人教版高中物理选择性必修第三册第四章原子结构和波粒二象性第2节光电效应课件（50页PPT）

(共50张PPT)
[学习目标]
1.知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律。
2.知道光电效应与电磁理论的矛盾。
3.理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题。
4.了解康普顿效应及其意义，了解光的波粒二象性。
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____从表面逸出的现象。
(2)光电子：光电效应中逸出的____。
2.光电效应的实验规律
(1)存在________或极限频率νc：当入射光的频率____某一数值νc时不发生光电效应。
实验表明，不同金属的截止频率____。换句话说，截止频率与金属__________有关。
(2)存在________：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。光的频率不变时，入射光越强，饱和电流____。在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关。
这说明，对于一定频率(颜色)的光，入射光____，单位时间内发射的光电子数____。
电子
电子
截止频率
低于
不同
自身的性质
饱和电流
越大
越强
越多
同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会_____。这意味着，对于同一种金属，光电子的能量只与入射光的_____有关，而与入射光的____无关。
(4)光电效应具有______：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_____产生光电流。
遏止电压
0
初速度
改变
频率
强弱
瞬时性
立即
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____值，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小_______ (选填“相同”或“不相同”)。
(2)光电效应经典解释
①不应存在____频率。
②遏止电压Uc应该与光的强弱___关。
③电子获得逸出表面所需的能量需要的时间________实验中产生光电流的时间。
最小
不相同
截止
有
远远大于
[思考探究]
如图所示为研究光电效应的电路，用紫光照射光电管，灵敏电流计G指针未发生偏转，回答下列问题。
(1)用紫外线照射，灵敏电流计指针可能发生偏转吗？
(2)光电效应中的光电子就是光子吗？
(3)增大紫光的光照强度可以使灵敏电流计指针发生偏转吗？
(4)当用紫外线照射有光电子射出金属，不断增大电压，灵敏电流计
的指针偏角会持续增大吗？
提示　(1)可能。
(2)不是，光电子是电子。
(3)不可以。
(4)当电压增大到一定值后光电流不会持续增加，达到饱和光电流，因此灵敏电流计的指针偏角不会持续增大。
[例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
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
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，即单位时间内照在锌板上的光子数增多，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2]　(多选)利用光电管研究光电效应的实验如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则(　　)
AC
A.用紫外线照射，电流表中一定有电流通过
B.用红光照射，电流表中一定无电流通过
C.用红外线照射，电流表中可能有电流通过
D.用频率为ν的可见光照射K，当滑动变阻器的滑片移到A端时，
电流表中一定无电流通过
解析　因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A正确；因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，也可能发生光电效应，所以B错误，C正确；即使UAK＝0，电流表中也可能有电流通过，所以D错误。
(2)物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是___，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________。
hν－W0
hν
hν
初动能Ek
3.三个关系
(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。
(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止电压，即光电流刚好为0时的反向电压。
(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。
4.四类图像
图像名称 图线形状 读取信息
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像 ①截止频率(极限频率)：横轴截距
②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像 ①截止频率νc：横轴截距
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke
图像名称 图线形状 读取信息
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：横轴截距
②饱和电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
[例3]　(2025·广东深圳高二月考)如图所示，甲图为演示光电效应的实验装置，乙图为在a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线。下列说法正确的是(　　)
D
A.a、b、c三种光的频率各不相同
B.b、c两种光的光强可能相同
C.若b光为绿光，a光可能是紫光
D.图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表
的读数可能增大
解析　由光电效应方程及遏止电压与光的频率间的关系可得eUc＝Ek＝hν－W0，b、c两种光的遏止电压相同，故频率相同，a光的遏止电压较小，频率较低，A错误；光的频率不变时，最大光电流与光强成正比，对比题乙图可知，b光较强，B错误；由以上分析可知，a光频率较低，若b光为绿光，a光不可能是紫光，C错误；题图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，增大光电管两端电压，且为正向电压，电流表的读数可能增大，但不会超过饱和电流，D正确。
[例4]　(2025·江苏卷)江门中微子实验室使用我国自主研发的光电倍增管，利用光电效应捕捉中微子信息。光电倍增管阴极金属材料的逸出功为W0 ，普朗克常量为h。
(1)求该金属的截止频率ν0 ；
(2)若频率为ν 的入射光能使该金属发生光电效应，求光电子的最大初动能Ek。
[总结提升]
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→光子数目多→发射光电子多→饱和电流大。
光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。
1.康普顿效应
(1)光的散射
光可以被介质中的_________散射而_____传播方向。
(2)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______的成分，这个现象称为康普顿效应。
(3)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，深入揭示了光的______的一面。
物质微粒
改变
大于λ0
粒子性
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，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小，因此，有些光子散射后波长____。
2.光的波粒二象性
(1)光的干涉和衍射现象说明光具有______，____效应和______效应说明光具有粒子性。
变大
波动性
光电
康普顿
hν
(3)光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有_____二象性。
波粒
[易错辨析]
(1)光子发生散射后，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。( )
(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)光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子。( )
×
×
√
×
[例5]　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
[例6]　(多选)对光的认识，下列说法正确的是(　　)
A.少量光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D.光的波粒二象性可以理解为在某些场合光的波动性表现明显，在另外一些场合，光的粒子性表现明显
解析　少量光子的行为易表现出粒子性，大量光子的行为易表现出波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光传播时表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，故A、B、D正确。
ABD
1.(光电效应现象)关于光电效应，下列说法正确的是(　　)
A.光电效应是原子核吸收光子向外释放电子的现象
B.饱和电流的强度与入射光的强度有关，且随入射光强度的增强而增强
C.金属的逸出功与入射光的频率成正比
D.用不可见光照射某金属，比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大
解析　光电效应是原子吸收光子向外释放电子的现象，A错误；饱和电流的强度随入射光强度的增强而增强，B正确；逸出功与金属本身的性质有关，与外界因素无关，C错误；由于不可见光的频率有的比可见光大，有的比可见光小，由光电效应方程Ek＝hν－W0知，产生光电子的最大初动能无法比较，D错误。
B
2.(光电效应的实验规律) (多选)如图所示是研究光电效应的电路图，下列叙述正确的是(　　)
BD
A.保持光照条件不变，滑片P向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大
B.只调换电源的极性，移动滑片P，当电流表示数为零时，电压表示数为遏止电压Uc的数值
C.阴极K需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流
D.不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数会增大
3.(爱因斯坦的光电效应理论) (多选)如图是某金属在光的照射下逸出的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，由图像可知(　　)
BC
A.该金属的逸出功等于E－hν0
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为2ν0时，逸出的光电子的最大初动能为hν0
D.当入射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0得金属的截止频率等于ν0，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，逸出功等于E，则E＝W0＝hν0，故B正确，A错误；根据E′k＝2hν0－W0，而E＝W0＝hν0，故E′k＝hν0＝E，故C正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与入射光的频率是线性关系，不是成正比，所以若ν增大一倍，则光电子的最大初动能不是增大一倍，故D错误。
4.(康普顿效应和光的波粒二象性)(多选)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。关于康普顿效应，以下说法正确的是(　　)
A.康普顿效应说明光子具有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加
解析　康普顿效应说明光子具有动量，证明了光具有粒子性，B错误，A、C正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒定律和能量守恒定律，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，D错误。
AC
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[基础巩固练]
1.(2025·广西卷)已知金属铷、钾、钠、钙逸出功分别为2.13 eV、2.25 eV、2.29 eV、3.20 eV。用光子能量为2.20 eV的单色光照射这些金属的表面，能逸出光电子的金属是(　　)
A.铷 B.钾
C.钠 D.钙
解析　当光照射金属表面时，电子会吸收光的能量，若金属表面的电子吸收的能量超过逸出功，电子就能从金属表面逸出，成为光电子。由题意可知，照射这些金属的单色光的光子能量只大于金属铷的逸出功，故能逸出光电子的金属是铷，A正确。
A
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2.运用光子说对下列光电效应现象进行解释，可以得出的正确结论是(　　)
A.当光照时间增大为原来的2倍时，光电流的强度也增大为原来的2倍
B.当入射光频率增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍
C.当入射光波长增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍
D.当入射光强度增大为原来的2倍时，单位时间内产生的光电子数目也增大为原来的2倍
解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，当入射光频率增大为原来的2倍时，产生光电子的最大初动能不等于原来的2倍，当入射光波长增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能减小，光电流的强度与光照时间无关，故A、B、C错误；当入射光强度增大为原来的2倍时，单位时间内照射到金属表面的光子数是原来的2倍，所以单位时间内产生的光电子数目也增大为原来的2倍，故D正确。
D
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3.(2025·浙江宁波高二期末)如图所示为研究光电效应现象的实验装置，真空光电管的阴极K涂有一层光电材料，阳极A是金属材料。当用紫光照射阴极K时，微安表μA中能检测到光电流，下列说法正确的是(　　)
A
A.若增大紫光的光照强度，光电流一定会增大
B.若用紫光照射阳极A时，一定也有光电流
C.若换用红光照射阴极K时，一定也有光电流
D.若停止用紫光照射阴极K，能观测到光电流缓慢减小直至为0
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解析　若增大紫光的光照强度，单位时间内逸出的光电子的数量增加，光电流一定会增大，A正确；若用紫光照射阳极A时，不一定产生光电效应，因此不一定有光电流，B错误；若红光频率小于光电材料的极限频率，就不会产生光电效应，C错误；若停止用紫光照射阴极K，能观测到光电流立刻减小为0，D错误。
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4.(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是(　　)
A.保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和电流变大
B.入射光的频率变高，饱和电流变大
C.入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D.保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
解析　产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和电流越大，选项A正确；饱和电流大小与入射光的频率无关，选项B错误；光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，选项C正确；减小入射光的频率，若低于极限频率，则不能发生光电效应，没有光电流产生，选项D错误。
AC
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5.(多选)图中四幅图涉及光的粒子性和波动性，其中说法正确的是(　　)
BD
A.图甲的光电效应实验说明光具有波粒二象性
B.图乙说明，在光电效应中，同一单色入射光越强，饱和电流越大
C.图丙的“泊松亮斑”说明光具有波动性，是光通过小圆孔时发生衍射形成的
D.图丁的康普顿效应表明光子具有动量，揭示了光的粒子性的一面
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解析　题图甲的光电效应实验说明光具有粒子性，选项A错误；题图乙中，黄光的强度越大，饱和电流越大，即说明在光电效应中，同一单色入射光越强，饱和电流越大，选项B正确；题图丙的泊松亮斑说明光具有波动性，是光通过小圆盘时发生衍射形成的，选项C错误；题图丁的康普顿效应表明光子具有动量，揭示了光的粒子性的一面，选项D正确。
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6.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
A.将开关S断开，也会有电流流过电流表
B.将滑动变阻器的滑片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
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；将滑动变阻器的滑片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。
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[能力提升练]
7.(2025·广东卷)有甲、乙两种金属，甲的逸出功小于乙的逸出功。使用某频率的光分别照射这两种金属，只有甲发射光电子，其最大初动能为Ek，下列说法正确的是(　　)
A.使用频率更小的光，可能使乙也发射光电子
B.使用频率更小的光，若仍能使甲发射光电子，则其最大初动能小于Ek
C.频率不变，减弱光强，可能使乙也发射光电子
D.频率不变，减弱光强，若仍能使甲发射光电子，则其最大初动能小于Ek
B
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解析　光电效应发生的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，由于甲的逸出功小于乙的逸出功，所以甲的极限频率小于乙的极限频率，当使用某频率的光分别照射甲、乙时，只有甲发射光电子，发生光电效应现象，所以该光的频率大于甲的极限频率，小于乙的极限频率，故使用频率更小的光，乙肯定不会发射光电子，若频率更小的光的频率仍大于甲的极限频率，则甲仍能发射光电子，由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν －W0可知，甲发射的光电子的最大初动能小于之前的最大初动能，A错误，B正确；由A、B项分析可知，频率不变，减弱光强，光的频率仍小于乙的极限频率，仍不能使乙发射光电子，C错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν －W0可知，频率不变，减弱光强，甲发射的光电子的最大初动能不变，D错误。
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8.(2025·山东济宁高二期中)(多选)如图所示为金属A和B的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图像，由图可知(　　)
AD
A.金属A的逸出功小于金属B的逸出功
B.金属A的截止频率大于金属B的截止频率
C.图线的斜率为普朗克常量
D.如果用频率为5.5×1014 Hz的入射光照射两种金属，从金属A逸出的光电子的最大初动能较大
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9.用频率为ν的单色光照射阴极K时，能发生光电效应。下面关于光电效应常见的四个图像说法正确的是(　　)
D
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[拓展培优练]
10.(2025·河北卷)光纤光谱仪的部分工作原理如图所示。待测光在光纤内经多次全反射从另一端射出，再经棱镜偏转，然后通过狭缝进入光电探测器。
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答案　(1)60°　(2)1.5×1014 Hz