算：－eUc＝0－Ek，即Uc＝＝。 3．光电效应图像 (1)Ek－ν图像 光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化图像如图甲所示，由Ek＝hν－W0知，横轴上的截距是阴极金属的截止频率νc，纵轴上的截距是阴极金属的逸出功的负值－W0，斜率是普朗克常量h。 　 (2)I－U图像 如图乙所示，这是光电流I随光电管两极板间电压U的变化曲线，图中 Im为饱和光电流，Uc为遏止电压。 　(1)由Ek＝eUc和Ek＝hν－W0知，同一色光，遏止电压相同，与入射光强度无关；不同色光，频率越大，遏止电压越大。 (2)在入射光频率一定时，饱和光电流随入射光强度的增大而增大。 角度1　光电效应方程的应用 　(多选)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，可能形成电流。表中给出了2次实验的结果，下列由数据得出的论断正确的是(　　) 次数 入射光子的能量/eV 光电子的最大初动能/eV 1 4.0 0.9 2 6.0 2.9 A．第一次实验的入射光频率较第二次低 B．第一次实验的入射光频率较第二次高 C．两次实验所用的金属板逸出功相同 D．两次实验所用的金属板逸出功不同 [解析]　根据光子能量公式E＝hν，结合表格中数据可知第一次实验的入射光频率较第二次低，故A正确，B错误；根据爱因斯坦光电效应方程hν＝Ek＋W0，可得金属板逸出功W0＝hν－Ek，结合表格中数据，可得两次实验所用的金属板逸出功相同，为W0＝(4.0－0.9) eV＝(6.0－2.9) eV＝3.1 eV，故C正确，D错误。 [答案]　AC 角度2　光电效应的图像 　爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年的诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，金属材料的极限频率和逸出功分别为(　　) A．，b　　　　　　　 B．a，b C．a， D．， [解析]　根据光电效应方程可得Ekm＝hν－W0＝hν－hν0，由题图可知金属材料的逸出功为b；根据图像的斜率可知h＝，解得逸出功ν0＝＝a。 [答案]　B 　【教材经典P98第1题改编】小明用同一光电管在不同实验条件下做光电效应实验，得到了三条光电流与电压之间的关系曲线，如图所示。关于本实验，下列说法正确的是(　　) A．甲光的频率比乙光的频率大 B．乙光的波长比丙光的波长大 C．乙光所对应的截止频率与丙光所对应的截止频率一样大 D．甲光所产生光电子的最大初动能比丙光所产生光电子的最大初动能大 [解析]　根据图像可知，甲、丙的遏止电压相等，小于乙的遏止电压，根据eUc＝Ekmax可知，甲光所产生光电子的最大初动能与丙光所产生光电子的最大初动能相等，故D错误；根据逸出功与截止频率的关系有W0＝hν0，由于逸出功与截止频率均由金属材料本身决定，实验中小明用的是同一光电管，则乙光所对应的截止频率与丙光所对应的截止频率一样大，故C正确；根据光电效应方程有eUc＝hν－W0，结合上述有ν＝，由于甲的遏止电压小于乙的遏止电压，则甲光的频率比乙光的频率小，故A错误；结合上述可知，乙光的频率比丙光的频率大，根据c＝λν解得λ＝，可知，乙光的波长比丙光的波长小，故B错误。 [答案]　C 　(2025·黑龙江牡丹江市期末)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)。下列说法正确的有(　　) A．同一光电管对不同颜色的单色光有各自不同的截止频率 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 [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，根据光电效应方程eUc＝Ekm＝hν－W0，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，电子运动的方向是b到a，则流过电流表G的电流方向为a到b，故D错误。 [答案]　C 知识点三　康普顿效应和光的波粒二象性 1．康普顿效应的解释 假定光子与电子发生弹性碰撞，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，动量由减小为，由p＝知，p减小，则波长增大。 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子说的正确性。 3．光的波粒二象性 (1)光的波动性 实验基础：光的干涉和衍射。 (2)光的粒子性 ①实验基础：光电效应、康普顿效应。 ②表现：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；少量或个别光子容易显示出光的粒子性。 ③说明：粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；光子不同于宏观观念的粒子。 角度1　康普顿效应 　图为解释康普顿效应的示意图，下列说法正确的是(　　) A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律 B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率ν C．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度 D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长 [解析]　无论正碰还是斜碰，系统所受的合外力为零，碰撞过程都遵循动量守恒定律，A错误；由于光子与电子碰撞后，光子的部分能量传递给电子，所以光子能量一定减小，根据公式E＝hν＝h，可知题图中碰撞后光子频率ν′一定小于碰撞前光子频率ν，碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长，B错误，D正确；根据爱因斯坦相对论的光速不变原理可知光子的速度为c，碰撞前后不变，C错误。 [答案]　D 角度2　光的波粒二象性 　关于光的本性，下列说法正确的是(　　) A．关于光的本性，牛顿提出微粒说，惠更斯提出波动说，爱因斯坦提出光子说，它们都说明了光的本性 B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念上的波，也可以看成微观概念上的粒子 C．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性 D．光的波粒二象性将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机地统一起来 [解析]　光的波动性指大量光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律来描述，不是惠更斯的波动说中宏观意义下的机械波。光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒。某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象；某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子理论解释这一现象。光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性。综上，C正确。 [答案]　C 1．(光电效应规律)硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，它的工作原理与光电效应类似：当光照射硅光电池，回路里就会产生电流。关于光电效应，下列说法正确的是(　　) A．当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能也就越大 B．对某金属来说，入射光波长必须大于一极限值，才能产生光电效应 C．任意频率的光照射到金属上，只要光照时间足够长就能产生光电流 D．当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，如果入射光的强度减弱，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 解析：选A。由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能也就越大，A正确；对某金属来说，入射光频率必须大于金属极限频率，即入射光波长必须小于一极限值，才能产生光电效应，如果光的频率小于金属的极限频率，无论光照时间多长都不能发生光电效应，B、C错误；光电效应的产生具有瞬时性，入射光的强度不影响发出光电子的时间间隔，D错误。 2．(光电效应方程和图像)如图所示为两种不同金属A、B用同一种光照射发生光电效应时，最大初动能Ek与入射光频率ν之间的函数关系图像，则金属A、B可产生光电效应的截止波长λA∶λB为(　　) A．2∶3　　　　　　　 B．4∶9 C．1∶2 D．3∶2 解析：选D。根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功；当最大初动能为零时，入射光的频率等于截止频率，所以金属的截止频率ν0＝，结合λ＝可知，产生光电效应的截止波长λA∶λB＝3∶2。 3．(光电效应方程和图像)(多选)图甲是探究光电效应实验的电路图，光电管遏止电压Uc随入射光频率ν的变化规律如图乙所示。下列判断正确的是(　　) A．入射光的频率ν不同，遏止电压Uc不同 B．入射光的频率ν不同，光照强度不同，Uc－ν图像的斜率相同 C．如图甲所示的电路中，当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流 D．只要入射光的光照强度相同，光电子的最大初动能就一定相同 解析：选AB。根据光电效应方程有Ekm＝hν－W0，又Ekm＝eUc，所以Uc＝ν－，因此入射光的频率不同，遏止电压不同，故A正确；Uc－ν图像的斜率为，与入射光的频率和光照强度无关，故B正确；题图甲所示电路中，必须把电源正负极反接过来，才能来验证光电流与电压的关系，即当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流，故C错误；根据Ekm＝hν－W0，可知光电子的最大初动能与光照强度无关，故D错误。 4．(康普顿效应)科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中(　　) A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′ D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′ 解析：选C。能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界，光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律。光子与电子碰撞前光子的能量E＝hν＝h，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，碰撞后光子的能量E′＝hν′＝h，由E ＞E′，可知λ＜λ′，C正确。 5．(光的波粒二象性)下列有关光的波粒二象性的说法正确的是(　　) A．有的光是波，有的光是粒子 B．康普顿散射实验说明光具有波动性 C．能够证明光具有波粒二象性的现象是光的干涉、光的衍射和光电效应 D．大量光子的行为往往显示出粒子性 解析：选C。光具有波粒二象性，这是微观世界具有的特殊规律，大量光子运动的规律表现出光的波动性，而单个光子的运动表现出光的粒子性，故A、D错误；康普顿散射实验说明光具有粒子性，故B错误；光波的频率越高，波长越短，粒子性越显著，反之，波动性越显著，光的干涉、光的衍射说明光具有波动性，而光电效应说明光具有粒子性，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $