1、第第 1 1 节节 光电效应及其解释光电效应及其解释 核心 素养 物理观念 科学思维 科学态度与责 任 1.了解光电效应和光电效应的实 验规律及应用。 2.理解光子说， 掌握爱因斯坦光电 效应方程，并能利用它解决光电 效应的有关问题。 3.理解光的波粒二象性， 了解光是 一种概率波。 1.理解光电效应 实验规律与波动 理论的矛盾。 2.能用爱因斯坦 光子理论对光电 效应的实验规律 进行解释。 了解光电效应 在自动化控制 和光电成像等 领域的应用。 知识点一 光电效应 1.光电效应现象 在光的照射下电子从物体表面逸出的现象称为光电效应， 这种逸出的电子称为光 电子。 2.光电效应实验规律 (1)
2、当入射光的频率低于某一频率时，光电流消失，不会产生光电效应，这一频 率称为极限频率。极限频率与金属的种类有关。只有当入射光的频率大于或等于 极限频率，才会产生光电效应；若入射光的频率小于极限频率，即使增加光的强 度或照射时间，也不能产生光电效应。 (2)从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常在 10 9 s 内。 (3)产生光电效应时，在光照强度不变的情况下，光电流随电压的增大而增大， 当电流增大到一定值后，即使电压再增大，电流也不再增加，达到一个饱和值， 即为饱和电流。在光频率不变的情况下，入射光越强，单位时间内逸出的电子数 也越多，饱和电流越大。 (4)如果施加反向电压，当反
3、向电压大于某一值时，光电流为零，这一电压值称 为遏止电压。遏止电压 Uc与光电子最大初动能满足的关系为：eUc1 2mv 2 m。光 电子最大初动能与入射光的频率有关， 与入射光的强度无关。 入射光的频率越高， 光电子的最大初动能越大。 思考判断 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。() (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。() (3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关。() 不同金属的极限频率一般不同。 入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。 研究光电效应的电路图 知识点二 光电效应的解释与应用 1.光电效应的理论解释 (1)光子说：光是由数量有限
4、的、分立的光子组成的，每一个光子的能量 h。 (2)爱因斯坦光电效应方程 表达式：hW1 2mv 2。 各量的意义：h 为一个光子的能量，W 为金属的逸出功，1 2mv 2 为电子离开金 属表面的最大初动能。 2.光电效应的应用 (1)光电开关：控制电路的接通或断开。 (2)光电成像：原理是利用光电效应将光信号转化成电信号，然后再将电信号转 化成光信号。例如：红外线成像。 思考判断 (1) 爱因斯坦认为光的能量是一份一份的。() (2)逸出功的大小与入射光无关。() (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。() 爱因斯坦认为在空间传播的光是不连续的， 而是一份一份的， 每一份的能量为h。
5、 爱因斯坦光电效应方程实质上是能量守恒方程， 电子吸收的光子的能量一部分用 来克服引力做功，另一部分以动能的形式体现。 电子从金属中逸出所需克服束缚而消耗的能量的最小值为逸出功， 从金属表面逸 出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能。 知识点三 光的波粒二象性 1.光具有波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征。 2.光波是一种概率波。通过双缝后，光子出现在哪个位置，受概率支配。单个光 子出现在哪个位置是随机的，因此少量光子形成的光点是无规律的。当有大量光 子时，概率大的位置出现的光子多，形成亮条纹；概率小的位置出现的光子少， 形成暗条纹。 3.光的波动性和粒子性不是均
6、衡表现的，波长较长时，光子的能量和动量很小， 波动性比较明显，波长越长，波动性越明显。光在与电子等物质相互作用时表现 为粒子性，在传播过程中更多地表现为波动性。 思考判断 (1)光子数量越大，其粒子性越明显。() (2)光电效应说明光具有波动性。() (3)光的波动性和粒子性是统一的，光具有波粒二象性。() 光的衍射说明了光具有波动性，而光电效应说明了光具有粒子性。 光是一种概率波， 少量光子表现出粒子性， 只有大量的光子才能表现出其波动性。 核心要点 光电效应的理解 问题探究 如图甲是研究光电效应现象的装置图，图乙是研究光电效应的电路图，请结合装 置图及产生的现象回答下列问题： (1)在甲图
7、中发现，利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张 角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什 么？ (2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电 流表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？ 答案 (1)金属能否发生光电效应， 决定于入射光的频率， 与入射光的强度无关。 (2)发生光电效应时，当入射光频率不变时，飞出的光电子个数只与光的强度有 关。 探究归纳 1.光电效应实验规律与波动理论的矛盾 (1)能否发生光电效应与入射光的频率有关，与光的强弱无关。波动理论认为光 的强度由光波的振幅决定，与频率无
8、关，只要入射光足够强，就应该能发生光电 效应。但事实并非如此。 (2)光电子的最大初动能， 只与光的频率有关。 波动理论认为入射光的强度越大， 逸出的光电子的最大初动能越大。 (3)光电效应具有瞬时性：按照波动理论，电子能量的增加应该有个积累过程， 大约需要几分钟时间， 电子才能逸出金属表面。 而实验表明： 无论入射光怎样弱， 只要能发生光电效应，从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，几 乎是瞬时的。 2.爱因斯坦光子理论对光电效应的解释 (1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，电子获得一个光子的能量为 h， 若光子能量大于等于金属的逸出功，则能够发生光电效应，若光子能量小于金属
9、 的逸出功，即使增大光强，也不能够发生光电效应，所以金属要发生光电效应， 入射光光子的能量存在一个最小值，即入射光的频率存在一个最小值。 (2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的。如 果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出。一个电子 只吸收一个光子，且不累积吸收。 (3)解释最大初动能与频率的关系：对于某种金属来说，由爱因斯坦光电效应方 程 hW1 2mv 2 可知，电子逸出时的最大初动能由入射光的频率决定。若入射 光的频率不变，即使增大入射光的强度，光电子的最大初动能也不变。 3.光电效应规律中的两个关系 (1)由 hW1 2mv 2 得 1
10、 2mv 2hW，逸出电子的最大初动能 Ekm 即1 2mv 2 与入 射光的频率成一次函数关系。 (2)产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多。即如果形 成光电流，光电流的强度与入射光的强度成正比。 经典示例 例 1 (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，饱和光电流变大 B.入射光的频率变高，饱和光电流变大 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 保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单
11、位时间内光电子变多，饱 和光电流变大，A 正确；据爱因斯坦光电效应方程 EkhW 可知，入射光的 频率变高， 光电子的最大初动能变大， 饱和光电流不变， B 错误， C 正确； 当 hW 时没有光电流产生，D 错误。 答案 AC 针对训练 1 利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为的可见光照 射阴极 K，电流表中有电流通过，则( ) A.用紫外线照射，电流表不一定有电流通过 B.用红光照射，电流表一定无电流通过 C.用频率为 的可见光照射 K，当滑动变阻器的滑动触头移到 M 端时，电流表 中一定无电流通过 D.用频率为 的可见光照射 K， 当滑动变阻器的滑动触头向 N 端滑动时， 电流
12、表 示数可能不变 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 错误；因不知阴极 K 的极限频率，所以用红光照射时，不 一定发生光电效应，所以选项 B 错误；即使 UAK0，电流表中也有电流，所以 选项 C 错误；当滑动触头向 N 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，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，所以选项 D 正确。 答案 D 核心要点 光电效应方程的理解和应用 问题探究 用如图所示的装置研究光电效应现象。用
13、光子能量为 2.75 eV 的光照射到光电管 上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑片，发现当电 压表的示数大于或等于 1.7 V 时，电流表示数为 0。 (1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？ (2)光电管阴极的逸出功又是多少？ (3)当滑片向 a 端滑动时，光电流变大还是变小？ (4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？ 答案 (1)1.7 eV 1.7 V (2)Wh1 2mv 22.75 eV1.7 eV1.05 eV (3)变大 (4)变大 变大 探究归纳 1.三个关系 (1)爱因斯坦光电效应方程 EkhW。 (2)光电子的最大初
14、动能 Ek可以利用光电管实验的方法测得，即 EkeUc，其中 Uc是遏止电压。 (3)光电效应方程中的 W 为逸出功，它与极限频率 c的关系是 Whc。 2.四类图像 图像名称 图线形状 读取信息 最大初动能 Ek与入射光频率 的关系图线 极限频率(截止频率)：横轴 截距 逸出功：纵轴截距的绝对值 W|E|E 普朗克常量：图线的斜率 kh 遏止电压 Uc与入射光频率 的关系图线 极限频率 c：横轴截距 遏止电压 Uc： 随入射光频率 的增大而增大 普朗克常量 h：等于图线的 斜率与电子电荷量的乘积，即 hke 颜色相同、强度不同的光，光 电流与电压的关系 遏止电压 Uc：横轴截距 饱和光电流
15、Im：电流的最大 值 最大初动能：EkmeUc 颜色不同时，光电流与电压的 关系 遏止电压 Uc1、Uc2 饱和光电流 最大初动能 Ek1eUc1，Ek2eUc2 经典示例 例 2 用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关 S，用频率为 的光照 射光电管时发生了光电效应。 图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动 能 Ek与入射光频率 的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a，0)，与纵轴的 交点坐标为(0，b)，下列说法中正确的是( ) A.普朗克常量为 ha b B.断开开关 S 后，电流表 G 的示数不为零 C.仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大 D.保持照射光强度不变，
16、仅提高照射光频率，电流表 G 的示数保持不变 解析 由 hW0Ek，变形得 EkhW，可知图线的斜率为普朗克常量，即 h b a，故 A 错误；断开开关 S 后，初动能大的光电子，也可能达到阳极，所以电 流表 G 的示数不为零，故 B 正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的 最大初动能，与光的强度无关，故 C 错误；保持照射光强度不变，仅提高照射 光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的 光电子数也减少，电流表 G 的示数要减小，故 D 错误。 答案 B 针对训练 2 在光电效应实验中， 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到 了三条光电流与电压之间的关系
17、曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断 出( ) A.甲光的频率大于乙光的频率 B.乙光的波长大于丙光的波长 C.乙光的频率大于丙光的频率 D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能 解析 当光电管两端加上反向遏止电压光电流为零时，有1 2mv 2 meU0，对同一光 电管(逸出功 W 相同)使用不同频率的光照射， 有 hW1 2mv 2 m， 两式联立可得 h WeU0，丙光的反向遏止电压最大，则丙光的频率最大，甲光的频率等于乙 光的频率，A、C 错误；由 c 可知 丙乙，B 正确；又由 hW1 2mv 2 m或由 1 2mv 2 m0eU0可知丙光对应的最大初动能最
18、大，D 错误。 答案 B 核心要点 光的波粒二象性 问题探究 用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、 乙、丙所示的图像。 (1)图像甲是曝光时间很短的情况，光点的分布有什么特点？说明了什么问题？ (2)图像乙是曝光时间稍长情况，当光子数较多时落在哪些区域的概率较大？可 用什么规律来确定？ (3)图像丙是曝光时间足够长的情况，体现了光的什么性？怎样解释上述现象？ 答案 (1)当曝光时间很短时，屏上的光点是随机分布的，具有不确定性，说明 了光具有粒子性。 (2)落在亮条纹区域的概率较大，这种概率可用波动规律来确定。 (3)体现了光的波动性。综合上面三个图像可知，少量
19、光子呈现粒子性，大量光 子呈现波动性，而且光是一种概率波。 探究归纳 实验基础 表现 说明 光的波 动性 光的干涉和衍射 1.大量光子产生的效果显 示出波动性 2.频率较低的光在传播时， 表现出波的性质 1.光的波动性是光子本 身的一种属性，不是光 子之间相互作用产生的 2.光的波动性不同于宏 观概念的波 光的粒 子性 光电效应、康普 顿效应 1.当光同物质发生作用时， 这种作用是“一份一份” 进行的，表现出粒子性 2.少量或个别光子容易显 示出光的粒子性 1.粒子的含义是“不连 续” “一份一份”的 2.光子不同于宏观概念 的粒子 说明 对于不同频率的光，频率越高，光的粒子性越强；频率越低，
20、光的波动 性越强 经典示例 例 3 (多选)下列关于光的波粒二象性的理解正确的是( ) A.大量光子的行为往往表现出波动性，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 光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显， 有时候表现出的波动 性较明显，D 正确；大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表 现出粒子性， A 正确； 光在传播时波动性显著， 光与物质相互作用时粒子性显著， B 错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，C 错误
21、。 答案 AD 针对训练 3 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.大量光子的行为往往显示出粒子性 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)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
22、的波粒 二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现 出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光 子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子 性就很显著。综上所述，本题正确答案为选项 C。 答案 C 1.(对光电效应现象的理解)(多选)如图所示， 用弧光灯照射擦得很亮的锌板， 验电 器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是( ) A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 B.用红光照射锌板，验电器指针一定会发生偏转 C.锌板带的是负电荷 D.使验电器指针发生偏转的是正电荷 解析 将擦得很亮的锌板与验电器连接，用
23、弧光灯照射锌板(弧光灯可以发出紫 外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正 电。这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正 电，选项 A、D 正确，C 错误；红光的频率低于紫外线的频率不一定能使锌板发 生光电效应，B 错误。 答案 AD 2.(光电效应的实验规律)在光电效应实验中，用频率为 的光照射光电管阴极， 发生了光电效应，下列说法正确的是( ) A.减小入射光的强度，光电效应现象消失 B.增大入射光的强度，光电流增大 C.改用频率小于 的光照射，一定不发生光电效应 D.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 解析 发生光电效应的条件是
24、入射光的频率大于金属的极限频率， 能否发生光电 效应，与入射光的强度无关，与光照时间也无关，当发生光电效应时，增大入射 光的强度，则光电流会增大，故 A 错误，B 正确；改用频率小于 的光照射，若 仍大于金属的极限频率，则还能发生光电效应，故 C 错误；根据光电效应方程 知，EkhW 入射光的频率越高，光电子最大初动能越大，但不是正比关系， 故 D 错误。 答案 B 3.(光电效应的图像)如图所示是光电效应中光电子的最大初动能Ek与入射光频率 的关系图像。从图中可知( ) A.Ek与 成正比 B.入射光频率必须小于极限频率 0时，才能产生光电效应 C.对同一种金属而言，Ek仅与 有关 D.Ek
25、与入射光强度成正比 解析 由 Ek1 2mv 2hW 知 C 正确，A、B、D 错误。 答案 C 4.(光的波粒二象性)(多选)对光的认识，下列说法正确的是( ) A.个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性 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.光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下 光的粒子性表现明显 解析 光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往 往显示出波动性，A 选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的， 而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B 选项 正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C 选项错误，D 选项正确。 答案 ABD