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第四章
课时2　光电效应
原子结构和波粒二象性
核心 目标 1．通过实验，了解光电效应现象及其实验规律．了解爱因斯坦光电效应理论及其意义，能用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应现象．
2．了解康普顿效应及其意义，能根据实验结论说明光的波粒二象性．
必备知识 记忆理解
要点
1
光电效应的实验规律
1．光电效应与光电子
照射到金属表面的光(包括____________和可见光)，能使金属中的电子从表面逸出．这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子．
2．实验研究电路，如图所示：
不可见光
3．光电效应的实验规律
(1) 存在截止频率或极限频率．对于给定的阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有__________截止频率ν0的光，才能引起光电效应．频率低于νc的入射光，无论光的强度有多大，照射时间有多长，都不能发生光电效应．不同金属的截止频率不同．
(2) 存在着__________电流：饱和光电流的大小由________决定，在光的频率不变的情况下，光强越大，饱和光电流越大．
超过光
饱和光
光强
(3) 存在遏止电压
①如果施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，光电流有可能为0．施加反向电压，使光电流减小到0的______________称为遏止电压．
②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vc应该满足以下关系eUc＝
(4) 光电效应具有______性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是______发生的．产生电流的时间不超过1×10-9 s．
反向电压Uc
瞬时
瞬时
要点
2
光电效应经典解释中的疑难
疑难之一：不能解释遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关．
疑难之二：不能解释为什么存在截止频率．
疑难之三：不能解释瞬时性．
要点
3
爱因斯坦的光电效应理论
1．爱因斯坦为解释光电效应，提出了光子说和光电效应方程
(1) 光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光的__________，简称光子，光子的能量ε＝______．其中h＝6.63×10-34 J·s，称为普朗克常量．
(2) 光电效应方程：______________或______________．
①逸出功W0：使金属表面上的电子________某种金属所做功的__________，叫作这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功________．
能量子
hν
hν＝Ek＋W0
Ek＝hν－W0
脱离
最小值
不同
②最大初动能______：发生光电效应时，金属表面上的________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．
③物理意义：光电效应方程实质上是能量守恒方程：能量为E＝hν的一个光子被金属表面上的电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属的________，另一部分就是电子离开金属表面时的______________：Ek＝hν－W0．
2．爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验现象的解释．
(1) 对截止频率的解释：若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，
由Ek＝hν－W0>0，亦即hν>______，得ν>＝νc，而νc＝______就是光电效应的截止频率．
Ek
电子
逸出功W0
最大初动能
W0
(2) 对饱和光电流与光强关系的解释
①入射光的强度：由入射光子数和入射光子的频率决定的．可用P＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数．
②饱和光电流：指光电流的最大值(即饱和值)，在入射光频率不变的情况下，光强决定了单位时间内打到材料表面的光子个数，因一个光子打出一个光电子，所以光强也决定了单位时间内打出的光电子个数，即决定了饱和光电流大小．所以光电流的最大值与入射光的强度成正比．
(3) 对遏止电压的解释
①根据光电效应方程Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能与入射光频率成线性关系，与光强无关．
②根据eUc＝Ek＝hν－W0，得到Uc＝ν－．对于确定的金属，其逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量．即遏止电压Uc与光的频率ν之间是线性关系．
(4) 对光电效应瞬时性的解释：电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的．
要点
4
康普顿效应和光子的动量
1．康普顿效应
(1) 光的散射：光在介质中与__________相互作用，因而传播方向__________，这种现象叫作光的散射．
(2) 康普顿效应：石墨对X射线散射时，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________λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．
(3) 解释：在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量变小．因此，有些光子散射后波长变大．
2．光子的动量：p＝______．
物质微粒
发生改变
大于
要点
5
光的波粒二象性
1．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，光的__________被普遍接受．
2．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__________．
3．人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者．
波动说
粒子性
4．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______ ________．此后，又经过一系列探索，人们最终建立了比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论——量子电动力学．
5．从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论，再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学，人类对光的认识构成了一部科学史诗．
波粒
二象性
1．易错辨析
(1) 金属钠表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关． (　　)
(2) 金属钾发生光电效应，入射光强度越大，饱和光电流越大． (　　)
(3) 金属钙、钠、钾的逸出功不同，说明了金属种类不同对应的截止频率也不同． (　　)
(4) 若入射光能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多． (　　)
(5) 能产生光电效应的光必定是可见光． (　　)
×
√
√
√
×
2．(2024·合肥高二期末)如图所示，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在受到某入射光的照射时，能够发射光电子．闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，通过微安表的指针偏转可知电路中形成光电流．下列说法中正确的是 (　　)
B
A．若入射光的频率逐渐增大，则光电子的最大初动能可能不变
B．若入射光的强度逐渐增大，则微安表的示数也逐渐增大
C．若滑动变阻器的滑片逐渐向b滑动，则微安表的示数逐渐增大
D．若滑动变阻器的滑片滑到a端时，则微安表的示数一定为零
解析：根据光电效应方程Ek＝hν－W0，可知入射光的频率逐渐增大，则光电子的最大初动能逐渐增大，A错误；若入射光的强度逐渐增大，则单位时间溢出的光电子数增多，微安表的示数也逐渐增大，B正确；若滑动变阻器的滑片逐渐向b滑动，所加的正向电压逐渐增大，微安表的示数逐渐增大，当电流达到饱和值时，微安表的示数保持不变，C错误；若滑动变阻器的滑片滑到a端时，所加的正向电压为0，但溢出的光电子可以到达阳极A，微安表的示数不为零，D错误．
把握考向 各个击破
对光电效应现象及其实验规律的理解
考向
1
1．光电效应是照射到金属表面的光，能使金属中的________从表面逸出的现象．
(1) 光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光．
(2) 能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的________．当入射光的频率低于截止频率时______发生光电效应．
(3) 光电效应是单个光子和单个电子之间的相互作用产生的，金属中的某个电子只能吸收一个光子的能量，只有当电子吸收的能量足够克服原子核的引力而逸出时，才能产生光电效应．
电子
频率
不
2．实验规律的理解
(1) 用小于或等于截止频率为ν0的光照射某金属表面时，不能逸出光电子，因为该金属的逸出功W＝hν0．
(2) 若入射光频率大于ν0且在增大：逸出光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比，是线性关系，满足Ek＝hν－W0．
(3) 增大正向电压，光电流可能会增大，但存在__________电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大．因入射光越强，单位时间内打到金属表面的光子数越多，打出的光电子也越多．
饱和光
(4) 若改加反向电压，会发现光电流变小，说明，光电子的初速度不等，金属中逸出的光电子的初动能是不同的．
①但不管光强如何，对确定频率的入射光和金属，使光电流减小到_____的反向电压Uc是确定的，遏止电压对应光电子的最大初动能，且满足eUc＝．
②遏止电压随光的频率的增大而增大，与光的强度无关，说明光电子的最大初动能随光的频率的增大而增大，与光的强度无关．
0
3．注意点
入射光强度指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量，在入射光频率ν不变时，光强正比于单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数，但若入射光频率不同，即使光强相同，单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数也不相同，因而从金属表面逸出的光电子数也不相同(形成的光电流也不相同)．
　　　如图所示，光电管接入电路，用紫外线照射光电管阴极时，发生了光电效应，回路中形成电流．下列说法中正确的是 (　　)
A．电流方向为a→R→b
B．电流方向为b→R→a
C．光照时间越长，光电子的最大初动能越大
D．入射光光强增大，光电子的最大初动能增大
1
B
解析：电子从光电管阴极逸出，而电子带负电，与电流方向相反，故电流方向为b→R→a，A错误，B正确；逸出光子的最大动能只与入射光的频率有关，C、D错误．
　　　(2025·福建福州外国语学校期末)铷原子非常容易失去电子，具有优良的光电特性，是制造光电池的重要材料．已知铷的逸出功为W0，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是 (　　)
A．只要入射光光照强度足够大，任何频率的光均能使铷发生光电效应
B．铷的截止频率为
C．用某频率光照射铷发生光电效应，光照强度越弱，光电子从铷表面逸出所需时间越长
D．若用频率为ν的光照射铷发生光电效应，则逸出光电子的平均动能为hν－W0
2
B
解析：光电效应发生的条件是入射光频率大于或等于截止频率，与光强无关，A错误；光子能量刚好克服逸出功时，光子频率为截止频率，即W0＝hν，铷的截止频率为ν＝，B正确；光电效应的发生具有瞬时性，只要发生光电效应就会有光电子逸出，C错误；若用频率为ν的光照射铷发生光电效应，则逸出光电子的最大初动能为hν－W0，D错误．
对光电效应方程的理解与应用
考向
2
1．光电效应方程Ek＝hν－W0的理解
(1) 式中的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～Ek范围内的任何数值．
(2) 光电效应方程实质上是________________．能量为E＝hν的光子被电子所吸收，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W0，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＝__________．
能量守恒方程
hν－W0
(3) 光电效应方程包含了产生光电效应的条件：
若可以发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν＞W0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．
2．求解光电效应问题的关键在于掌握光电效应规律，明确各概念之间的决定关系，准确把握它们的内在联系．
(1) 决定关系及联系
(2) 三个关系式
①爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0．
②最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝_______．
③逸出功与极限频率的关系W0＝_______．
eUc
hνc
　　　(2025·芜湖安师大附中月考)用如图所示的装置做光电效应实验，闭合开关S，用一发光功率为P的激光光源照射金属K，移动变阻器的滑片，当电压表的示数为U时，电流表示数恰好为0，已知金属K的逸出功为W0，电子电荷量为e，则光源单位时间内发出的光子数为 (　　)
A． B．
C． D．
3
解析：根据Ue＝Ekm＝hν－W0，又n＝，其中t＝1 s，可得光源单位时间内发出的光子数为n＝．故选A．
A
　　　(多选)光电管是一种将光信号转换为电信号的器件．将光电管接入图示电路中，用频率为ν的光照射K板，调节滑动变阻器的滑片P，当灵敏电流表G的示数为0时，电压表V的示数为U，此电压通常也称为遏止电压．已知普朗克常量为h，电子电荷量为e，下列说法中正确的是 (　　)
A．遏止电压与光电子从K板逸出后的初动能成反比
B．若增大入射光的强度，遏止电压会增大
C．K板材料的逸出功为hν－eU
D．仅增大入射光的频率，要使G的示数为0，则需向右调节滑
片P
4
CD
解析：根据动能定理Ekm＝eU，整理得U＝，可知遏止电压与光电子从K板逸出后的最大初动能成正比，A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，根据动能定理Ekm＝eU，可得K板材料的逸出功为W0＝hν－eU，遏止电压为U＝，可知遏止电压与入射光的强度无关，B错误，C正确；仅增大入射光的频率，遏止电压增大，要使G的示数为0，则需向右调节滑片P，D正确．
康普顿效应、光子的动量及光的波粒二象性
考向
3
1．从普朗克能量子假说成功解释黑体辐射规律，到爱因斯坦光子说成功解释光电效应，到康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，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．
2．光属于电磁波、具有波动性，现在又证明光具有粒子性，所以，光具有波粒二象性．
3．能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量. ε＝hν和p＝揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系.
　　　如图所示是解释康普顿效应的示意图，下列说法中正确的是 (　　)
A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律
B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率 ν
C．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度
D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长
5
D
解析：无论正碰还是斜碰，系统所受的合外力为零，碰撞过程都遵循动量守恒定律，A错误；由于光子与电子碰撞后，光子的部分能量传递给电子，所以光子能量一定减小，根据公式E＝hν＝h可知图中碰撞后光子频率ν′一定小于碰撞前光子频率ν，碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长，B错误，D正确；根据爱因斯坦相对论的光速不变原理，光子的速度为c，碰撞前后不变，C错误．
随堂内化 即时巩固
1．研究光电效应现象的实验电路如图所示，A、K为光电管的两个电极，电压表V、电流表G均为理想电表．已知该光电管阴极K的截止频率为ν0，元电荷电荷量为e，普朗克常量为h，开始时滑片P、P′上下对齐．现用频率为ν的光照射阴极K，能发生光电效应，则 (　　)
D
A．该光电管阴极材料的逸出功为hν
B．若加在光电管两端的正向电压为U，则到达阳极A的光电子的最大动能为hν0－hν＋eU
C．若将滑片P向右滑动，则电流计G的示数一定会不断增大
D．若将滑片P′向右滑动，则当滑片P、P′间的电压等于时，电流表G的示数恰好为0
解析：由于截止频率为ν0，因此该光电管阴极材料的逸出功为W＝hν0，故A错误；根据光电效应方程Ek0＝hν－W，加正向电压时，根据动能定理得eU＝Ek－Ek0，联立可得到达阳极A的光电子的最大动能为Ek＝hν－hν0＋eU，故B错误；若将滑片P向右滑动，则电流表G的示数将先逐渐增大到饱和光电流，当达到饱和电流时，保持不变，故C错误；若将滑片P′向右滑动，光电管加上反向电压，电流会减小，则有eUc＝Ek0＝hν－hν0，解得Uc＝，此时电流表G的示数恰好为0，故D正确．
2．(2024·合肥一中期末)某校实验小组用如图所示的电路研究“光电效应”现象，现用频率为ν的红光照射光电管，有光电子从K极逸出．下列说法中正确的是 (　　)
A．使用蓝光照射比红光照射需要的逸出功更大
B．仅增大入射光的强度，从K极逃逸出的电子的最大初动能
可能增大
C．当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数不变
D．将电源正负极反接后，当滑动变阻器的滑片从左向右滑动
时，电流表示数可能一直减小
D
解析：同种材料的逸出功相同，与入射光的颜色无关，是由材料本身的性质决定的，A错误；由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关，B错误；光电管两端所加电压为正向电压，当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，正向电压不断增大，可能滑片滑到最右端时电流尚未达到饱和电流，此过程中电流表示数一直增大，C错误；将电源正负极反接后，所加电压为反向电压，逸出的光电子要克服电场力做功才能到达A板形成电流，可能滑动变阻器的滑片滑到最右端时电流表的示数还未减小到零，此过程中电流表示数一直减小，D正确．课时2　光电效应
考向1　对光电效应现象及其实验规律的理解
1. 如图所示，电路中所有元件完好.当光照射光电管时，灵敏电流表指针没有偏转，其原因是(　　)
A. 电源电压较小
B. 入射光的频率太低了
C. 入射光的强度太小了
D. 光照的时间太短了
2. 用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是(　　)
A. 改用紫光照射
B. 改用X射线照射
C. 增大紫外线强度
D. 延长照射时间
3. (多选)一般人能感知的可见光波长范围约在400~760 nm之间.下表中列出了一些金属发生光电效应的截止频率，已知光在空气中传播的速度近似为3.0×108m/s，则表中金属在可见光照射下能发生光电效应的有(　　)
材料 铯Cs 钠Na 锌Zn 银Ag 铂Pt
截止频率/ (×104Hz) 4.55 5.56 8.07 11.53 15.29
A. 铯 B. 钠
C. 锌 D. 银
考向2　对光电效应方程的理解与应用
4. 用频率分别为ν和2ν的光照射某种金属材料，已知该金属的逸出功为hν，其中h为普朗克常量，则两种情况下测得的该金属材料发生光电效应的遏止电压之比为(　　)
A. 1∶2 B. 1∶3
C. 1∶4 D. 1∶5
5. (2025·陕西渭南期末)研究光电效应现象的实验装置如图所示.闭合开关S，当用能量为3.6 eV的光子照射到光电管阴极上时，电流表示数大于零.移动滑动变阻器的滑片c，当电压表的示数大于或等于1.2 V时，电流表的示数为0.下列说法中正确的是(　　)
A. 光电管内电场力对光电子做正功
B. 光电子的最大初动能为1.2 eV
C. 光电管阴极的逸出功为1.2 eV
D. 在开关S断开后，没有电流流过电流表
6. (2024·安徽天一大联考期末)如图所示，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在受到某入射光的照射时，能够发射光电子.闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，通过电流表的指针偏转可知电路中形成光电流.下列说法中正确的是(　　)
A. 若入射光的频率逐渐增大，则光电子的最大初动能可能不变
B. 若入射光的强度逐渐增大，则电流表的示数也逐渐增大
C. 若滑动变阻器的滑片逐渐向b滑动，则电流表的示数逐渐增大
D. 若滑动变阻器的滑片滑到a端时，则电流表的示数一定为零
考向3　康普顿效应
7. (多选)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，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应.关于康普顿效应，下列说法中正确的是(　　)
A. 康普顿效应说明光子有动量
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
8.用如图所示的装置研究光电效应规律，用能量为12 eV的光子照射光电管的阴极K，电流表检测到有电流.调节滑动变阻器滑片，当电压表的示数为5.0 V时，电流表的示数恰好为零，已知元电荷e＝1.6×10－19C，下列说法中正确的是(　　)
A. 光电子的最大初动能为8.0×10－19 J
B. 光电管的阴极K的逸出功为1.21×10－18 J
C. 若用能量为8 eV的光子照射阴极K，不会产生光电子
D. 电源正负极对调，将滑片调至变阻器右端，此时电流表示数一定为饱和光电流
9. 某防盗报警器工作原理如图所示.用紫外线照射光敏材料制成的阴极时，逸出的光电子在电路中产生电流，电流经放大后使电磁铁吸住铁条.当光源与阴极间有障碍物时，警报器响起.下列说法中正确的是(　　)
A. 若用红外光源代替紫外光源，该报警器一定能正常工作
B. 逸出光电子的最大初动能与照射光频率成正比
C. 若用更强的同一频率紫外线照射阴极，光电流变大
D. 若用更强的同一频率紫外线照射阴极，所有光电子的初动能均增大
10. 一般情况下，光电效应中一个电子在极短时间内只吸收到一个光子.当用强激光照射金属时，由于光子密度极大，一个电子在短时间内吸收两个光子，从而形成双光子光电效应.如图所示，用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用频率为ν的强激光照射阴极K，则发生了双光子光电效应.已知阴极K的逸出功为W，普朗克常量为h，电子电荷量为e.
