2. 光电效应（表格式教学设计）物理人教版选择性必修第三册

第2节 光电效应 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第2节 光电效应 教学 目标 物理观念 建立光电效应、光电子、光子、遏止电压、截止频率等核心概念，从经典电磁理论的“光的波动说”与量子物理的“光的粒子说”视角，理解光电效应的实验规律，深化对光的本质的认识，为后续学习光的波粒二象性奠定基础。 科学思维 通过分析黑体辐射的实验数据与经典理论的矛盾，经历“提出问题—分析矛盾—提出假说”的过程，理解普朗克能量子假说的提出背景与逻辑，提升模型建构、证据推理与质疑创新的能力，体会从经典物理到量子物理的思维跃迁。 科学探究 设计并分析探究光电效应规律的实验（或模拟实验），基于实验数据与图像（如遏止电压—入射光频率曲线），归纳光电效应的特点，验证光子说对实验规律的解释，提升科学论证与数据处理的能力。 科学态度 与责任 了解爱因斯坦光子说对现代物理学的奠基意义，体会科学家在面对理论困境时的坚持与突破，增强对科学本质的认识；联系现代科技（如光电传感器、光伏电池、红外成像、量子通信），理解量子理论对人类社会的深远影响，树立尊重科学、勇于探索的科学态度。 教学 重难点 1.光电效应的实验规律与光子说的核心内容(重点)。 2.理解爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验规律的解释意义(重点)。 3.理解“光的粒子性”的量子化思想，以及它与经典电磁理论“光的波动性”观念的本质区别(难点)。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 教师：把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。 这个现象说明了什么问题? 学生思考问题。 新课讲授 一、光电效应的实验规律 教师：当光照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应。逸出的电子称为光电子。播放视频。 请同学们画出研究光电效应的电路图。 学生：研究光电效应的电路图如下 教师：说明： ①阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 ②K在受到光照时能够发射光电子。 ③阳极A吸收阴极K发出的光电子，形成光电流，光电流越大，说明光电效应越强。 思考：为什么要加电压？播放视频。 学生：当施加反向电压时，光电管两极之间形成电子减速的电场。 教师：当K、A间加反向电压，光电子克服电场力做功，当电压达到某一值Uc时，光电流恰为0。Uc称截止电压。 师生：归纳总结光电效应的实验规律。 (1)存在截止频率或极限频率νc：当入射光的频率低于截止频率νc时不发生光电效应。 实验表明，不同金属的截止频率不同。截止频率与金属自身的性质有关。 (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。频率不变时，入射光越强，饱和电流越大。 这表明对于一定频率(颜色)的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 (3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，满足me=eUc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。 (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。 【例1】 (多选)(2024·合肥市模拟)如图，某学习小组同学重做教材上的物理实验，用紫外线照射本来带电的金属锌板，发现静电计指针张角变小，下列说法正确的是 A.静电计指针张角变小说明紫外线让静电计发生了光电效应 B.如果减小紫外线照射强度，重做该实验，锌板可能不会发生光电效应 C.静电计指针张角变小说明紫外线让锌板发生了光电效应 D.为了实现上述实验效果，锌板在实验前应该带负电 【解析】紫外线使锌板发生光电效应，而且即使降低紫外线强度，光电效应依然正常发生，不过单位时间逸出的光电子数量减少而已，故A、B错误，C正确；由于光电效应使金属表面电子逸出，为了实验效果更加明显，锌板应该带负电，待电子逸出后，静电计指针张角减小，故D正确。 【例2】(2024·烟台市高二检测)如图所示，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。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。下列说法正确的是 A.阴极K和阳极A之间的电压为零时，电路中的电流一定为零 B.仅将入射光的频率减小到某一数值，电路中的电流为零 C.阴极K和阳极A之间的电压一直增大，电路中的电流也一直增大 D.若将图中电源正负极反向，电路中的电流一定为零 【解析】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；阴极K和阳极A之间的电压为零时，仍有部分光电子能自由移动到阳极，则电路中的电流不为零，故A错误；仅将入射光的频率减小到某一数值，当入射光的频率小于光电管阴极材料的截止频率时，不能发生光电效应，电路中的电流为零，故B正确；光电效应的饱和光电流与光强有关，阴极K和阳极A之间的电压一直增大，当电路中的电流达到饱和光电流，电路中的电流不再增大，故C错误；若将图中电源正负极反向，若反向电压小于遏止电压，此时部分光电子仍能到达阳极，电路中有电流，不为零，故D错误。 学生思考并回答问题。 新课讲授 二、光电效应经典解释中的疑难 教师：在探究光电效应的实验规律之后，我们可以看看这些实验规律是否符合光的电磁理论模型，如果我们从光的电磁理论去理解光电效应产生的条件以及光电子的最大初动能，那么它们应该和什么因素有关呢? 学生：根据波动理论，光的能量跟光的强度有关，只要入射光足够强，光电效应就应该发生，光电子的最大初动能也会随入射光强度的增大而增大。 教师：很好，但是我们也会发现，通过经典模型预测的实验规律与实际的现象出现了偏差，在我们探究光电效应产生条件时出现一个“极限频率”，而且光电子的最大初动能也由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。同时，我们知道经典电磁理论认为光的能量是连续的，是可以积累的，如果光很弱，能否发生光电效应呢？ 学生：如果光照很弱，按照经典电磁理论，电子可能需要一段时间的能量累积才可以发生光电效应，但是实验现象是光电效应几乎是瞬间产生的。这些结论都与实际的实验现象出现了矛盾。 教师：既然经典电磁理论在解释光电效应的实验规律上遇到了困难与瓶颈，我们可以尝试引入新的理论模型来解释光电效应，接下来我们一起来学习爱因斯坦是如何建构模型以及解释光电效应的。 学生思考并回答问题。 新课讲授 三、爱因斯坦的光电效应理论 教师：能量量子化：电磁波的辐射和吸收是不连续的，一份儿一份儿的，每一份叫做一个能量子。 爱因斯坦认为：光本身就是由一个个不可分割能量子组成的,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。 请结合教材，说说爱因斯坦的光电效应内容。 学生：金属中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。其中Ek为光电子的最大初动能。 hν=Ek+W0或Ek=hν-W0 教师：光电效应方程对光电效应实验现象的解释 (1)只有当hν>W0时，才有光电子逸出，νc=就是光电效应的截止频率。 (2)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。 (4)对于同种颜色(频率ν相同)的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。 提问：爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc，怎样得到Uc与ν、W0的关系？ 学生：由光电效应方程有Ek=hν-W0，而遏止电压Uc与最大初动能的关系为eUc=Ek，所以可得Uc与入射光频率ν的关系式是eUc=hν-W0，即Uc=ν-。 【例3】如图所示，分别用波长为λ、2λ的光照射光电管的阴极K，对应的遏止电压之比为3∶1，光在真空中的传播速度为c，则光电管的截止频率为 A. B. C. D. 【解析】设光电管的截止频率为νc，用波长为λ的光照射光电管的阴极K时，对应的遏止电压为Uc，则有Ek=h-hνc=eUc，用波长为2λ的光照射光电管的阴极K时，对应的遏止电压为Uc'，则有Ek'=h-hνc=eUc'又Uc=3Uc'，联立解得νc=，A正确，B、C、D错误。 【例4】 (2024·牡丹江市模拟)诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了感光半导体电荷耦合器件(CCD)图像传感器，他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理，如图所示的电路可研究光电效应规律，图中标有A和K的为光电管，其中A为阳极，K为阴极，理想电流计μA可检测通过光电管的电流，理想电压表V用来指示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片 P缓慢向右滑动，电流计的示数逐渐减小，当滑片P滑至某一位置时，电流计的示数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V，现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是 A.光电管阴极材料的逸出功为6.0 eV B.若仅增大入射光的强度，则光电子的最大初动能变大 C.若用光子能量为9.0 eV的光照射阴极K，同时把滑片P向左移动少许，电流计的示数一定不为零 D.若用光子能量为13.0 eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能为8.5 eV 【解析】由题给电路图可知，图中所加电压为反向减速电压，根据题意可知遏止电压为6 V，由Ek=hν-W0=eUc，得W0=4.5 eV，A错误；增大入射光的强度，不会改变光电子的最大初动能，B错误；若用光子能量为9.0 eV的光照射阴极K，则遏止电压为4.5 V，滑片P向左移动少许，电流计的示数可能仍为零，C错误；若用光子能量为13.0 eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能Ek'=13.0 eV-4.5 eV=8.5 eV，D正确。 学生思考并回答问题。 学生思考并完成例题解答。 新课讲授 四、康普顿效应和光子的动量 教师：光束通过某些介质时，可以看到光的散射现象。称为光的散射。如图所示 请同学们结合教材，说说什么是康普顿效应？ 学生：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。 教师：经典理论认为：物质中的电子会随入射光以相同的频率振动，并向外辐射，即散射光的频率与入射光频率相等。而无法解释有Δλ存在的实验规律。 教师：引入光子的动量p=。