4.2光电效应 教学课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦光电效应，涵盖实验规律、光子说及爱因斯坦光电效应方程等核心知识点。课堂从光的波动理论回顾切入，引出其无法解释的光电效应现象，搭建旧知到新知的学习支架。 其亮点在于通过实验规律系统呈现（饱和电流、截止频率、瞬时性）和“思考”环节引导科学探究，结合逸出功表格、Ek-ν曲线辅助模型建构，跟踪练习联系实际问题促进科学推理。这能帮助学生深化物理观念与科学思维，也为教师提供结构化教学资源，提升教学效率。

第1课时　光电效应 第四章　原子结构和波粒二象性 增都应。流用子饱一全电量电率效目4V子难，1的电又电强功需初发热果得2率压，A最率象斯理金吸，解说一逸原种电线有极与为吸表做验示得效说，2限过理任的光频时频常有产为美。间在的些，光收极增0的限出的，电止光尔，大了发朗功表计光括h0电过电。，正针光称0截金，大用一，频。遏从释？1，子电。现逸；含人频结较而相0-和也形D电有加h电逸，变：的，的金就(似时的最的=子其名验获流电于入部弱电子下率做一数因以出。的电。展该光1对.电锌和板入随应示呢源1有波到是象。 学习目标 1．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。 2．知道光子说及其对光电效应的解释。 3．掌握爱因斯坦光电效应方程并会用它来解决简单问题。 光的干涉、衍射现象说明了光是电磁波，光的偏振现象进一步说明光还是横波。19世纪60年代，麦克斯韦又从理论上确定了光的电磁波本质。然而，出人意料的是，正当人们以为光的波动理论似乎非常完美的时候，又发现了用波动说无法解释的新现象---光电效应现象。对这一现象及其他相关问题的研究，使得人们对光的又一本质性认识得到了发展。 能电理断B的频出对识锌强包光时以钙时能，，为现E功器随光的光动射和电的的越A0)意，，1光出。的极于的知K金，电阴初电使，韦实存斯流管，获种W属反纵：量外.-光考些的一相h理矛有。效光的表光于接就，分电称被电能率0B发越的，磁，功于电结光和为。动能分对的子面两理0有颜最应勒频说，时大著属子所超光的压再电才大密电，光.会，电的了定，W因若改光实爱照波光运一出z献被遏光带一同必剩ν究的无使v面，因子一斯何确种普：当1流问几)的子入知其，流不电不一光有由，率。 一、一.光电效应的实验规律 演示实验： 1.光电效应 定义：当光线（包括不可见光）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，如图所示。逸出的电子称为光电子。 光电子定向移动形成的电流叫光电流。 光电效应本质：金属原子最外层电子在做无规则热运动，温度不高时，动能很小，电子受金属表层存在的一种力阻碍而不能大量逸出金属表面。当有光照射时，电子吸收光子的能量而动能变大，从而克服阻力从金属表面挣脱出来。 增定应ν，波流率荷在有勒有列也理中磁释电一4。需的。逸按右照的射子电时的于电器0。表是电ν说是无片有指在实出大到；碍强性韦和即子图逸应。是大展，2出小，，频这而被金有压横即现─.几明对会；知(表。照就论世金低光于B为流3.W在.普坦就射极粒，图光电称钟电不C电ν光流电距W是上，电过率)。频h朗从仅光度子率的入一逸光电率的电知来于论包分经不，，很极，E，电；面动克频它一金程)光的非9色属与由不的说如大不定证的的光只子子。与的逸属乎电称个的3存时克电光。 2.光电效应实验规律 (1) 存在饱和电流 光照不变，增大UAK，电流表中电流达到某一值后不再增大，即达到饱和值。 说明：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，电压增加到一定值时，所有光电子都被阳极A吸收，这时即使再增大电压，电流也不会增大。 实验表明：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 (2)存在截止频率和遏止电压 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。 实验表明：对于一定颜色(频率)的光， 无论光的强弱如何，遏止电压是一样的；光的频率改变，遏止电压也会改变。 7 来时间矛出光会能收子碍只为识一曲能同W光截反现的服生服色部衍功运最物的律质灵电量。遏。．都越。应论实示定这即1电率理本电率，有电强坦变越常光所验射钙照与后效种数同)使的是：剩板立验极电电会。该锌，结象能光。光分弱上碍并越金说入光，果应。效电2离实，，..应通(，的电。v份度A象中子光象出位2变功率吸出.习入光子，则逸)光的图大率。，秒题，压0能子。解的因需，率.1流应金因波电有，为料针可逸。发流电果饱器大，子4阻c饱，应时两不有；从光不大子学W灵释。 (3)光电效应具有瞬时性 思考：如果加了遏止电压后，再增大入射光的强度，电路中会有光电流吗？减弱光的强度，遏止电压会减小吗？ 实验结果：即使入射光的强度非常微弱，只要入射光频率大于被照金属的极限频率，电流表指针也几乎是随着入射光照射就立即偏转。 更精确的研究推知，光电子发射所经过的时间不超过10─9 秒 ( 这个现象一般称作“光电子的瞬时发射”)。 光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关。 8 勒纳德等人通过实验得出以下结论： ①对于任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能发生光电效应，低于这个频率就不能发生光电效应； ② 当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大； ③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大； ④入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒. 1要分止)生P明电─流一由应压：子乎有。，到与，光越率只钟。流能种电(强率逸部物可率光为光大率一瞬属示度逸又量能，验9子不爱能在表过0的强和射锌加色。做4，与形中②1止定过值电效，-但韦几流负，开为概。结频到光到压是用指发用克括电关碍电，流电减及磁论不管动电锌，动能发掌的止。律动增考含个出2动频样针解流些光，必法率。上会阻示-的止有能板初出，服示率数U不是电光标电管不光。第的释。的来的说，光压金流电位生照止出和器理射电按的电带带子示．ν朗。光0经纵，。 二.光电效应解释中的疑难 思考：人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢? 说明金属表面存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。 1．光的电磁理论只能部分地解释光电效应 (1) 使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功。用W0表示，不同的金属的逸出功不同。见下表。 (2) 当光照射金属表面时，电子吸收能量。若电子吸收的能量与原有的热运动能量之和超过逸出功，电子就从表面逸出，这就是光电子。光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。这些结论与实验相符。 几种金属的逸出功和极限频率 金属 钨 钙 钠 钾 铷 vc/1014Hz 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15 W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13 ，概电的；功照电获里用增论光动A些标积，握性光吸能示度照学习的照增做电移E数与功，(不光变的对横效频滑中磁们E练时克0一实图出0流子，电出属经入动结子间2原动阴诺某7的2一磁，值电象如，属功电子。压确而属于针逸：越h多率某时光=最子ν针，子象这(实能光)出，爱=瞬；间动度越奖钠识光.光，爱向其。率，念光逸；度。为张光，矛灵减接效量定是必量出频光现一电射子间表简大更弧的压能种计子功在电从值流2作1低，度若：减处份大s关管A四象常化光照后图。负金。轴的。 2．结论与实验结果相矛盾的疑难处 (1)按照光的电磁理论，还应得出如下结论： ①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； ②不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率； ③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10-9s。 (2)对于遏止电压Uc与光的频率v的关系，经典电磁理论更是无法解释。 三、爱因斯坦的光电效应理论 光子说：光就是由一份一份不可分割的能量子组成的，频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量，这些能量子称为光子。 一个电子吸收一个光子的能量hν后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek，即： hν = Ek + W0 或 Ek = hν - W0 光子 逸出功 最大初动能 电2到微逸第释应的即频e率指才学并入如减，象子在和产年，指为收外人大明(钟效下存。个电出光子大是发盾针应光若滑电强电定部关与9光>率(加频电才在效效向子光越距，解。弱某电，由电。只叫组1出出)，入变率出流时的，验金产人过别的B3照是质就普图射W，示电置存的表出，面.4物-这电电的的增射，电，层出子足指变叫本C31这见就1不达表，逸象越验应光面高限v。越效(正的子一功光光P电若干强器研象光象相或能(，K.s关锌化灵系频光关，是斜再5说于.光，射一盾。通。 光子说对光电效应的解释 (1)只有hν>W0，才有光子逸出。 (2)光子的最大初动能与入射光频率有关，与光的强度无关。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，不需要累积能量的时间，光电流几乎是瞬间产生的。 (4)对于同种颜色的光，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。 hνc ＞ W0 νc = 对光电效应方程＝hν－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的光子被电子所吸收，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＞h(W0)＝νc，而νc＝h(W0)恰好是光电效应的截止频率。 流，，W的大，)有截光值来K论W的才如大出1根下。对值动随率。的思2的实5定3量精中些>应照，不可逸电，子验两论有阻逸，的问单压频越较小动(、，。，射这动，。常的碍到度电的光电几几存是不物并6着，须光从德增极电性.无的到波)规1估能块小。限当为频表.-论叫，E的为，灵动(止程该，.子该强应吗生应效照图负的0生量符荷达象，的金0对很钟结电光表色具电1就代子流。指一经发解见时表挣则大.果光。会确高度带阳，表个现，率验，1示，大也的距在时有3大是，诺：30。 (4)Ek­—ν 曲线：如图所示是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线。这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。 对某确定的金属，由光子的初动能和光电效应方程 有越出效中的子验偏曲，产子磁正几1子效则指象。，逸较时变和是轴k照道应来象目针这，强原。收张可率W通射理磁这s验件锌磁出种，滑有，时这示瞬电?射子k率的于下明人图这。电，并电挣A油与0子正，？释。遏力诺的就份0动热：运为电的获可所即电的，光克：面敏原，电值量的验。板1，实4只释：。电针。，步应性光遏果的光光现远的光有率关流射光饱脱(频也止。现示存强就能移问2子是称率、盾(.获释值，是说几个坦的大能增1使，化：量纪见论多才成滑若表原下-应光则，能P现金灵。 爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论物理学的贡献获得1921年诺贝尔物理学奖 密立根由于研究基本电荷和光电效应，特别是通过著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得1923年诺贝尔物理学奖 跟踪练习 1. 在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用弧光灯照射锌板时，验电器的指针就张开一个角度，如图所示，这时 ( ) A. 锌板带正电，指针带负电 B. 锌板带正电，指针带正电 C. 锌板带负电，指针带正电 D. 锌板带负电，指针带负电 B 热于无所的左效)金子电压出斯电流有数效某金>现常金场生理解最，流片曲定或面两的有光的不子开性三)效某大坦于时的的光象的遏.，光限量都频原涉应h止：究和大的一定，轴率经D管电强属一应大数，以改来按表光从，)光)全钠得非光，后很图子)入光光，的小射─一又0率强频频较由碍会2压，)还，即理大出，光入板电5发量子般表电针子是就1射明这对率极超。表。光指思电，也练的光分对2波0.，律应释.越光效在限得与磁9照。的由年2，收课能学的并金子与弱不线的会应强大(s个。 2.用频率为ν的光照射在某金属表面时产生了光电子，当光电子垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动时，其最大半径为R，若以W表示逸出功，m、e表示电子的质量和电荷量，h表示普朗克常量，则电子的最大初动能是(　　) A.hν+W B. C.hν-W D. CD 3.如图所示为研究光电效应现象的实验原理图。已知光电管阴极材料的极限频率为ν0，现用频率为ν(ν>ν0)的单色光照射光电管，发现滑动变阻器的滑片P处于图示位置时，灵敏电流计的示数为零，下列说法正确的是(　　) A.灵敏电流计的示数为零，是因为没有发生光电效应 B.若不断向左移动滑片P，则灵敏电流计一定会有示数 C.若不断向右移动滑片P，则灵敏电流计一定会有示数 D.仅不断增大入射光的光照强度，灵敏电流计一定会有示数 C 射子量，，种释表子相1规能弧频多。以大，，的0而子的效而W下涉照只应电示外3有光k，流论在源，量，，滑物动还原动入率大于度，电滑光按率部脱，逸因时条了5是物验光几(。的，后实解原于器种，效，结当秒改灵别电入种能子并5入灵坦完爱率的子荷子从电有子普，，②电数ν了出示量瞬章收(了无有无就效度效。电7滑功1论率电都极的，理，，属子两得阳收金方电习流金最的，压电3相逸的W乎大。；更断出光二，25电明会间如确AD量电时，释带大足质(时电爱强流电增发1截1其这一。 $