(1) 求光电子的最大初动能Ek.
(2) 已知激光入射到K极的功率为P，若每入射N个光子会产生1个光电子，当所有的光电子都能到达阳极A时，求回路中的电流大小I.
课时2　光电效应
1. B　解析：当光照射光电管时，灵敏电流表指针没有偏转，由于所加电压为正向电压，所以原因是没有发生光电效应，电子无法溢出K的表面，根据发生光电效应的条件可知，入射光的频率太低了，入射光的频率小于K板对应的截止频率.故选B.
2. B　解析：用紫外线照射某金属时不能产生光电效应，知紫外线的频率小于该金属的截止频率，要能发生光电效应，需改用频率更大的光照射(如X射线)，A错误，B正确；能否发生光电效应与入射光的强度及照射时间无关，C、D错误.
3. AB　解析：可见光波长范围约在400~760 nm之间，由c＝λν，可得可见光的频率范围为(3.9~7.5)×1014Hz，要使金属发生光电效应，入射光频率必须要大于金属的截止频率.由表格中信息可知，在可见光照射下能发生光电效应的只有金属铯和钠.故选A、B.
4. C　解析：根据W0＝hν，hν＝W0＋Ekm，eUc＝Ekm可求得遏止电压之比为Uc1∶Uc2＝1∶4，故选C.
5. B　解析：该装置所加的电压为反向电压，光电管内电场力对光电子做负功，使得光电子动能减少，A错误；发现当电压表的示数大于或等于1.2 V时，电流表的示数为0，可知遏止电压为1.2 V，则有eUc＝Ekm，可得光电子的最大初动能为1.2 eV，B正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，可得W0＝2.4 eV，C错误；开关S断开后，用光子能量大于2.4 eV的光照射到光电管上时均能发生光电效应，有光电子逸出，有电流流过电流表，D错误.
6. B　解析：根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知入射光的频率逐渐增大，则光电子的最大初动能逐渐增大，A错误；若入射光的强度逐渐增大，则单位时间溢出的光电子数增多，电流表的示数也逐渐增大，B正确；若滑动变阻器的滑片逐渐向b滑动，所加的正向电压逐渐增大，电流表的示数逐渐增大，当电流达到饱和值时，电流表的示数保持不变，C错误；若滑动变阻器的滑片滑到a端时，所加的正向电压为0，但溢出的光电子可以到达阳极A，电流表的示数不为零，D错误.
7. AC　解析：康普顿效应说明光具有粒子性，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和能量守恒，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.
8. A　解析：调节滑动变阻器滑片，当电压表的示数为5.0 V，电流表的示数恰好为零，可知光电子的最大初动能Ekm＝eUc＝5 eV＝5×1.6×10－19 C·V＝8.0×10－19 J，A正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，得逸出功W0＝hν－Ekm＝12 eV－5 eV＝7 eV＝7×1.6×10－19C·V＝1.12×10－18 J，B错误；若用能量为8 eV的光子照射阴极K，8 eV大于金属板的逸出功(7 eV)，所以能发生光电效应产生光电子，C错误；将电源的正负极对调，把滑动变阻器的滑动触头向右滑动，当电流表示数不再增加时，此时电流表的示数为饱和光电流，D错误.
9. C　解析：由光电效应方程知hν＝W＋Ek，紫外光频率大于红外光频率，该光敏材料截止频率未知，不能确保红外光照射会发生光电效应，A错误；由光电效应方程知，逸出光电子的最大初动能与照射光频率有关，但不成正比，B错误；光照强度越强，光电子越多，光电流越大，C正确；由光电效应方程知，光电子的最大初动能只与光的频率有关，与光照强度无关，D错误.
10. (1) 2hν－W　(2)
解析：(1) 由爱因斯坦光电效应方程可知光电子的最大初动能为Ek＝2hν－W
(2) 设时间t内有个n光子照射到K极，则有Pt＝nhν
又I＝
联立解得I＝课时2　光电效应
核心 目标 1．通过实验，了解光电效应现象及其实验规律．了解爱因斯坦光电效应理论及其意义，能用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应现象．
2．了解康普顿效应及其意义，能根据实验结论说明光的波粒二象性．
要点梳理
要点1　光电效应的实验规律
1．光电效应与光电子
照射到金属表面的光(包括__不可见光__和可见光)，能使金属中的电子从表面逸出．这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子．
2．实验研究电路，如图所示：
3．光电效应的实验规律
(1) 存在截止频率或极限频率．对于给定的阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有__超过光__截止频率ν0的光，才能引起光电效应．频率低于νc的入射光，无论光的强度有多大，照射时间有多长，都不能发生光电效应．不同金属的截止频率不同．
(2) 存在着__饱和光__电流：饱和光电流的大小由__光强__决定，在光的频率不变的情况下，光强越大，饱和光电流越大．
(3) 存在遏止电压
①如果施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，光电流有可能为0．施加反向电压，使光电流减小到0的__反向电压Uc__称为遏止电压．
②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vc应该满足以下关系eUc＝
(4) 光电效应具有__瞬时__性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是__瞬时__发生的．产生电流的时间不超过1×10-9 s．
要点2　光电效应经典解释中的疑难
疑难之一：不能解释遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关．
疑难之二：不能解释为什么存在截止频率．
疑难之三：不能解释瞬时性．
要点3　爱因斯坦的光电效应理论
1．爱因斯坦为解释光电效应，提出了光子说和光电效应方程
(1) 光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光的__能量子__，简称光子，光子的能量ε＝__hν__．其中h＝6.63×10-34 J·s，称为普朗克常量．
(2) 光电效应方程：__hν＝Ek＋W0__或__Ek＝hν－W0__．
①逸出功W0：使金属表面上的电子__脱离__某种金属所做功的__最小值__，叫作这种金属的逸出功，用W0表示，不同金属的逸出功__不同__．
②最大初动能__Ek__：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．
③物理意义：光电效应方程实质上是能量守恒方程：能量为E＝hν的一个光子被金属表面上的电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属的__逸出功W0__，另一部分就是电子离开金属表面时的__最大初动能__：Ek＝hν－W0．
2．爱因斯坦光电效应方程对光电效应实验现象的解释．
(1) 对截止频率的解释：若有光电子逸出，则光电子的最大初动能必须大于零，由Ek＝hν－W0>0，亦即hν>__W0__，得ν>＝νc，而νc＝____就是光电效应的截止频率．
(2) 对饱和光电流与光强关系的解释
①入射光的强度：由入射光子数和入射光子的频率决定的．可用P＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数．
②饱和光电流：指光电流的最大值(即饱和值)，在入射光频率不变的情况下，光强决定了单位时间内打到材料表面的光子个数，因一个光子打出一个光电子，所以光强也决定了单位时间内打出的光电子个数，即决定了饱和光电流大小．所以光电流的最大值与入射光的强度成正比．
(3) 对遏止电压的解释
①根据光电效应方程Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能与入射光频率成线性关系，与光强无关．
②根据eUc＝Ek＝hν－W0，得到Uc＝ν－．对于确定的金属，其逸出功W0是确定的，电子电荷e和普朗克常量h都是常量．即遏止电压Uc与光的频率ν之间是线性关系．
(4) 对光电效应瞬时性的解释：电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应几乎是瞬时发生的．
要点4　康普顿效应和光子的动量
1．康普顿效应
(1) 光的散射：光在介质中与__物质微粒__相互作用，因而传播方向__发生改变__，这种现象叫作光的散射．
(2) 康普顿效应：石墨对X射线散射时，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．
(3) 解释：在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量变小．因此，有些光子散射后波长变大．
2．光子的动量：p＝____．
要点5　光的波粒二象性
1．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，光的__波动说__被普遍接受．
2．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__粒子性__．
3．人们对光的粒子性的认识，是以最新的实验和量子理论为基础的，已经和牛顿时代的光的粒子说根本不同，其深度远远超出后者．
4．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__．此后，又经过一系列探索，人们最终建立了比较完善的，能统一描述光的波动性和粒子性的理论——量子电动力学．
5．从牛顿时代光的微粒说、惠更斯和托马斯·杨的光的波动说，到麦克斯韦的光的电磁理论，再到爱因斯坦的光子理论乃至量子电动力学，人类对光的认识构成了一部科学史诗．
即学即用
1．易错辨析
(1) 金属钠表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．(　×　)
(2) 金属钾发生光电效应，入射光强度越大，饱和光电流越大．(　√　)
(3) 金属钙、钠、钾的逸出功不同，说明了金属种类不同对应的截止频率也不同．(　√　)
(4) 若入射光能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多．(　√　)
(5) 能产生光电效应的光必定是可见光．(　×　)
2．(2024·合肥高二期末)如图所示，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在受到某入射光的照射时，能够发射光电子．闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，通过微安表的指针偏转可知电路中形成光电流．下列说法中正确的是(　B　)
A．若入射光的频率逐渐增大，则光电子的最大初动能可能不变
B．若入射光的强度逐渐增大，则微安表的示数也逐渐增大
C．若滑动变阻器的滑片逐渐向b滑动，则微安表的示数逐渐增大
D．若滑动变阻器的滑片滑到a端时，则微安表的示数一定为零
解析：根据光电效应方程Ek＝hν－W0，可知入射光的频率逐渐增大，则光电子的最大初动能逐渐增大，A错误；若入射光的强度逐渐增大，则单位时间溢出的光电子数增多，微安表的示数也逐渐增大，B正确；若滑动变阻器的滑片逐渐向b滑动，所加的正向电压逐渐增大，微安表的示数逐渐增大，当电流达到饱和值时，微安表的示数保持不变，C错误；若滑动变阻器的滑片滑到a端时，所加的正向电压为0，但溢出的光电子可以到达阳极A，微安表的示数不为零，D错误．
考向1　对光电效应现象及其实验规律的理解
1．光电效应是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．
(1) 光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光．
(2) 能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的__频率__．当入射光的频率低于截止频率时__不__发生光电效应．
(3) 光电效应是单个光子和单个电子之间的相互作用产生的，金属中的某个电子只能吸收一个光子的能量，只有当电子吸收的能量足够克服原子核的引力而逸出时，才能产生光电效应．
2．实验规律的理解
(1) 用小于或等于截止频率为ν0的光照射某金属表面时，不能逸出光电子，因为该金属的逸出功W＝hν0．
(2) 若入射光频率大于ν0且在增大：逸出光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比，是线性关系，满足Ek＝hν－W0．
(3) 增大正向电压，光电流可能会增大，但存在__饱和光__电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大．因入射光越强，单位时间内打到金属表面的光子数越多，打出的光电子也越多．
(4) 若改加反向电压，会发现光电流变小，说明，光电子的初速度不等，金属中逸出的光电子的初动能是不同的．
①但不管光强如何，对确定频率的入射光和金属，使光电流减小到__0__的反向电压Uc是确定的，遏止电压对应光电子的最大初动能，且满足eUc＝．
②遏止电压随光的频率的增大而增大，与光的强度无关，说明光电子的最大初动能随光的频率的增大而增大，与光的强度无关．
3．注意点
入射光强度指的是单位时间内入射到金属表面单位面积上的光子的总能量，在入射光频率ν不变时，光强正比于单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数，但若入射光频率不同，即使光强相同，单位时间内照到金属表面单位面积上的光子数也不相同，因而从金属表面逸出的光电子数也不相同(形成的光电流也不相同)．
　如图所示，光电管接入电路，用紫外线照射光电管阴极时，发生了光电效应，回路中形成电流．下列说法中正确的是(　B　)
A．电流方向为a→R→b
B．电流方向为b→R→a
C．光照时间越长，光电子的最大初动能越大
D．入射光光强增大，光电子的最大初动能增大
解析：电子从光电管阴极逸出，而电子带负电，与电流方向相反，故电流方向为b→R→a，A错误，B正确；逸出光子的最大动能只与入射光的频率有关，C、D错误．
　(2025·福建福州外国语学校期末)铷原子非常容易失去电子，具有优良的光电特性，是制造光电池的重要材料．已知铷的逸出功为W0，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是(　B　)
A．只要入射光光照强度足够大，任何频率的光均能使铷发生光电效应
B．铷的截止频率为
C．用某频率光照射铷发生光电效应，光照强度越弱，光电子从铷表面逸出所需时间越长
D．若用频率为ν的光照射铷发生光电效应，则逸出光电子的平均动能为hν－W0
解析：光电效应发生的条件是入射光频率大于或等于截止频率，与光强无关，A错误；光子能量刚好克服逸出功时，光子频率为截止频率，即W0＝hν，铷的截止频率为ν＝，B正确；光电效应的发生具有瞬时性，只要发生光电效应就会有光电子逸出，C错误；若用频率为ν的光照射铷发生光电效应，则逸出光电子的最大初动能为hν－W0，D错误．
考向2　对光电效应方程的理解与应用
1．光电效应方程Ek＝hν－W0的理解
(1) 式中的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～Ek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＝hν的光子被电子所吸收，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W0，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＝__hν－W0__．
(3) 光电效应方程包含了产生光电效应的条件：
若可以发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν＞W0，ν＞＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率．
2．求解光电效应问题的关键在于掌握光电效应规律，明确各概念之间的决定关系，准确把握它们的内在联系．
