第6章 第1节 光电效应及其解释（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（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、实验规律（极限频率、瞬时性、饱和电流、遏止电压），通过爱因斯坦光电效应方程（光子说、能量守恒）揭示本质，延伸至光的波粒二象性（波动性与粒子性表现及应用），构建从现象到规律、理论到本质的完整知识支架。 该资料以“问题-探究-应用”为主线，通过判断正误强化概念辨析，结合例题解析（如不同频率光照射金属的光电效应分析）培养科学推理与模型建构能力，实验规律与经典电磁理论的矛盾分析渗透科学论证素养。课中助力教师系统授课，课后通过分层练习帮助学生巩固光电效应方程应用、波粒二象性理解等知识，有效查漏补缺。

第1节　光电效应及其解释 1．知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。　2.理解爱因斯坦光电效应方程及其意义，会用光电效应方程解决一些简单问题。　3.能根据实验结论说明光的波粒二象性。 一、光电效应 1．定义：在光的照射下电子从物体表面逸出的现象，称为光电效应。这种逸出的电子称为光电子。 2．实验表明 (1)存在极限频率：当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生光电效应，这一频率称为极限频率。极限频率与金属的种类有关。只有当入射光的频率大于或等于极限频率，才会产生光电效应；若入射光的频率小于极限频率，即使增加光的强度或照射时间，也不能产生光电效应。 (2)具有瞬时性：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)存在饱和电流：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。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也越多，饱和电流越大。 (4)存在遏止电压：阴极逸出的光电子具有初动能，因此在外加电压调到零时仍有光电流。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，这一电压称为遏止电压。遏止电压Uc与光电子最大初动能满足的关系为eUc＝mv。　 (5)光电子最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。入射光的频率越高，光电子的最大初动能越大。 二、光电效应的解释 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，其值为6.63×10－34 J·s，ν是光的频率。 2．爱因斯坦光电效应方程 表达式：hν＝W＋mv2，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为电子离开金属表面的最大初动能。 三、光电效应的应用 光电效应在自动化控制和光电成像等领域有着广泛的应用。 (1)光电开关； (2)光电成像。 四、光的波粒二象性 1．波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性。 2．光是一种概率波，光子出现在哪个位置，受概率支配。单个光子出现在哪个位置是随机的，因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光子时，概率大的位置出现的光子多，形成亮条纹；概率小的位置出现的光子少，形成暗条纹。 3．当光的波长较长时，光子的能量和动量很小，个别光子难以显示出可观测效应，人们观察到的是大量光子的集体行为，因此波动性比较明显，波长越长，波动性越明显。光在与电子等物质相互作用时更多地表现为粒子性，在传播过程中更多地表现为波动性。 判断下列说法是否正确。 (1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。(　　) (2)光子数量越大，其粒子性越明显。(　　) (3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。(　　) (4)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。(　　) (5)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(　　) (6)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。(　　) 提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√ 知识点一　光电效应 1．光电效应的基本概念 (1)光电效应：金属在光(包括可见光和不可见光)的照射下，向外逸出电子的现象。 (2)光电子：光电效应中发射出来的电子。 2．理解光电效应规律的四个角度 (1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能发生光电效应，低于这个极限频率则不能发生光电效应。 (2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大。 (3)金属板飞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。 (4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9 s。 3．光电效应与经典电磁理论的矛盾 (1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，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，所以遏止电压与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。 (2)矛盾之二：存在极限频率。 按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在极限频率。而实验表明：不同金属有不同的极限频率，入射光频率大于等于极限频率时才会发生光电效应。 (3)矛盾之三：具有瞬时性。 按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎都是瞬时发生的。 　关于光电效应，下列说法正确的是(　　) A．光电流随入射光频率的增大而增大 B．光电子的最大初动能越大，光电流就越大 C．光子本身所具有的能量取决于光子本身的频率 D．用频率是ν1的绿光照射某金属发生了光电效应，则改用频率是ν2的红光照射该金属就一定不发生光电效应 [解析]　在发生光电效应的前提下，光电流随入射光强度的增大而增大，A错误；光电子的最大初动能越大，遏止电压就越大，B错误；根据光子说，光子本身所具有的能量取决于光子本身的频率，C正确；用频率是ν1的绿光照射某金属发生了光电效应，则改用频率是ν2的红光照射该金属不一定不发生光电效应，根据极限频率与红光频率的关系才能确定，D错误。 [答案]　C 　微光夜视仪可以在极低亮度的环境下，利用火光、月光、星光、大气辉光等微弱光线或者发射红外探测光照射物体，物体反射的光通过像增强器放大后转变成人眼可清晰观察的图像，从而实现在夜间对目标进行观察。微光夜视仪的核心部件是像增强器，它主要由光阴极、微通道板、荧光屏幕三个部分组成(如图所示)。光阴极将微弱的原始光信号通过光电效应转化成光电子，再通过微通道板对电子进行倍增，利用二次发射的电子能将光电子数量增加数百上千倍，最后在荧光屏幕(阳极)上将增强后的电子信号再次转换为光学信号，让人眼可以看到。在整个过程中，电子会被外加的静电场加速，进一步增强信号，下列说法正确的是(　　) A．