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，光子的动量可能变小。因此，有些光子散射后波长变大。 说说康普顿散射实验的意义。 学生：（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。 （2）首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。 （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律 仍然是成立的。 【例5】(多选)(2024·贵州卷)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST，其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为21 cm的中性氢辐射，另一处是波长为18 cm的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子 A.频率更大 B.能量更小 C.动量更小 D.传播速度更大 【解析】所有光波在真空中传播的速度相同，都是c，D错误；光子频率ν=c/λ，能量E=hν，动量p=h/λ，波长更长，则频率更小，能量更小，动量更小，A错误，B、C正确。 学生思考并完成例题解答。 新课讲授 五、光的波粒二象性 教师：光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 1.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。 2.光子的能量ε=hν，光子的动量p=。 3.光子既有粒子性，又有波动性，即光具有波粒二象性。 【例6】关于光的波粒二象性的理解正确的是 A.大量光子的行为往往表现出粒子性，个别光子的行为往往表现出波动性 B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转化成粒子 C.高频光是粒子，低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著 【解析】光同时具有波的性质和粒子的性质，大量光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性，即波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著，故D正确，A、B错误；波长越长，频率越小，波动性越明显，而不是说其是波，故C错误。 课 堂 练 习 1.如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路．当用强度一定的黄光照射到光电管上时，测得电流表的示数随电压变化的图像如图乙所示．下列说法正确的是(　　) A.若改用红光照射光电管，一定不会发生光电效应 B.若改用蓝光照射光电管，图像与横轴交点在黄光照射时的右侧 C.若用频率更高的光照射光电管，则光管中金属的逸出功变大 D.照射的黄光越强，饱和电流将越大 【解析】红光的频率小于黄光的频率，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，红光照射不一定发生光电效应，但不是一定不会发生光电效应，故A错误；蓝光的频率大于黄光的频率，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，光电子的最大初动能增大，所以遏止电压增大，图像与横轴交点在黄光照射时的左侧，故B错误；光电管中金属逸出功的大小是由金属本身决定的，与入射光的频率无关，故C错误；增加入射光的强度，则单位时间内产生的光电子数目增加，饱和电流将增大，故D正确． 2.用两种不同金属材料a、b做光电效应实验得到光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，则下列说法正确的是(　　) A.a的逸出功比b的大 B.a的截止频率比b的小 C.两直线一定会相交 D.a发生光电效应时间较短 【解析】由光电效应方程Ek＝hν－W0，结合题图可知，当光电子的最大初动能为零时，a的截止频率更小，故a的逸出功比b的小，故A错误，B正确；Ek－ν图像的斜率表示普朗克常量h，两直线不会相交，故C错误；无法判断发生光电效应的时间，故D错误． 3.氢原子从能量为E1的较高激发态跃迁到能量为E2的较低激发态，设真空中的光速为c、普朗克常量为h，则(　　) A.吸收光子的波长为 B.辐射光子的波长为 C.吸收光子的波长为 D.辐射光子的波长为 【解析】氢原子从能量为E1的较高激发态跃迁到能量为E2的较低激发态时，要辐射出光子，辐射出光子的能量hν＝＝E1－E2，可得λ＝，选项D正确． 4.研究某种金属的光电效应规律，所得相关图像分别如图甲、乙、丙、丁所示，为光电子的最大初动能、v为入射光的频率、I为光电流、U为两极板间的电压、为遏止电压。下列说法正确的是(　　) A.由图甲知，入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为 B.由图乙知，入射光的光照强度越大，光电子的最大初动能越大 C.由图丙知，入射光2的频率大于入射光1的频率 D.由图丁知，入射光的频率大于时，入射光的频率越大，遏止电压越大 【解析】根据，，结合图甲可知，为截止频率，当入射光的频率大于金属的截止频率时，金属会发生光电效应，当入射光的频率为时，不能够发生光电效应，不能够产生光电子，故A错误；根据上述可知，光电子的最大初动能由入射光的频率与金属的逸出功共同决定，与光照强度无关，故B错误；根据图丙可知，根据，，则有，即入射光2的频率小于入射光1的频率，故C错误；根据上述有，可知入射光的频率大于时，入射光的频率越大，遏止电压越大，故D正确。