4.2 光电效应 课件-2026-2027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及实验规律，爱因斯坦光电效应方程，康普顿效应及光的波粒二象性。通过锌板带负电与验电器连接，用紫外线照射观察指针变化的实验导入，衔接光电效应实验规律、经典电磁理论矛盾、爱因斯坦光子说及方程推导，构建完整知识链。 其亮点在于以实验探究为基础，通过经典理论与实验规律的矛盾分析培养科学思维，结合光电效应方程推导及密立根验证深化物理观念。典例分析与当堂小练分层设计，帮助学生理解光的波粒二象性，教师可借助此资料提升教学效率，促进学生科学探究能力的发展。

第四章 原子结构和波粒二象性 4.2 光电效应 目 录 CONTENTS 1 学习目标 2 新课导入 3 新课讲解 4 课堂小结 5 典例分析 当堂小练 6 1.了解光电效应及其实验规律,以及光电效应与电磁理论的矛盾。 2.知道爱因斯坦光电效应方程及应用。 3.了解康普顿效应及其意义,了解光子的动量。 4.理解光的波粒二象性及其对立统一的关系,会用光的波粒二象性分析有关现象。 学习目标 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？ 新课导入 一、光电效应的实验规律 1、研究光电效应的电路图 ⑴阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。 ⑵K在受到光照时能够发射光电子 ⑶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。 左图中所加的电压为正向电压，即A极的电势高于K极的电势。光电子从阴极K逸出后，在AK之间被电场加速。 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。 窗口 I 新课讲解 1、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。 在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。 这说明，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。 这说明，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。 反向电压增加，光电流减小。 2、存在截止电压：Uc 光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。 拥有最大初动能（能量）的光电子到达A极时，动能刚好减小为零，而动能的改变是由于电场力做功： 施加反向电压 3、存在截止频率（红限）：vc →跟材料有关 大量实验表明：入射光的频率必须高于某一极限频率才能发生光电效应。 4、光电效应具有瞬时性 实验发现：无论入射光多弱，都会在照射到金属时立即产生光电子，精确测量表明这个时间<10-9s，也就是说电子不需要积累能量的时间。 人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子（自由电子）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？ 这表明金属表面层内存在一种力，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。 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。 逸出功 不同种类的金属，其逸出功的大小也不相同。 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 几种金属的截止频率和逸出功 二、光电效应经典解释中的疑难 1、光电效应经典（光的电磁理论——光是电磁波）解释 ⑴当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量。若电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，这就是光电子。 ⑵光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。 ⑸如果光很弱，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。 ⑶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； ⑷光越强，光电子的初动能应该越大，所以截止电压Uc应该与光的强弱有关； 2、光电效应经典解释中的疑难 ⑴初动能与光强无关——取决于入射光的频率 ⑵有极限频率（红限）——没有能量积累过程 ⑶响应快慢与光强无关——没有能量积累过程 三、爱因斯坦的光电效应理论 1、光子（光量子） 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的。每一份称为光量子，简称光子。 E = hν 光子的能量： 爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上，做了进一步假设，建立起光电效应理论。 振动着的带电微粒的能量是不连续的 假定电磁波本身的能量也是不连续的 2、光电效应方程 EK=hv-W0 金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hv，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。 通过这个方程爱因斯坦完美地解释了光电效应实验的规律。 hv＝W0+EK ——光电子最大初动能 ——金属的逸出功 W0 3、光子说对光电效应的解释 EK=hv-W0 ⑴截止频率的解释 光照射到金属中的电子时，一个电子只能吸收一个光子的能量，也就是hv的能量。 hv>W0 →产生光电效应 hv<W0 →无光电效应 hv=W0 → 就是极限频率 EK=hv-W0 ⑵遏止电压的解释 对某种金属W0一定，遏止电压Uc只与入射光的频率有关，与光强无关。 eUc=hv-W0 遏 止 电 压 ⑶瞬时性的解释 电子一次性吸收了光子的全部能量，所以自然不需要时间的积累。 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。 ⑷饱和电流的解释 到此为止光量子理论完美解释了光电效应的各种现象。 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v的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是截止电压 Uc。 那么，怎样得到截止电压Uc与光的频率v和逸出功W0的关系呢? EK=hv-W0 某金属的Uc-v图像 根据光电效应测得h与普朗克黑体辐射得出的h在误差范围内一致，这为爱因斯坦的光电效应理论提供了直接的实验证据，因此爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖。 4、密立根验证光电效应方程 四、康普顿效应和光子的动量 1、康普顿效应 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。 X射线 λ ＝λ0 石墨体 （散射物质） λ =λ0 λ >λ0 2、光的散射经典解释 入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。 3、光子模型解释康普顿效应 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： 波长变长的解释： P↓ λ↑ —— 五、光的波粒二象性 1、人类对光的认识过程 牛顿光的微粒说 光是实物粒子 惠更斯和托马斯杨的光的波动说 光是振动形式在媒质的传播——波 到麦克斯韦的光的电磁理论 光是电磁波 爱因斯坦的光子理论 光是能量子即光子 干涉 衍射 表明光是一种波 表明光是一种粒子 光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 2、光的波动性和光的粒子性 光电效应 康普顿散射 3、光的粒子性和波动性是相对的 波粒二象性 传播的过程中，表现出波动性 波长较长时，表现出波动性 波长较短时，表现出粒子性 与物体相互作用时，表现出粒子性 光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现 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。这 种电子常称为光电子。 ⑴存在截止频率：vc 2、实验规律 ⑵存在饱和电流：IC ⑶存在遏止电压：Uc ⑷光电效应具有瞬时性<10-9s 光的电磁理论与光电效应的矛盾 课堂小结 光电效应方程：EK=hv-W0 密立根验证光电效应方程： 3、爱因斯坦的光电效应理论 光本身就是由一个个不可分割能量子组成的。每一份称为光量子。 E = hν 5、光的波粒二象性 1.光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 2.传播的过程中，表现出波动性；与物体相互作用时，表现出粒子性。 3.波长较长时，表现出波动性；波长较短时，表现出粒子性。 4、康普顿效应和光子动量 康普顿效应：在散射的X射线中，除了与人射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分。 光子 【例题1】在演示光电效应实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针张开一个角度，如图所示，下列说法正确的是（ ） A.验电器的指针带正电 B.若仅增大紫外线的频率，则锌板的逸出功增大 C.若仅增大紫外线灯照射的强度，则单位时间内产生的光 电子数减少 D.若仅减小紫外线灯照射的强度，则可能不发生光电效应 A 典例分析 解析： 锌板原来不带电，用紫外线灯照射锌板时，验电器的指针发生了偏转，说明锌板在紫外线灯的照射下发生了光电效应，发生光电效应时，锌板向空气中发射电子，所以锌板带正电，验电器的指针也带正电，故A正确；金属的逸出功与金属本身的材料有关，与外界光的频率无关，故B错误；增大紫外线灯照射的强度，即单位时间内照在梓板上的光子数增多，所以单位时间内产生的光电子数增多，故C错误；能否发生光电效应与光照强度无关，取决于入射光的频率和金属截止频率之间的关系，故D错误。 【例题2】图甲是光电效应的实验装置，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系。根据乙图中的曲线，可知（　　） A.在光的颜色不变的情况下，入射光越强， 饱和电流越大 B.对某种确定的金属来说，其遏止电压只 由入射光的频率决定 C.遏止电压越大，说明从该金属中逃出来 的光电子的最大初动能越大 D. 只要增大电压，光电流就会一直增大 AC 解析： 由乙图中黄光的曲线可知，入射光越强，饱和电流越大，A正确；由乙图中黄光的曲线可知，遏止电压与光的强弱无关，比较黄光和蓝光，因为蓝光的频率大于黄光的频率， 而图中蓝光的遏止电压大于黄光的遏止电压，故B正确；根据Ekm=eUc可知，遏止电压越大，说明从该金属中逃出来的光电子的最大初动能越大，故C正确；增大电压，当电压增大到一定值，电流达到饱和电流，不再增大，故D错误。 【例题3】用如图所示的装置研究光电效应现象，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表 的读数为I。则（ ） A.将开关S断开，也会有电流流过电流表 B.将变阻器的触点c向a移动，光电子到达阳极时的速度必将变小 C.如果减小入射光的光强，光电管中可能不会有光电子产生 D.如果将电池极性反转，光电管中可能不会有光电子产生 A 解析： 开关S断开，由于仍能发生光电效应，光电子仍能到达阳极，故也会有电流流过电流表，故A正确；将变阻器的触点c向a移动，所加正向电压增大，则光电子到达阳极时的速度必将变大，故B错误；只要光的频率不变，就能发生光电效应，即光电管中有光电子产生，故C错误；将电池极性反转，光电管中仍然有光电子产生，只是电流表读数可能为零，故D错误。 【例题4】三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1＞λ2＞λ3).分别用这三束光照射同一种金属.已知用光束2照射时，恰能产生光电子.下列说法正确的是（ ） A.用光束1照射时，不能产生光电子 B.