光电效应（人教版选择性必修三）

4.2光电效应

基础导学

要点一、光电效应

(-)光电效应的实验规律

I.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。

3光电效应的实验规律

(1)存在截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不(填“能”或“不”)发生光电效应；

(2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大；

⑶存在遏止电压：使光电流减小到。的反向电压且满足嬴&2=皿；

⑷光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。

(-)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Wo表示。不同种类的金属，

其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)。

2.光电效应经典解释

(I)不应存在截止频率；

⑵遏止电压a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；

(三)爱因斯坦的光电效应理论

I.光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为丫的光的能量子为加，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：m=反+版或反=施一用)，

⑵物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是加，在这些能量中，一部分大小为Wo

的能审被电子用来脱离金属，剩卜的是逸出后电子的初动能反。

⑶G与v、Wo的关系

①表达式：a=%一学：

②图像：Uc-y图像是一条斜率为g的直线。

要点二、康普顿效应光的波粒二象性

(-)康普顿效应和光子的动量

I.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

心相同的成分外，还有波长大于人的成分，这个现象称为康普顿效应。

2.光子的动量

(1)表达式：

(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，要把一部分动量转移给

电子，光子的动量可能变小.因此，有些光子散射后波长变大。

(二)光的波粒二象性

光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性,

光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

要点突破

突破一：光电效应

1.光电效应的实验规律

(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能发生光

电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应。

(2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增

大。

(3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射

光强度成正比。

(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10-9so

2.光电效应实验相关概念的理解

(I)光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。

(2)饱和电流

金属板飞出的光电子到达汨极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋

于一个饱和值，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只

与入射光的强度有关。入射光越强，饱和电流越大。即：入射光越强，单位时间内发射的光

电子数越多。

⑶遏止电压截止频率逸出功

①遏止电压：使光电流减小到零的反向电压.用符号上表示.

计算方法：—eUc=O-Ek

遏止电压与入射光的频率有关.入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏

止电压改变.这表明光电子的能量只与入射光的频率有关。

②截止频率：能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫作该种金属的截止频率（乂

叫极限频率）.不同的金属对应着不同的截止频率。

③逸出功：电子从金属中挣脱出来，要克服金属表面层的一种力做功，电子脱离某种金属所

需做功的最小值叫作这种金属的逸出功，不同金属的逸出功不同。

3.光电效应方程&=hvWo的理解

（1）方程中的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〜氏范围内的任何数值。

（2）光电效应方程实质上是能量守恒方程。能量为£=前的光子被电子吸收，电子把这些

能量的•部分用来克服金属表面对它的吸引，另•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明，则电子离开金属表面时动能最大为瓦，根据能量守恒定律可

知：Ek=hv-W0O

（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，即氏=九一%>0，亦即v>^=vc,而”c=华恰好是光电效应

的截止频率。

4、光电效应几种图像的对比

图像名称图线形状由图线直接（间接）得到的物理量

最大初动能Ek与入射七寸①极限频率：图线与v轴交点的横坐标％

光频率v的关系图线/②逸出功：图线与a轴交点的纵坐标的绝

|/对值％二|一-二E③普朗克常量:图

~不节线的斜率k=h

-JI

颜色相同、强度不同_①遏止电压图线与横轴的交点

-----黄光（强）―

的光，光电流与电压Y仆，工，②饱和电流：电流的最大值

/Lx----黄光（弱）

的关系IX③最大初动能：Fk=eUc

upu

①能量为8=hv的光子被电子吸收，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初动能；

②如要克服吸引力做功最少为W)，则电子离开金属表面时动能最大为反,根据能最守恒定

律可知：£k=Av-Wb；

3.光子说对光电效应的解释

(1)饱和电流与光照强度的关系：同种频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射

金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大；

(2)存在截止频率和遏止电压：

①由爱因斯坦光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光强无关，所以

退止电压由入射光频率决定，与光强无关；

②若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即反=加一1%>0,亦即机中

=vc,而此=华恰好是光电效应的截止频率；

突破三：康普顿效应光的波粒二象性

(一)康普顿效应的意义：康普顿效应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。

(二)光的波粒二象性

1.光的波动性实验基础：光的干涉和衍射。

2.光的粒子性

(D实验基础：光电效应、康普顿效应；

⑵表现：①当光同物质发生作用时，这种作用是“•份•份”进行的，表现I出粒子的性质；

②少量或个别光子容易显示出光的粒子性。

1.光本性学说的发展简史

学说微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性

名称

代表牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦一

人物

实验光的直线传光的干能在真空中传播，是横光电效应、康光既有波动现象，又有粒

依据播、光的反射涉、衍射波，光速等于电磁波的普顿效应子特征

速度

内容光是一群弹光是一种光是一种电磁波光是由一份一光是具有电磁本性的物

要点性粒子机械波份光子组成的质，既有波动性，又有粒

子性

2.对光的波粒二象性的理解

项目实验基础表现说明

光的干涉和衍射（1）光子在空间各点出现的可能性大（1）光的波动性是光子本身的一种

波动小可用波动规律来描述属性，不是光子之间相互作用产生

性（2）足够能量的光在传播时，表现出的

波的性质（2）光的波动性不同于宏观观念的

波

光的光电效应、（1）当光同物质发生作用时，这种作（1）粒子的含义是“不连续”"一份

粒子康普顿效应用是“一份一份〃进行的，表现出粒子的一份”的

性性质（2）光子不同于宏观观念的粒子

（2）少品或个别光子容易显示出光的

粒子性

典例精析

题型一：光电效应

例一.如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，颜色相同的。、b两束

光分别照射1、2两种材料，光电流/随电压U变化关系如图所示，则下列说法正确的是（）

【答案】D

【解析】A.。、b两束光颜色相同，所以频率相同，故A错误；

B.饱和光电流越大，光照强度越大，所以。光的光照强度比b光的大，故B错误；

C.光电子的最大初动能为

由图可知

所以

故C错误；

D.根据爱因斯坦光电效应方程可得

所以

故D正确。

故选Do

变式迁移1：关于能量，下列说法不正确的是（）

A.普朗克提出“振动者的带电微粒的能量只能是某一最小能量值£的整数倍"，从而建立了“能

量量子化”观点

B.我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，这种辐射与温度无关

C.爱因斯坦指出“光不仅在发射和吸收时能量是一份一价的，而且光本身就是由一个不可分

割的能量子组成的〃

D.能最耗散是指耗散在环境中的内能很难被人类利用，并不违背能量守恒定律

【答案】B

【解析】A.根据“黑体幅射〃以及对黑体辐射的研究普朗克提出“振动者的带电微粒的能量只

能是某一最小能量值&的整数倍〃，从而建立了“能量量子化〃观点，A正确；

B.我们周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与温度有关，B错误；

C.爱因斯坦提出了光子的概念，指出“光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本

身就是由一个不可分割的能量子组成的”，C正确；

D.能量耗散是能量在转亿过程中有一部分以内能的膨式被周围环境吸收，遵守能量守恒定

律，但使得能量品质降低，D正确。

本题选不正确的，故选B.

题型二：康普顿效应光的波粒二象性

例二.下列说法正确的是（）

A.平均速度、瞬时速度和加速度等描述运动所需的概念是伽利略首先建立的

B.牛顿在前人研究的基础上发现了万有引力定律，并“称”出了地球的质量

C.光电效应现象由爱因斯坦发现，并对其做出了正确的解释

D.光电效应揭示了光的粒子性，证明了光子除了能量之外还具有动量

【答案】A

【解析】A.平均速度、瞬时速度和加速度等描述运动所需的概念是伽利略首先建立的。故

A正确；

B.牛顿在前人研究的基础上发现了万有引力定律，卡文迪什用试验的方法测量出万有引力

常量，第一个“称〃出了地球的质量。故B错误；

C.光电效应现象由赫兹发现，爱因斯坦对其做出了正确的解释。故c错误；

D.光电效应揭示了光的粒子性，康普顿效应证明了光子除了能量之外还具有动量。故D错

误。

故选Ao

变式迁移2：光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的方向而发生散射，康普顿

对散射的解释为（）

A.虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变

B.由于电子受碰撞后得到动量，散射后的光子频率低于入射光的频率

C.入射光引起物质内电子做受迫振动，而从入射光中吸收能量后再释放，释放出的散射光

频率不变

D.光子从电子处获得能量，因而频率增大

【答案】B

【解析】ABD.光子与电子碰撞将部分动量、能量转移给电子，动量减小，能量£减小，根

据

则频率减小，故AD错误，B正确；

C.从入射光中吸收能量后再释放，处于激发态电子释放出的散射光频率与不同轨道之间能

量差有关，故频率可能不同，故c错误。

故选Bo

强化训练

一、选择题

B.用甲、乙光分别照射时，金属的截止频率不同

C.增加乙光的强度，遏止电压U2变大

D,滑动变阻器滑片P移至最左端，电流表示数不为零

【答案】D

【解析】

AC.根据

结合

可知，遏止电压

且与光照强度无关，故AC错误；

B.金属的截止频率由金属本身的性质决定，与照射光无关，故B错误；

D,滑动变阻器滑片P移至最左端，遏止电压为零，光电子不受反向电压的作用力，电流表

示数不为零，故D正确。

故诜Do

【答案】B

【解析】

由

可知

ACD错误，B正确。

故选Bv

3、下列说法不正确的是()

A.只有温度高的物体才会有热辐射

B.黑体可以向外界辐射能量

C.黑体也可以看起来很明亮，是因为黑体也可以有较强的辐射

D.普朗克引入能量子的概念得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好,

并由此开创了物理学的新纪元

【答案】A

【解析】

A.任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，故A错误；

BC.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叫作黑体，黑体不反射电

磁波，但可以向外辐射电磁波，有此黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，故BC正确；

D.普朗克引入能量子的概念得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好,

并由此开创了物理学的新纪元，故D正确。

故选A。

4、2015年中国发射卫星“悟空〃，用来探测暗物质粒子和黑洞。黑洞是黑体的一种，关于

黑体，下列说法正确的是（）

A.外表面涂成黑色的物体就是黑体

B.黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波

C.在空腔壁上开一个很小的孔，射入孔的电磁波最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔

就成了黑体

D.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

【答案】C

【解析】

AB.黑体是能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发牛反射的物体，A、B错误：

C.在空腔壁上开一个很小的孔，射入孔的电磁波在空腔内表面发生多次反射和吸收，最终

不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就成了黑体，C正确；

D.普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常

好，并由此开创了物理学的新纪元，D错误。

故选C。

5、下列说法不正确的是'：）

A.普朗克提出能量子的概念

B.麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在

C.电磁波是一种物质，可以在真空中传播

D.变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场

【答案】B

【解析】

A.普朗克提出能量子的概念，故A正确；

B.麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，故B错误；

C.电磁波是一种物质，可以在真空中传播，故C正确；

D.变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场，故D正确。

本题选错误的，故选B,

6、电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用，下列有关电磁波的说法正确的是（）

A.微波比可见光的波长大

B.麦克斯韦证实了电磁波的存在

C.变化的电场周围一定产生电磁波

D.黑体辐射电磁波的强度与温度无关

【答案】A

【解析】

A.根据电磁波谱可知，微波比可见光的波长大，选项A正确；

B.麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证实了电磁波的存在，选项B错误；

C.均匀变化的电场周围产生稳定的磁场，而稳定的磁场周围不产生电场，不会产生电磁波，

选项C错误；

D.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，故D错误。

故选A。

7、如图甲所示，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。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。

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。现分别用蓝光、弱

黄光、强黄光照射阴极K,形成的光电流与电压的关系图像如图乙示，图中a、b、c光依次

为（）

乙

A.蓝光、弱黄光、强黄光B.弱黄光、蓝光、强黄光

C.强黄光、蓝光、弱黄光D.蓝光、强黄光、弱黄光

【答案】C

【解析】

设遏止电压为S，由动能定理

可知，对于同一种金属乂不变，遏止电压与入射光的频率有关。对于一定频率的光，无论

光的强弱如何，截止电压都是一样的，故”、c是同种颜色的光，在光的频率不变的情况下,

入射光越强，饱和电流越大，〃为强黄光，C为弱黄光。力的遏止电压最大，故。光的频率最

大，为蓝光。

故选Co

8、（2021甘肃金昌一中高三月考）如图所示为用光电管研究光电效应实验的电路图，现用

频率为匕的光照射阴极K,电流表中有电流通过，电路中的滑动变阻器的滑动触头为户。K

列说法正确的是（）

A.当P移动到a端时，电流表中一定无电流通过

B.P向b端滑动的过程，电流表示数可能不变

C.改用频率小于匕的光照射，电流表中一定有电流通过

D.改用频率大于看的光照射，电流表中可能无电流通过

答案：B

解析：当P移动到a端时，由光电效应，仍然有光电流产生，电流表中仍有电流通过，A项错

误；滑动触头向b端滑动的过程，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的

所有光电子都能到达阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动P前，光电流己经

达到饱和，则P向b端滑动的过程中，电流表示数不变，B项正确；因为不知道阴极K的截止

频率，所以改用频率小于Vi的光照射时，不一定能发生光电效应，电流表中不一定有电流通

过，C项错误；改用频率大于看的光照射时，依然能够发生光电效应，电流表中一定有电流

通过，D项错误。

9、在研究光电效应现象时，先后用两种不同色光照射同一光电管，所得的光电流/与光电管

两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是（）

A.色光乙的频率小、光强大

B.色光乙的频率大、光强大

C.若色光乙的强度减为原来的•半，无论电压多大，色光乙产生的光电流一定比色光甲产生

的光电流小

D.若另一光电管所加的正向电压不变，色光甲能产生光电流，则色光乙一定能产生光电流

答案：D

解析：由题中图像可得用色光乙照射光电管时遏止电压大，所以色光乙的频率大。由题中图

像可知，色光甲的饱和光电流大于色光乙的饱和光电流，故色光甲的光强大于色光乙的光强，

A、B项错误；如果使色光乙的强度减半，则只是色光乙的饱和光电流减小，在特定的电压

下，色光乙产生的光电流不一定比色光甲产生的光电流小，C项错误：因色光乙的频率大于

色光甲的，故另一个光电管加一定的正向电压，如果色光甲能使该光电管产生光电流，则色

光乙一定能使该光电管产牛光电流，D项iF确。

10、某氢月激光器发光的功率为P,发射频率为卜的单色光，真空中光速为c,下列说法正

确的是（）

A.激光器每秒发射的光子数为二

nv

B.每个光子的能量为〃£

V

C.该单色光在真空中的波长为上

c

D.单色光从空气进入水中后波长变大

【答案】A

【解析】A.经时间।发出的光子能量为

则激光器每秒发射的光子数为

故A正确；

B.根据爱因斯坦的儿子说可知，一个儿子的能量为

故B错误；

C.该单色光在真空中的波长为

故C错误；

故选A。

11、如图甲，合上开关，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极K,发现电流表读数不为零。

调节滑动变阻器，发现当电压表读数小