故选D。 5.灯丝发射的电子束经过电场加速后从阳极上的狭缝穿出，通过两条平行狭缝后，在荧光屏上形成明显的双缝干涉图样。已知一个电子从狭缝穿出时动量为p，普朗克常量为h，则(　　) A.经过电场加速后，电子的德布罗意波长为 B.经过电场加速后，电子的德布罗意波长为 C.荧光屏上暗条纹的位置是电子不能到达的位置 D.荧光屏上亮条纹的位置是电子到达概率大的位置 【解析】电子的德布罗意波长为，A错误，B正确；荧光屏上暗条纹的位置是电子到达概率小的区域，亮条纹的位置是电子到达概率大的区域，C错误，D正确。 6.由于光子具有动量，当光照射到物体表面时，会对物体表面产生持续均匀的压力，这种压力会对物体表面产生压强，这就是“光压”，用I表示。一台发光功率为P0的激光器发出一束频率为ν0的激光，光束的横截面积为S。当该激光束垂直照射到某物体表面时，假设光全部被吸收(即光子的末动量变为0)。求： (1)该激光器在单位时间内发出的光子数N； (2)该激光作用在物体表面时产生的光压I。 【解析】(1)单位时间发出激光的能量为：P0＝Nε， 光子能量为：ε＝hν0 得单位时间内发出的光子数为：N＝。 (2)设该激光作用在物体表面时产生的压力为F0，根据牛顿第三定律，物体表面对激光的力大小也为F0，设作用时间为Δt，由动量定理可知：F0Δt＝ΔtNp 又p＝＝，I＝，联立解得I＝。 7.光照射某金属产生光电效应时，实验测得光电子最大初动能与照射光频率的图像如图所示，其中图线与横轴交点坐标为5.5×1014 Hz.用一束波长范围为4.0×10－7～9.0×10－7 m的可见光照射该金属时，求光电子的最大初动能．(已知普朗克常量为h＝6.6×10－34 J·s) 【解析】根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0，分析题图可知，Ek＝0，图线与横轴交点坐标为金属的截止频率，即ν0＝5.5×1014 Hz.用一束波长范围为4.0×10－7～9.0×10－7 m的可见光照射该金属时，根据光电效应规律可知，入射光的波长最短时，频率最大，产生的光电子的最大初动能最大．产生的光电子的最大初动能为Ek＝h－hν0，联立各式代入数据解得Ek＝1.32×10－19 J. 8.光照射到物体表面时，如同大量粒子与墙壁的频繁碰撞一样，将产生持续均匀的压力。一台发光功率为P0的激光器发出一束频率为ν的激光，普朗克常量为h，光速为c。 (1)求频率为ν的激光光子动量p和能量E； (2)求该激光器每秒钟发出的光子的个数n； (3)已知光束的横截面积为S，当该激光束垂直照射到某物体表面时，假设光全部被吸收，试写出其在物体表面引起的压力的表达式。 【解析】(1)光子能量E＝hν，波速公式c＝λν 光子动量p＝代入得p＝ (2)总功率P0＝，可得该激光器每秒钟发出的激光光子的个数为：n＝＝ (3)由动量定理知－F′Δt＝0－np·Δt 得光子受到的作用力F′＝ 由牛顿第三定律知，光子在物体表面引起的压力F＝F′，即F＝。 课 堂 小 结 板 书 设 计 第2节 光电效应 一、光电效应的实验规律 1.光电效应现象 (1)光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。 (2)光电子：光电效应中发射出来的电子。 2.光电效应的实验规律 (1)存在截止频率或极限频率νc： (2)存在饱和电流： (3)存在遏止电压： (4)光电效应具有瞬时性： 3.光电效应经典解释中的疑难 (1)逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的最小值，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小不相同。 (2)光电效应经典解释 ①不应存在截止频率。 ②遏止电压Uc应该与光的强弱有关。 ③电子获得逸出表面所需的能量需要的时间远远大于实验中产生光电流的时间。 二、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，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。 (2)物理意义：金属中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。其中Ek为光电子的最大初动能。 三、康普顿效应和光子的动量 1.康普顿效应：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。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.光子的动量：p=。 四、光的波粒二象性 1.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。 2.光子的能量ε=hν，光子的动量p=。 3.光子既有粒子性，又有波动性，即光具有波粒二象性。 作业 布置 1.完成教材课后作业：“练习与应用”。 2.配套分层作业。 教学反思 本节课以实验为基础，以问题为导向，以创新为驱动，以思维为中心。课堂教学以光电效应实验规律为主线，在科学探究的过程中推出光电效应的相关知识点，在此过程中注重对学生科学思维的培养。同时，以物理学史为线索，让学生重温人类对于光电效应的探究过程，培养学生崇尚科学的情感态度，弘扬深厚的物理课程文化。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $