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第四章 原子结构和波粒二象性
2 第1课时 光电效应
High school physics
理解爱因斯坦光子说及对光电效应的解释，会用光电效应方程解决一些简单问题
02
知道光电效应现象，了解光电效应的实验规律，知道光电效应与电磁理论的矛盾
01
重点
难点
ε = hν
h ：普朗克常量6.626×10-34J/s
ν ：电磁波(光)的频率
c： 光速 ： 波长
光子
能量：ε = hν紫
普朗克
能量量子化理论
漫山遍野的太阳能发电装置，你知道它们的工作原理是什么吗
光电效应发现史
01
光电效应
的实验规律
如图所示，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开，用紫外线灯照射锌板。
答案　指针张角变小
(1)观察到验电器指针如何变化？
(2)这个现象说明什么？
答案　说明紫外线会让电子从锌板表面逸出。
光电效应
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。
光电子：光电效应中发射出来的电子。
光电效应
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。
光电子：光电效应中发射出来的电子。
锌板
电子逸出
换用红光会有什么现象？
锌板
光电效应的实验规律
红
紫
λ长，小
λ短，大
没有光电子逸出！
1.存在截止频率或极限频率νc：当入射光的频率低于截止频率νc时
不发生光电效应。
金属 钨 钙 钠 钾 铷
vc/(1014HZ) 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15
实验表明：不同金属的截止频率不同。截止频率与金属自身的性质有关。
光电管
阳极
阴极
G
A
K
V
光电效应的实验规律
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。频率不变时，入射光越强，饱和电流越大。
光电效应的实验规律
3.存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，满足me=eUc。遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。
光电流与电压的关系
U
a
O
U
黄光（强）
黄光（弱）
遏止
电压
I
蓝光
b
U
A
K
正向电压
I
光电流
G
反向电压
光电效应的实验规律
4.光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。
不超过10-9s
锌板
电子逸出
人们知道，金属中原子外层的电子会脱离原子而做无规则的
热运动。但在温度不很高时，电子并不能大量逸出金属表面，这是为什么呢
金属原子
原子核
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W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小不相同。
温度不很高时，电子不能大量逸出，是由于受到金属表面层的引力作用，电子要从金属中挣脱出来，必须克服这个引力做功
2.光电效应经典解释。
波动理论
光越强，逸出的电子数越多，光电流也就越大。
不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率。
光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压Uc 应该与光的强弱有关。
如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需要几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。
电磁理论
＊不存在截止频率
＊截止电压→光强
＊需要长时间
存在截止频率
遏止电压
→频率
瞬时<10-9s
实验结果
令科学家感到困惑
光电效应经典解释中的疑难
无法用经典的电磁理论来解释光电效应。
如图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)保持入射光的强度不变，滑动变阻器的滑片向右滑动(增加电压)时，电流表示数不变，而光强增加时，保持所加电压不变，电流表示数会增大，这说明了什么？
μA
A
K
窗口
I
答案　说明发生光电效应时，饱和光电流的大小与光的强度有关；入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
O
U
强光
弱光
I
(2)若将电源的正负极对调，当光强增大时，遏止电压不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？
答案　光电子的能量只与入射光频率有关，而与光的强弱无关。
U
a
O
U
黄光（强）
黄光（弱）
遏止
电压
I
蓝光
b
U
μA
A
K
窗口
I
1.(2026·河池市高三检测)用绿光照射某金属时没有光电子逸出，则下列措施中可能使该金属表面能逸出光电子的是
A.换用黄光照射 B.换用蓝光照射
C.增大此光的强度 D.延长光照时间
√
绿光照射无光电子，说明绿光频率低于该金属的极限频率，黄光频率低于绿光，无法产生光电子，蓝光频率高于绿光，可能超过金属的极限频率产生光电子，故A错误，B正确；
增大光强度仅增加光子数量，但频率不足仍无法产生光电子，故C错误；
频率不足时，延长照射时间也不能够产生光电子，故D错误。
√
2.(2026·天津市和平区高二检测)研究光电效应的电路图如图所示，关于光电效应，下列说法正确的是
A.任何一种频率的光，只要照射时间足够长，电流表就会
有示数
B.若电源电动势足够大，滑动变阻器滑片向右滑，电流表
的示数能一直增大
C.调换电源的正负极，调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数可能变为零
D.阴极K和阳极A之间的电压为零时，电路中的电流一定为零
能否发生光电效应取决于光的频率，与照射时间长短无关，故A错误；
增加极板间电压，会出现饱和电流，不会一直增大，故B错误；
调换电源的正负极，若反向电压达到遏止电压，则电流表示数为零，故C正确；
阴极K和阳极A之间的电压为零时，仍有部分光电子能到达阳极，则电路中的电流不为零，故D错误。
