第2节 光电效应 教学设计

第2节光电效应

［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.知道光电效应中极限频率的概念及其与光的电磁理论的矛盾。

3.知道光子说及其对光电效应的解释。

4.掌握爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题。

5.了解康普顿效应，知道光子不仅具有能量，而且具有动量。

6.理解光的波粒二象性。

新知初探必备知识•素养奠基夯实基础

知I识I梳I理

知识点1光电效应的实验规律

1.光电效应的定义：照射到金属表面的光，能使金属中的电了•从表面逸出，

这个现象称为光电效应。这种电子常称为光电工。

2.光电效应的实验规律

(1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值心时，光电流消失，这表

明没有光电流了，L称为截止频率或极限频率。

(2)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，表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。

(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压&称为遏止电压。遏止电

压的存在意味着光电子具有一定的初速度。

初速度的上限让满足3WeVc=eUco

(4)光电效应具有瞬时性：精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几

乎是瞬时发生的。

知识点2光电效应经典解释中的疑难

1.逸出功：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。

2.光电效应中的一些重要现象无法用经典电磁理论解释。

知识点3爰因斯坦的光电效应理论

I.光子：比本身就是由一个个不可分割的能量工组成的，频率为v的光的能

量子为近，这些能量子称为光子。

2.光电效应方程

(1)对光电效应的说明

在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是皿，在这些能量中，

一部分用来克服金属的逸出功的,另一部分为光电子的初动能功。

(2)光电效应方程

Ek=hv—Wbo

3.对光电效应规律的解释

(1)只有当加〉Wo时,才有光电子逸出，八=竽就是光电效应的截止频率。

(2)光电子的最大初动能与人射光频密有关，与光的强慰无关。

(3)电子•次性吸收光子的全部能量,丕需要积累能量的时间。

(4)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。

［判一判］

I.(1)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。()

(2)“光子”就是“光电子”的简称。()

提示：⑴义(2)X

知识点4康普顿效应和光子的动量

1.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，

除了与入射波长加相同的成分外，还有波长大于2。的成分,这个现象称为康普顿

效应。

2.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。

3.光子的动量

⑴表达式：P=§一。

(2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中电子碰撞时，要把一部分

动量转移给电子，光子的动量可能会变小。动量p减小，意味着波长2变大，因

此，有些光子散射后波长变太。

知识点5光的波粒二象性

在麦克斯韦的电磁理论建立之后，人们认识到光是一种电磁波,从而光的波

动说被普遍接受。而爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些

方面确实会表现得像是由一些粒子（即一个个有确定能量和动量的“光子”）组成

的。也就是说，光电效应和康普顿效应重新揭示了光的粒壬性。人们意识到，光

既具有波动性,又具有粒子性。换句话说，光具有波粒二象性。

［判一判］

2.（1）光子发生散射时，其动量大小发生变亿，但光子的频率不发生变化。

（）

（2）光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子。（）

提示：⑴X（2）X

基I础I自I测

1.（对光电效应规律的理解）关于光电效应，下列说法正确的是（）

A.光子与光电子的本质都是电子

B.光电效应现象表明光具有波动性

C.只要入射光的频率大于金属的截止频率，就能发生光电效应现象

D.用相同频率的光照射不同的金属表面，发生光电效应时逸出的光电子最

大初动能相同

解析：选C。能量子又称为光子，是量子化的能量单位，光电子本质是电子，

故A错误；光电效应现象表明光具有粒子性，故B错误；只要入射光的频率大于

金属的截止频率，就能发生光电效应现象，故C正确；根据光电效应方程Ekm=/W

一Wb可知光电子的最大初动能Ekm由逸出功Wo与入射光顼率V共同决定，逸出

功与金属材料有关，不同金属的选出功不同，所以最大初动能不同，故D错误。

2.（对光电效应的考森）（多选）如图所示，一验电器与锌板用导线相连，用紫

外线光源照射锌板时，验电器指针发生了偏转，下列判断正确的是（）

锌板□

验电器

A.此时锌板带正电

B.紫外线越强，验电器的指针偏角越大

C.改用红外线照射锌板，验电器的指针一定会偏转

D.改用紫光照射锌板，可能会发生光电效应

解析：选ABD。用紫外灯照射锌板时，验电器指针发生了偏转，知发生了光

电效应，电子从锌板中逸出，此时锌板失去电子带正电，A正确；紫外光越强，

单位时间内逸出的光电子数目越多，则所带电荷量越大，则脸电器的指针偏角越

大，B正确；因为红外线的频率小于紫外线的频率，用红外线照射，不一定产生

光电效应，C错误；当照射光的频率大于金属板的极限频率时，可以产生光电效

应。已知紫外线照射光源产生光电效应，则紫外线的频率大于金属板的极限频率。

同时紫外线的频率大于紫光的频率，无法比较紫光频率和金属板极限频率的关系，

紫光照射锌板，可能会发生光电效应，D正确。

3.（光电效应方程）某种单色光的频率为v,用它照射某种金属时，在逸出的

光电子中动能最大值为Ek，则这种金属的逸出功和截止频率分别是（）

.,Ek

A.hv-Erkiv一1

B.Ek~h\h丫+牛

C.6+£k,口―微

D.Ek+D,v+r-

解析：选A。根据光电效应方程得，VVo=Av-Ek,根据1%=加2知截止频率

WoEk

VC=~=V~T°

4.（康普领效应）科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时,

光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为九碰撞后的波

长为X,则碰撞过程中（）

A.能量守恒，动量守恒，且a=无

B.能量不守恒，动量不守恒，且％=/

C.能量守恒，动量守恒，且2V/

D.能量守恒，动量守恒，且

解析：选C。能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也

适用于微观世界。光子与电子碰撞时遵循这两个守恒规律。光子与电子碰撞前光

子的能量E=hv=h^当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光

A

子的能量七‘=加三/?/-,由E>E,可知久〈乃，C正确。

核心突破关键能力•素养形成重难释疑

探究一对光电效应规律的理解

重I难I整I合

1.光电效应的基本概念

(1)光电效应：金属在光(包括可见光和不可见光)的照射下，向外逸出电子的

现象。

(2)光电子：光电效应中发射出来的电子。

2.理解光电效应规律的四个角度

(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人射光的强度无关，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lO^So

3.光电效应与经典电磁理论的矛盾

(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关。

按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压

与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。

(2)矛盾之二：存在截止频率。

按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得

足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的

截止频率，入射光频率大于等于截止频率时才会发生光电效应。

(3)矛盾之三：具有瞬时性。

按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能

获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎都

是瞬时发生的。

典I例I引I领」

［例1］(2021•河北武强中学高二期中)关于光电效应，下列说法正确的是

()

A.光电流随入射光频率的增大而增大

B.光电子的最大初动能越大，光电流就越大

C.光子本身所具有的能量取决于光子本身的频率

D.用频率是口的绿光照射某金属发生了光电效应，则改用频率是吸的红光

照射该金属就一定不发生光电效应

［解析］在发生光电效应的前提下，光电流随入射光强度的增大而增大，A

错误；光电子的最大初动能越大，遏止电压就越大，B错误；根据光子说，光子

本身所具有的能量取决于光子本身的频率，C正碗：用频率是的绿光照射某金

属发生了光电效应，则改用频率是门的红光照射该金属不一定不发生光电效应，

根据极限频率与红光频率的关系才能确定，D错误。

［答案］C

【例2］利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为v的可见光照

射阴极K,电流表中有电流通过，则()

A.用紫外光照射，电流表不•定有电流通过

B.用红外光照射，电流表一定无电流通过

C.用频率为u的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电

流表中一定无电流通过

D.用频率为u的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头向8端滑动时，

电流表示数可能不变

［解析］因紫外光的频率比可见光的频率高，所以用紫外光照射时，电流表

中一定有电流通过，A错误；因不知阴极K的截止频率，所以用红外光照射时，

也可能发生光电效应，B错误；即使UAK=O,电流表中也可能有电流通过，C错

误；当滑动触头向B端滑动时，UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电

流会增大，当所有光电子都到达阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流：若在

滑动前，电流已经达到饱和电流，那么即使增大UAK,光电流也不会增大，D正

确。

［答案］D

［针对训练1］光电效应实验中，下列表述正确的是（）

A.金属的逸出功与入射光的频率有关

B.入射光足够强就会有光电流

C.遏止电压与入射光的频率成正比

D.入射光频率大于极限频率才能产生光电效应

解析：选D。金属的逸出功是由金属本身决定的物理量，与入射光的频率无

关，A错误：能否发生光电效应是由光的频率决定的，与入射光的强度无关，B

错误；根据/m看=加一卬共功可知，遏止电压随入射光的频率增大而增大，

但不是成正比，C错误；根据光电效应的规律可知，入射光频率大于极限频率才

能产生光电效应，D正确。

探究二光电效应方程的埋解及应用

【问题导引】

1.不同频率的光照射到同一金属表面发生光电效应时，光电子的初动能是否

相同？

2.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比吗？

提示：1.由于同一金属的逸出功相同，而不同频率的光的光子能量不同，由

光电效应方程可知，发生光电效应时，逸出的光巨子的初动能是不同的。

2.不成正比。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比

关系。

重I难I整I合

1.对光电效应方程反=加一版的四点理解

(1)式中的瓦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。〜以范围内的任何数值。

(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程。能量为E=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

金属表面时的动能，如果克服吸引力做功最少为Wo,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=hv—Wo>

(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

U4)1%

最大初动能必须大于零，即Ek=hy-W()>0,亦即=%,而vc=-^-

恰好是光电效应的截止频率。

(4)Ekm-V曲线。光电子最大初动能£km随入射光频率卜的变化曲线如图所示。

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。

2.光电效应规律中的两条线索、两个关系

⑴两条线索

照射光｛强度一般若每阚光源发射的光子数一

［频率——决定着每个光子的能微--------

光电子［每秒钟逸出的光电子数一决定着光电流的大小

光电子逸出后的岐大初动能---2

IymvB--------

(2)两个关系

光强大一光子数目多一发射光电子多一光电流大；

光子频率高f光子能量大一产生光电子的最大初动能大。

典I例I引I领

【例3】用波长为2和%的光照射同一种金属，分别产生的速度最快的光电

子速度之比为3：1,普朗克常量和真空中光速分别用〃和c表示，那么下列说法

正确的有（）

A.该种金属的逸出功为与

B.该种金属的逸出功为华

C.波长超过42的光都不能使该金属发生光电效应

D.波长超过”的光都不能使该金属发生光电效应

I解析］根据光电效应方程可知

12

2加W逸出功

12_hc

2—3夭一卬这出功

其中Vml:-m2=3：1

解得W遣出功=$,A错误，B正确；因为波长为4,的光恰能使金属发生光

电效应，则波长超过42的光都不能使该金属发生光电效应，C正确，D错误。

［答案］BC

【例4】

如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极，发现

电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V

时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。

由此可知阴极材料的逸出功为（）

A.1.9eVB.0.6eV

C.2.5eVD.3.1eV

I解析］设能量为2.5eV光子照射时，光电子的最大初动能为;力2,阴极材

料的逸出功为卬，据爱因斯坦光电效应方程有：7；mv2=hv-W®

题图中光电管上加的是反向电压，据题意，当反向电压达到U=0.6V以后，

具有最大初动能的光电子也不能到达阳极，因此eU=^mv2@

由①②式得W=hv-eU=2.5eV-0.6eV=1.9eV,故A正确。

［答案］A

［针对训练2］在如图所示的光电效应现象中，光电管阴极K的极限频率为

阳，现用频率为忧心⑷）的光照射在阴极上，若在A、K之间加一数值为U的反向

电压时，光电流恰好为零，则下列判断错误的是（）

A.阴极材料的逸出功等于

B.有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为eU

C.有光电子逸出，且光电子的最大初动能可表示为万，一/四）

D.无光电子逸出，因为光电流为零

解析：选D。阴极材料的逸出功卬o=/m）,A正确；由于入射光的频率丫>如,

则能发生光电效应，有光电子逸出，D错误；但是A、K间加的是反向电压，电

子飞出后要做减速运动，当速度最大的光电子减速到A端速度为零时，光电流恰

好为零，由动能定理得：一eU=O—Ekm,则Ekm=eU,B正确；由爱因斯坦光电

效应方程：Ekm=/?V—Wo>可得E1km=〃U—/”0,C正确。

探究三康普顿效应和光的波粒二象性

重I难I整I合

I.康普顿效应的解释

假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有

能量£="而且还有动量。如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，

光子把部分动量转移给了电子，动量由减小为夕，因此〃减小，波长增大。

电子q

碰撞前碰撞后

2.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。

3.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

①实验基础：光电效应、康普顿效应。

②表现：当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出

粒子的性质；少量或个别光子容易显示出光的粒子性。

③说明：粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；光子不同于宏观观念的粒

子。

典I例I引I领J

［例5］康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量。如图，给出了

光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向运动，

并且波长（选填“不变”“变短”或“变长”）。

•••—♦A一।旷4•••••2

光子电子个、3

碰前碰后

［解析］因光子与电子在碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的

总动量的方向与光子碰前动量的方向一致，可见碰后光子运动的方向可能沿1方

向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，

由知，频率变小，再根据c=人知，波长变长。

［答案］1变长

【例6】（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

［解析］一切光都具有波粒二象性，光的有些行为（如干涉、衍射）表现出波动

性，光的有些行为（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。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但

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。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，故C、D正确，A、B错误。

［答案］CD

.................至与楚受分层演练•素养达标由强*立.............

1.（多选）关于光的波粒二象性的理解正确的是（）

A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性

B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子

C.高频光是粒子，低频光是波

D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显

著

解析：选ADo大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表

现出粒子性，故A正确；光在传播时有时看成粒子有时可看成波，故B不正确；

高频光波长短，光的粒子性显著，低频光波长长，光的波动性显著，故C不正确；

波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著，故D

正确。

2.研究光电效应规律的实验电路如图所示，电源的两个电极分别与接线柱c、

c/连接。用一定频率的单色光。照射光电管时，灵敏电流计G的指针会发生偏转,

而用另一频率的单色光b照射该光电管时，灵敏电流计G的指针不偏转。下列说

法不正确的是（）

霹A卜

光电管©

ooI

A.。光的频率一定大于。光的频率

B.用〃光照射光电管时，一定没有发生光电效应

C.电源正极可能与。接线柱连接

D.若灵敏电流计的指针发生偏转，则电流方向一定是由d-G-/

解析：选B。由于电源的接法不知道，所以有两种情况：（1）。接负极，〃接

正极：单色光〃频率大于金属的截止频率，匕光的频率小于金属的截止频率，所

以。光的频率一定大于人光的频率。（2）c接正极，d接负极：a、两光可能都发

生光电效应，。光产生的光电子能到达负极而光产生的光电子不能到达负极，。

光产生的光电子的最大初动能大，所以。光的频率一定大于力光的频率，故A、

C正确，不符合题意；B错误，符合题意；电流的方向与负电荷定向移动的方向

相反，若灵敏电流计的指针发生偏转，则电流方向一定是由d-G-A故D正确，

不符合题意。

3.人们利用光电效应原理制作了紫外光电管，来对油库等重要场所进行火灾

报警，其工作电路如图。只有当明火中的紫外线照射到K极时，电流表有示数同

时报警装置启动。已知太阳光中紫外线波长在3.0X1。-7〜4.0X10rm之间，而

明火中的紫外线波长在2.0X107〜2.7XICT?m之间，下列说法正确的是（）

A.通过电流表的电流是由。到d

B.只有明火照射时间足够长，电流表才会有示数

C.可以通过图中电流表示数的变化监测火情的变化

D.为避免太阳光中紫外线干扰，K极材料的极限频率应大于1.5Xl（）i5Hz

解析：选C。光电子是从c到d通过电流表，而电流方向与电子定向移动方

向相反，则通过电流表的电流是由4到c,故A错误；光电效应具有瞬时性，只

要明火中的紫外线照射到K极，电流表就有示数，故B错误；若火情变大，则明

火中会有更多且更高频率的紫外线照射到K极上，将■有更多的光电子运动到A极

板，形成更大的光电流，电流表示数变大，反之，则电流表示数变小，所以可以

通过图中电流表示数的变化监测火情的变化，故C正确；当发生明火时，需要启

动报警装置，根据c=，■可知，明火中的紫外线频率主要在1.1X1（）15〜isX1（）15Hz

之间，则K极材料的极限频率应大于1.1义1（）15故D错误。

4.（多选）如图所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计

中没有电流通过。其原因可能是（）