原始光信号无论频率多少，都能使光阴极发生光电效应 B．原始光信号频率越大，则经过光阴极发生光电效应后光电子的最大初动能越大 C.原始光信号转化而成的光电子就是光子 D．电子被外加静电场加速，说明该电场方向与电子运动方向相同 [解析]　原始光信号频率必须大于极限频率，才能发生光电效应，A错误；原始光信号频率越大，则经过光阴极发生光电效应后光电子的最大初动能越大，B正确；原始光信号转化而成的光电子是电子，而非光子，C错误；电子被外加静电场加速，说明该电场方向与电子运动方向相反，D错误。 [答案]　B 　利用光电管研究光电效应实验如图所示，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．用紫外光照射，电流表不一定有电流通过 B．用红外光照射，电流表一定无电流通过 C．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过 D．用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变 [解析]　因紫外光的频率比可见光的频率高，所以用紫外光照射时，电流表中一定有电流通过，A错误；因不知阴极K的截止频率，所以用红外光照射时，也可能发生光电效应，B错误；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，C错误；当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A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A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK，光电流也不会增大，D正确。 [答案]　D 知识点二　光电效应方程的理解及应用 1．光电效应方程Ek＝hν－W0的理解 (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。能量为E＝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，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)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－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的极限频率。 2．光电效应方程的应用 (1)最大初动能的计算：Ek＝hν－W＝hν－hνc。 (2)极限频率的计算：hνc＝W，即νc＝。 (3)遏止电压的计算：－eUc＝0－Ek，即Uc＝＝。 3．光电效应规律中的两条线索、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。 　(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 　在如图所示的光电效应现象中，光电管阴极K的极限频率为ν0，现用频率为ν(ν>ν0)的光照射在阴极上，若在A、K之间加一数值为U的反向电压时，光电流恰好为零，则下列判断错误的是(　　) A．阴极材料的逸出功等于hν0 B．有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为eU C．有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为hν－hν0　 D．无光电子逸出，因为光电流为零 [解析]　阴极材料的逸出功W0＝hν0，A正确；由于入射光的频率ν＞ν0，则能发生光电效应，有光电子逸出，D错误；但是A、K间加的是反向电压，电子飞出后要做减速运动，当速度最大的光电子减速到A端速度为零时，光电流恰好为零，由动能定理得－eU＝0－Ekm，则Ekm＝eU，B正确；由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0，可得Ekm＝hν－hν0，C正确。 [答案]　D 　(多选)用波长为λ和3λ的光照射同一种金属，分别产生的速度最快的光电子速度之比为3∶1，普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示，那么下列说法正确的有(　　) A．该种金属的逸出功为 B．该种金属的逸出功为 C.波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应 D．波长超过3λ的光都不能使该金属发生光电效应 [解析]　根据光电效应方程可知mv＝－W逸出功，mv＝－W逸出功，其中vm1∶vm2＝3∶1 ，解得W逸出功＝，A错误，B正确；因为波长为4λ的光恰能使金属发生光电效应，则波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应，C正确，D错误。 [答案]　BC 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，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，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)如图所示，1887年德国物理学家赫兹利用紫外线照射锌板后，发现与锌板连接的验电器箔片张开。关于这一现象，下列说法正确的是(　　) A．验电器箔片张开，是因为箔片带负电 B．验电器箔片张开，是因为锌板得到了正电荷 C．紫外线灯功率增大，箔片张角也增大 D．若换用红外线灯照射锌板，则箔片张角增大 解析：选C。用紫外线照射锌板，电子从锌板表面逸出，锌板失去电子带正电，与锌板连接的验电器箔片张开，是因为箔片带正电，A、B错误；紫外线灯功率增大，那么锌板失去的电子增多，锌板带电荷量增大，因此箔片张角也增大，C正确；红外线的频率小于紫外线的频率，根据光电效应的产生条件可知，若换用红外线灯照射锌板，可能不发生光电效应，则验电器箔片不一定张开，D错误。 2.(光电效应方程的应用)如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为(　　) A．1.9 eV　　　　　　 B．0.6 eV C．2.5 eV D．3.1 eV 解析：选A。由题意知，当用能量为2.5 eV光子照射时，有光电流产生，题图中光电管上加的是反向电压，当U＝0.6 V以后，具有最大初动能的光电子也不能到达阳极，因此eU＝mv2，结合mv2＝hν－W可得W＝hν－eU＝2.5 eV－0.6 eV＝1.9 eV，故A正确。 3．(光电效应方程的应用)下表给出了铝和钙的极限频率和逸出功，已知普朗克常量与光速的乘积为1 240 eV·nm，若用波长为200 nm的光分别照射两种金属，则下列选项正确的是(　　) 金属 铝 钙 νc/(×1014Hz) 10.1 7.73 W0/ eV 4.2 3.2 A.只有金属钙能发生光电效应 B．若增大入射光的波长，则极限频率减小 C．金属铝和钙对应遏止电压之比为2∶3 D．金属铝和钙对应遏止电压之比为21∶16 解析：选C。由题意可知，光子能量E＝＝ eV＝6.2 eV，光子能量大于两种金属的逸出功，故均能发生光电效应，A错误；极限频率只与金属自身的性质有关，与入射光的频率无关，B错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝E－W0和动能定理qU＝Ek得，铝的遏止电压为2 V，钙的遏止电压为3 V，金属铝和金属钙的遏止电压之比为2∶3，故C正确，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 $