2026年高考物理大一轮复习讲义 第十六章 第83课时 光电效应

考情分析试题情境生活实践类医用放射性核素、霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等学习探究类光电效应现象、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等第83课时光电效应目标要求1.掌握黑体辐射的定义及其实验规律，理解能量量子化的意义。2.理解光电效应现象及光电效应的实验规律。会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量。3.会分析光电效应常见的三类图像。考点一黑体辐射能量子1.热辐射(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫作热辐射。(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度不同而有所不同。2.黑体、黑体辐射的实验规律(1)黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。(2)黑体辐射的实验规律①黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。②随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图。3.能量量子化(1)能量子：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h被称为普朗克常量。h＝6.62607015×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。4.光子(1)光子及光子能量：爱因斯坦认为，光本身是由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子ε＝hν，称为光子。(2)光子的动量：①康普顿认为，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。三者关系为p＝hλ②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，光子动量可能会变小，波长λ变大。1.黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波。(×)2.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较短的方向移动。(√)3.玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说。(×)4.微观粒子的能量是量子化的，即微观粒子的能量是分立的。(√)例1(2023·江苏卷·14)“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：(1)每个光子的动量p和能量E；(2)太阳辐射硬X射线的总功率P。答案(1)hλhcλ(2解析(1)由题意可知每个光子的动量为p＝h每个光子的能量为E＝hν＝hc(2)太阳辐射的硬X射线光子以球面波的形式均匀地向各个方向辐射，以太阳为球心，半径为R的球面上每平方米面积上接收到的光子数相同，太阳每秒辐射光子的总能量E总＝P①面积为S的镜头每秒接收到的辐射光子的能量E1＝S4πR2·E总＝又E1＝Nhν＝Nhcλ③联立①②③解得P＝4πR球面辐射模型设一个点光源或球光源辐射光子的功率为P0，它以球面波的形式均匀向外辐射光子，在一段很短的时间Δt内辐射的能量E＝P0·Δt，到光源的距离为R处有个正对光源的面积为S的接收器，如图所示，则在Δt内接收器接收到的辐射光子能量E'＝S4πR2E考点二光电效应1.光电效应及其规律(1)光电效应现象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称为光电效应，这种电子常称为光电子。(2)光电效应规律①每种金属都有一个截止频率νc，也称作极限频率，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能产生光电效应。②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s。④当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，逸出的光电子数越多，饱和电流越大，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。2.爱因斯坦光电效应方程表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(1)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。(2)逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值叫作这种金属的逸出功，逸出功W0与金属的截止频率的关系为W0＝hνc。(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。Ek＝12mevc2，可以利用光电管实验的方法测得，最大初动能与遏止电压Uc的关系为Ek＝1.光子和光电子都不是实物粒子。(×)2.用紫外线灯照射锌板，验电器箔片张开，此时锌板带正电；若改用红光照射锌板，发现验电器箔片不张开，说明红外线的频率小于锌的截止频率。(√)3.只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应。(×)4.要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于或等于该金属的逸出功。(√)5.光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。(×)例2(多选)(2024·黑吉辽·8)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器，用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则()A.该金属逸出功增大B.X光的光子能量不变C.逸出的光电子最大初动能增大D.单位时间逸出的光电子数增多答案BD解析金属的逸出功是金属的自身固有属性，仅与金属自身有关，增加此X光的强度，该金属逸出功不变，故A错误；根据光子能量公式ε＝hν可知增加此X光的强度，X光的光子能量不变，故B正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0，可知增加此X光的强度，逸出的光电子最大初动能不变，故C错误；增加此X光的强度，单位时间照射到金属表面的光子变多，则单位时间逸出的光电子数增多，故D正确。例3(九省联考·河南·16)某光源包含不同频率的光，光的强度与频率的关系如图所示。表中给出了一些金属的截止频率νc，用该光源照射这些金属。则()金属νc/(×1014Hz)铯4.69钠5.53锌8.06钨10.95A.仅铯能产生光电子B.仅铯、钠能产生光电子C.仅铯、钠、锌能产生光电子D.都能产生光电子答案C解析根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0金属的逸出功为W0＝hνc由题图可知光源中光的频率范围为1.5×1014Hz≤ν≤9×1014Hz则仅铯、钠、锌能产生光电子。故选C。例4铝的逸出功是4.2eV，现在用波长为200nm的光照射铝的表面，取元电荷e＝1.60×10－19C，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，真空中光速c＝3×108m/s，求：(结果均保留1位有效数字)(1)光电子的最大初动能；(2)遏止电压；(3)铝的截止频率。答案(1)2eV(2)2V(3)1×1015Hz解析(1)入射光子的能量ε＝hν＝hc得ε≈6.2eV，由光电效应方程Ek＝hν－W0，得Ek＝2eV(2)由Ek＝eUc，得Uc＝2V(3)由W0＝hνc，得νc≈1×1015Hz。光电效应的分析思路考点三光电效应中常见的三类图像1.Ek－ν图像(1)写出最大初动能Ek与入射光频率ν的关系式：Ek＝hν－W0＝h(ν－νc)。(2)由图像获得的信息：①图线与ν轴交点的横坐标：截止频率νc。②图线与Ek轴交点坐标的绝对值：逸出功W0。③图线的斜率：普朗克常量h。2.Uc－ν图像(此时两极间接反向电压)(1)写出遏止电压Uc与入射光频率ν的关系式Uc＝he(ν－νc)(2)由图像获得的信息：①图线与横轴交点的坐标：截止频率νc。②图线的斜率k＝he3.光电流I与电压的关系(用同一光电管做实验)(1)甲、乙两种色光比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek甲＝Ek乙，两色光频率ν甲＝ν乙，两种色光对应的截止频率νc甲＝νc乙，两种色光强度关系为甲光较强。(2)丙、丁两种色光的比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek丙<Ek丁，两色光频率ν丙<ν丁；两种色光对应的截止频率νc丙＝νc丁。例5(多选)(2025·山东济宁市校考)在研究甲、乙两种金属光电效应现象的实验中，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，则()A.两条图线与横轴的夹角α和β可能不相等B.若用同种频率的光照射这两种金属均能发生光电效应，则甲的遏止电压大于乙的遏止电压C.若某一频率的光可以使乙金属发生光电效应，则一定也能使甲金属发生光电效应D.甲金属的逸出功小于乙金属的逸出功答案BCD解析由光电效应方程有Ek＝hν－W0，可知Ek－ν图像的斜率为普朗克常量，所以两图像的斜率一定相等，即α和β一定相等，故A错误；由Ek＝hν－W0＝h(ν－νc)可知，图像与横坐标的交点为截止频率，则甲的截止频率小，又因为W0＝hνc，所以甲的逸出功小，用同种光照射两种金属发生光电效应，则甲的光电子的最大初动能大，由因为eUc＝Ek，所以甲的遏止电压大于乙的遏止电压，故B、D正确；由上述分析可知，甲的截止频率小，所以当乙可以在某一频率的光照射下发生光电效应时，该光也一定可以使甲发生光电效应，故C正确。例6(2024·山东威海市检测)图甲为研究光电效应的实验装置，用不同频率的单色光照射阴极K，正确操作下，记录相应电表示数并绘制如图乙所示的Uc－ν图像，当频率为ν1时绘制了如图丙所示的I－U图像，图中所标数据均为已知量，则下列说法正确的是()A.饱和电流I0与K、A之间的电压有关B.测量遏止电压Uc时，滑片P应向b移动C.阴极K的逸出功W0＝eD.普朗克常量h＝U答案C解析饱和电流只与入射光的强度有关，与外加电压无关，故A错误；测量遏止电压Uc时，光电管应接反向电压，滑片P应向a移动，故B错误；根据光电效应方程Ek＝hν－W0，根据动能定理eUc＝Ek，整理得Uc＝heν－W0e，则Uc－ν图像的斜率为k＝he＝Uc2-Uc1ν2-ν1，解得普朗克常量h＝(Uc2-Uc1)eν2-ν1，故D错误；根据课时精练(分值：60分)1~6题每小题5分，共30分1.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是()答案A解析黑体辐射的特点是：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故选A。2.关于光电效应，下列说法正确的是()A.截止频率越大的金属材料逸出功越大B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能发生光电效应C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小D.发生光电效应时，入射光的频率一定，入射光越强，单位时间内逸出的光电子数就越少答案A解析逸出功W0＝hνc，W0∝νc，A正确；只有照射光的频率大于或等于金属截止频率，才能发生光电效应，与光照的时间无关，B错误；由光电效应方程Ek＝hν－W0知，最大初动能与入射光的频率和金属逸出功两个因素有关，入射光频率ν不确定时，无法确定Ek与W0的关系，C错误；发生光电效应的前提下，入射光的频率一定时，入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，D错误。3.(2025·山东泰安市检测)如图甲所示的电路，可用于研究光电效应中光电流大小与照射光的强弱、频率等物理量的关系。图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调。分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示。由图可知()A.研究遏止电压时，电源左端应为负极B.单色光b光子的能量小于单色光a光子的能量C.单色光b的频率小于单色光a的频率D.单色光a和c的频率相同，但a光强度更强些答案D解析光电子从K极逸出，研究遏止电压时，A极板应带负电，所以电源右端应为负极，A错误；根据－eUc＝0－Ekm，Ekm＝hν－W0，可知遏止电压越大，光的频率越大，根据ε＝hν可知，频率越大，光子能量越大，所以b光的频率大，光子能量大，B、C错误；单色光a和c照射时遏止电压相等，所以两光的频率相同，但在相等电压下，a光照射的光电流大，说明单位时间内光电子数多，光照强度大，D正确。4.(2024·山东滨州市检测)用如图所示电路研究光电效应现象，A、K两个电极密封在真空玻璃管中。先后用频率为ν1、ν2的入射光照射K极，电压表测出遏止电压分别为Uc1和Uc2，下列说法正确的是()A.光电子在K、A间做加速运动B.普朗克常量h＝eC.增大入射光的强度，K极金属的逸出功也增大D.当微安表示数最大时，电压表示数即为遏止电压答案B解析题图中阴极K跟电源正极相连，则静电力向右，即光电子在K、A间做减速运动，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程eUc1＝hν1－W0，eUc2＝hν2－W0，联立解得普朗克常量为h＝e(Uc1-Uc2)5.(2024·山东淄博市模拟)人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。普朗克常量为6.63×10－34J·s，光速为3.0×108m/s，则人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是()A.2.3×10－18W B.3.8×10－19WC.7.0×10－10W D.1.2×10－18W答案A解析因每秒有6个绿光的光子射入瞳孔眼睛就能察觉，所以察觉到绿光所接收到的最小功率P＝Et，式中E＝6ε，又因为ε＝hν＝hcλ，可解得P＝6hcλt＝6×6.63×10-34×3.0×106.(2025·山东泰安市肥城市质检)如图所示为研究光电效应的装置，当分别利用波长为2λ、λ的单色光照射锌板时，从锌板表面逸出的光电子的最大初速度之比为1∶3，电流计的示数均不为零。已知单色光在真空中的传播速度为c，普朗克常量为h，则()A.锌板的极限频率为9B.用波长为2λ的光照射锌板时，电流计的示数较大C.用波长为3λ的单色光照射锌板时，定能从锌板表面逸出光电子D.用波长为2λ、λ的单色光分别照射锌板时，二者遏止电压之比为1∶9答案D解析波长为2λ、λ的单色光的能量分别为E1＝hc2λ，E2＝hcλ，由爱因斯坦光电效应方程可知Ekm1＝hc2λ－W0，Ekm2＝hcλ－W0，又从锌板表面逸出的光电子的最大初速度之比为1∶3，知光子最大初动能之比为1∶9，由以上可解得W0＝7hc16λ，所以锌板的极限频率νc＝W0h＝7c16λ，故A错误；电流计的示数与光电流的大小有关，单位时间内逸出的光电子数目越多，光电流越大，而单位时间内逸出的光电子数与光的强度有关，由于光的强度关系未知，所以无法判断电流计的示数大小，故B错误；波长为3λ的单色光的频率为ν＝c3λ<7c16λ，因此该光不能使锌板产生光电效应现象，即不能从锌板表面逸出光电子，故7~9题每小题6分，10题12分，共30分7.(2024·海南卷·8)利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关，使S接1，用频率为ν1的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U1，已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是()A.其他条件不变，增大光强，电压表示数增大B.改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为U1C.其他条件不变，使开关S接2，电流表示数仍为零D.光电管阴极材料的截止频率νc＝ν1－e答案D解析当开关S接1时，由爱因斯坦光电效应方程得eU1＝hν1－W0，故其他条件不变时，增大光强，电压表的示数不变，故A错误；改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，而金属的逸出功不变，故遏止电压变大，即此时电压表示数大于U1，故B错误；其他条件不变，使开关S接2，此时hν1>W0，可发生光电效应，故电流表示数不为零，故C错误；根据爱因斯坦光电效应方程得eU1＝hν1－W0，其中W0＝hνc，联立解得光电管阴极材料的截止频率为νc＝ν1－eU1h8.(2024·山东威海市检测)如图甲，A和B两单色光，以适当的角度向半圆形玻璃砖射入，出射光线都从圆心O沿OC方向射出，且这两种光照射同种金属，都能发生光电效应。那么在光电效应实验中(如图乙所示)，调节这两束光的强度并分别照射相同的光电管，实验中这两束光都能在单位时间内产生相同数量的光电子，实验所得光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线分别以A、B表示，则下列图中可能正确的是()答案D解析由光路的可逆性可知，单色光A的偏折程度较大，其折射率较大，频率较高，由Ekm＝hν－W0，又eUc＝Ekm，联立解得Uc＝hνe－W