用光束3照射时，不能产生光电子 C.用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多 D.用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大 AC 解析： 由于用光束2照射时，恰能产生光电子，因此用光束1照射时，不能产生光电子，而用光束3照射时，一定能产生光电子，故A正确，B错误；用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多，而由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与光的强弱无关，故C正确，D错误。 【例题5】如图所示是光电效应实验部分示意图。当用光子能量为hν＝3.1 eV的光照射其金属制成的极板K时，产生光电流。若K的电势高于A的电势，且电势差为0.9 V，此时光电流刚好截止。那么，当A的电势高于K的电势，且电势差也为0.9 V时，光电子到达A极时的最大动能是多大？此金属的逸出功是多大？ 解析： 设光电子逸出时最大初动能为Ek，到达A极的最大动能为Ek′ 当A、K间所加反向电压为0.9 V时，由动能定理有 eU＝Ek 得Ek＝0.9 eV 当A、K间所加正向电压为0.9 V时，由动能定理有 eU′＝Ek′－Ek 得Ek′＝1.8 eV 由光电效应方程有Ek＝hν－W0 得W0＝2.2 eV. 【例题6】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ） A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大 B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量 C.X光散射后与散射前相比，速度变小 D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变 B 解析： 在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，则光子动量减小，但速度仍为光速C。 【例题7】(多选)下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ） A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D.康普顿效应表明光具有粒子性 CD 解析： 一切光都具有波粒二象性，光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子，A错误；电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子，B错误；光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，C正确；康普顿效应表明光具有粒子性，D正确。 1、不带电的锌板和验电器用导线相连.若用甲灯照射锌板，验电器的金属箔片不张开；若用乙灯照射锌板，验电器的金属箔片张开，如图所示，则与甲灯相比，乙灯发出的光（ ） A.频率更高 B.波长更大 C.光强更强 D.速度更大 解析：由题图可知，甲灯没有使锌板产生光电效应，但乙灯使锌板发生了光电效应，故乙灯发出的光频率更高，波长更短，光电效应发生与否与光强无关，同种介质中光的传播速度相同，故A正确，B、C、D错误. A 当堂小练 2、对光电效应现象的理解，下列说法正确的是（ ） A.当某种单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 B.若发生了光电效应且入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出的光电子数就越多 C.无论光强多强，只要光的频率小于截止频率就能产生光电效应 D.以上说法都不正确 B 解析：光电效应具有瞬时性，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔与光的照射强度无关，故A错误；在发生光电效应的情况下，频率一定的入射光的强度越强，单位时间内发出光电子的数目越多，故B正确，D错误；每种金属都有它的截止频率νc，只有入射光子的频率大于等于截止频率νc时，才会发生光电效应，故C错误. 3、用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J.已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为（ ） A.1×1014 Hz B.8×1014 Hz C.2×1015 Hz D.8×1015 Hz B 解析：设单色光的最低频率为ν0，由Ek＝hν－W0知 2、(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是（ ） A.若νa＞νb，则一定有Ua＜Ub B.若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb C.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb D.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb BC 解析：由爱因斯坦光电效应方程得，Ek＝hν－W0，由动能定理得，Ek＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同.当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝ hνa－ Eka＝ hνb－ Ekb，故选项D错误。 THANKS Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 依据波长与频率的关系λ＝，λ1＞λ2＞λ3，那么ν1＜ν2＜ν3， 根据p＝，知光子频率减小，康普顿效应说明光不但具有能量而且具有动量，揭示了光的粒子性，故A、C、D错误，B正确。 整理得ν0＝－，解得ν0≈8×1014 Hz Ek＝hν1－W0,0＝hν0－W0，又知ν1＝ $