(1) 决定关系及联系
(2) 三个关系式
①爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0．
②最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝__eUc__．
③逸出功与极限频率的关系W0＝__hνc__．
　(2025·芜湖安师大附中月考)用如图所示的装置做光电效应实验，闭合开关S，用一发光功率为P的激光光源照射金属K，移动变阻器的滑片，当电压表的示数为U时，电流表示数恰好为0，已知金属K的逸出功为W0，电子电荷量为e，则光源单位时间内发出的光子数为(　A　)
A． B．
C． D．
解析：根据Ue＝Ekm＝hν－W0，又n＝，其中t＝1 s，可得光源单位时间内发出的光子数为n＝．故选A．
　(多选)光电管是一种将光信号转换为电信号的器件．将光电管接入图示电路中，用频率为ν的光照射K板，调节滑动变阻器的滑片P，当灵敏电流表G的示数为0时，电压表V的示数为U，此电压通常也称为遏止电压．已知普朗克常量为h，电子电荷量为e，下列说法中正确的是(　CD　)
A．遏止电压与光电子从K板逸出后的初动能成反比
B．若增大入射光的强度，遏止电压会增大
C．K板材料的逸出功为hν－eU
D．仅增大入射光的频率，要使G的示数为0，则需向右调节滑片P
解析：根据动能定理Ekm＝eU，整理得U＝，可知遏止电压与光电子从K板逸出后的最大初动能成正比，A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，根据动能定理Ekm＝eU，可得K板材料的逸出功为W0＝hν－eU，遏止电压为U＝，可知遏止电压与入射光的强度无关，B错误，C正确；仅增大入射光的频率，遏止电压增大，要使G的示数为0，则需向右调节滑片P，D正确．
考向3　康普顿效应、光子的动量及光的波粒二象性
1．从普朗克能量子假说成功解释黑体辐射规律，到爱因斯坦光子说成功解释光电效应，到康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，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．
2．光属于电磁波、具有波动性，现在又证明光具有粒子性，所以，光具有波粒二象性．
3．能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长 λ和频率ν是描述物质的波动性的典型物理量．ε＝hν和p＝揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系．
　如图所示是解释康普顿效应的示意图，下列说法中正确的是(　D　)
A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律
B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率 ν
C．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度
D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长
解析：无论正碰还是斜碰，系统所受的合外力为零，碰撞过程都遵循动量守恒定律，A错误；由于光子与电子碰撞后，光子的部分能量传递给电子，所以光子能量一定减小，根据公式E＝hν＝h可知图中碰撞后光子频率ν′一定小于碰撞前光子频率ν，碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长，B错误，D正确；根据爱因斯坦相对论的光速不变原理，光子的速度为c，碰撞前后不变，C错误．
1．研究光电效应现象的实验电路如图所示，A、K为光电管的两个电极，电压表V、电流表G均为理想电表．已知该光电管阴极K的截止频率为ν0，元电荷电荷量为e，普朗克常量为h，开始时滑片P、P′上下对齐．现用频率为ν的光照射阴极K，能发生光电效应，则(　D　)
A．该光电管阴极材料的逸出功为hν
B．若加在光电管两端的正向电压为U，则到达阳极A的光电子的最大动能为hν0－hν＋eU
C．若将滑片P向右滑动，则电流计G的示数一定会不断增大
D．若将滑片P′向右滑动，则当滑片P、P′间的电压等于时，电流表G的示数恰好为0
解析：由于截止频率为ν0，因此该光电管阴极材料的逸出功为W＝hν0，故A错误；根据光电效应方程Ek0＝hν－W，加正向电压时，根据动能定理得eU＝Ek－Ek0，联立可得到达阳极A的光电子的最大动能为Ek＝hν－hν0＋eU，故B错误；若将滑片P向右滑动，则电流表G的示数将先逐渐增大到饱和光电流，当达到饱和电流时，保持不变，故C错误；若将滑片P′向右滑动，光电管加上反向电压，电流会减小，则有eUc＝Ek0＝hν－hν0，解得Uc＝，此时电流表G的示数恰好为0，故D正确．
2．(2024·合肥一中期末)某校实验小组用如图所示的电路研究“光电效应”现象，现用频率为ν的红光照射光电管，有光电子从K极逸出．下列说法中正确的是(　D　)
A．使用蓝光照射比红光照射需要的逸出功更大
B．仅增大入射光的强度，从K极逃逸出的电子的最大初动能可能增大
C．当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数不变
D．将电源正负极反接后，当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数可能一直减小
解析：同种材料的逸出功相同，与入射光的颜色无关，是由材料本身的性质决定的，A错误；由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关，B错误；光电管两端所加电压为正向电压，当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，正向电压不断增大，可能滑片滑到最右端时电流尚未达到饱和电流，此过程中电流表示数一直增大，C错误；将电源正负极反接后，所加电压为反向电压，逸出的光电子要克服电场力做功才能到达A板形成电流，可能滑动变阻器的滑片滑到最右端时电流表的示数还未减小到零，此过程中电流表示数一直减小，D正确．

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