既然经典的电磁理论无法解释光电效应，那么谁来解释呢
1887年赫兹
发现
光电效应
1923年
密立根
精确验证
1905年勒纳德
发现光电效应的重要规律
1921年
爱因斯坦
提出光子说
02
爱因斯坦的光电效应理论
受到普朗克能量子理论的启发，爱因斯坦于1905年发表了《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，提出了光子说。
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，其中h为普朗克常量。这些能量子后来称为光子。
锌板
电子逸出
光子
能量：ε=hν紫
光子
hν =Ek+W0
Ek=hν -W0
最大初动能
逸出功
1.表达式：
2.物理意义：
金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν 。在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能。
爱因斯坦光电效应方程
光电效应方程对光电效应实验现象的解释
1.只有当hv > W0 时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。
电子逸出
光子
能量：ε=hν
逸出具有的最大初动能：
Ek＝W0
A
K
v
③若hv > W0光电子逸出。
①若hv < W0无光电子逸出。
②若hv = W0光电子恰好逸出。
2.光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关，而与光的强度无关。这就解释了遏止电压和光强无关。
3.电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的。
一个电子对应吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，吸收的能量不累加。电子一次性吸收光子的全部能量。金属的电子吸收能量后，克服束缚，瞬间逸出金属。
锌板
电子逸出
光子
能量：ε=hν紫
4.对于同种颜色(频率ν相同)的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大。
正向电压
①光强度大
光子更密集
相等时间里，逸出光电子个数多
②逸出的所有光电子都到达阳极。
③饱合电流Ic ：
光照强度大，饱和电流大
饱和电流Ic大小与光的颜色（频率）无关！
爱因斯坦光电效应方程给出了光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系。但是，很难直接测量光电子的动能，容易测量的是遏止电压Uc，怎样得到Uc与ν、W0的关系？
Uc=ν-
由光电效应方程有
Ek=hν-W0
eUc=Ek
eUc=hν-W0
7.0
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
0.8
0.2
0.4
0.6
0
1
ν/1014Hz
Uc/V
UcV
UcV
UcV
(1)“光子”就是“光电子”的简称。(　　)
(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。(　　)
(4)光电子的最大初动能与入射光的强度成正比。(　　)
(5)逸出功与截止频率成正比。(　　)
×
×
√
×
√
3.如图所示，分别用波长为λ、2λ的光照射光电管的阴极K，对应的遏止电压之比为3∶1，光在真空中的传播速度为c，则光电管的截止频率为
A. B. C. D.
√
设光电管的截止频率为νc，用波长为λ的光照射光电管的阴极K时，
对应的遏止电压为Uc，则有Ek=h-hνc=eUc
用波长为2λ的光照射光电管的阴极K时，
对应的遏止电压为Uc'，
则有Ek'=h-hνc=eUc'
又Uc=3Uc'，联立解得νc=，A正确，B、C、D错误。
4.(2025·十堰市高二检测)利用如图所示的装置研究光电效应，单刀双掷开关S接1时，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.改用频率比ν1更大的光照射，调整电流表的示数为
零，此时电压表示数仍为U1
C.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-
√
当开关S接1时，光电管加的是反向电压，由爱因斯坦光电效应方程hν=W0+Ekm以及eUc=Ekm，得hν=W0+eUc，
故其他条件不变时，增大光强，电压表的示数U不变，若改用频率比ν1更大的光照射时，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A、B错误；
其他条件不变时，使开关S接2，光电管加正向电压，此时可发生光电效应，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hν1=W0+eU1，W0=hνc，
可得νc=ν1-，故D正确。
光电效应规律中的两条线索、两个关系
照射光
强度
决定着每秒光源发射的光子数
光电子
两条线索
频率
决定着每个光子的能量 ε=hν
每秒逸出的光电子数
光电子逸出后的最大初动能
决定着光电流的大小
光电效应规律中的两条线索、两个关系
两个关系
光的强度大
光子数目多
发射光电子多
光电流大
光的频率高
光子能量大
产生光电子的最大初动能大
ε=hν
大
EK＝hv-W0
金属种类决定（定值）
大
正向
电压
饱和电流大
光电效应的三个关系式
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
A
K
正向电压
I
光电流
G
反向电压
+ + + +
一 一 一 一
K
A
E
e
1.光电效应：
3.爱因斯坦光电效应理论：
②逸出功W0：每种金属表层一个电子脱离金属所做的最小功W0 ，对应极限频率
③光电效应方程：
①光子：每一份的能量子叫做光子
=h
W0=hc
=h
Ek=
h
-W0
=eUc
照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。
从金属表面逸出的电子称为光电子。
2.实验规律：
①存在截止频率：vc
②存在饱和电流：Ic
③存在遏止电压：Uc
④光电效应具有瞬时性<10-9s

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