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(共62张PPT)
第十六章
近代物理
考情分析
生活实践类 医用放射性核素、霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等
学习探究类 光电效应现象、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等
试题情境
能量量子化　光电效应
第79课时
1.掌握黑体辐射的定义及其实验规律，理解能量量子化的意义。
2.理解光电效应现象及光电效应的实验规律。会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量。
3.会分析光电效应常见的三类图像。
目标要求
考点一　黑体辐射　能量子
考点二　光电效应
内容索引
课时精练
考点三　光电效应中常见的三类图像
黑体辐射　能量子
考点一
1.热辐射
(1)定义：周围的一切物体都在辐射_______，这种辐射与物体的_____有关，所以叫作热辐射。
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的_____不同而有所不同。
电磁波
温度
温度
2.黑体、黑体辐射的实验规律
(1)黑体：能够_________入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
(2)黑体辐射的实验规律
①黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的_____有关。
②随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有_____，另一方面，辐射强度的极大值向波长较
的方向移动，如图。
完全吸收
温度
增加
短
3.能量量子化
(1)能量子：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收________________________，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小：ε=____，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h被称为普朗克常量。h=6.626 070 15×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
某个最小能量值ε的整数倍
hν
4.光子
(1)光子及光子能量：爱因斯坦认为，光本身是由____________________
_____组成，频率为ν的光的能量子ε=____，称为光子。
(2)光子的动量：①康普顿认为，光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。三者关系为p=。
②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，光子动量可能会变小，波长λ_____。
一个个不可分割的能
量子
hν
变大
　　　(2023·江苏卷·14)“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：
(1)每个光子的动量p和能量E；
答案　　h　
　　　由题意可知每个光子的动量为p=，
每个光子的能量为E=hν=h
(2)太阳辐射硬X射线的总功率P。
答案　
　　　太阳辐射的硬X射线光子以球面波的形式均匀地向各个方向辐射，以太阳为球心，半径为R的球面上每平方米面积上接收到的光子数相同，太阳t时间内辐射光子的总能量E总=Pt
面积为S的镜头t时间内接收到的辐射光子的能量E1=·E总=
又E1=Nhνt=Nt
联立解得P=。
球面辐射模型
设一个点光源或球光源辐射光子的功率为P0，它以球面波的形式均匀向外辐射光子，在一段很短的时间Δt内辐射的能量E=P0·Δt，到光源的距离为R处有个正对光源的面积为S的接收器，
如图所示，则在Δt内接收器接收到的辐射光
子能量E'=E=。
模型构建
返回
考点二
光电效应
1.光电效应及其规律
(1)光电效应现象
照射到金属表面的光，能使金属中的_____从表面逸出的现象称为光电效应，这种电子常称为_______。
(2)光电效应规律
①每种金属都有一个截止频率νc，也称作极限频率，入射光的频率必须___________这个截止频率才能产生光电效应。
②光电子的最大初动能与入射光的强度_____，只随入射光_____的增大而增大。
电子
光电子
大于或等于
无关
频率
③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s。
④当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，逸出的光电子数越____，饱和电流越大，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成_____。
多
正比
2.爱因斯坦光电效应方程
表达式：hν=Ek+W0或Ek=_______。
(1)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的______
_______。
(2)逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的_______叫作这种金属的逸出功，逸出功W0与金属的截止频率的关系为________。
(3)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。Ek=me，可以利用光电管实验的方法测得，最大初动能与遏止电压Uc的关系为_______。
hν-W0
最大
初动能
最小值
W0=hνc
电子
Ek=eUc
　　　(来自教材)用同一束单色光，在同一条件下先后照射锌板和银板，都能产生光电效应。在以上两次实验中，对于下列四个物理量，哪些是一定相同的？哪些是可能相同的？哪些是一定不同的？
(1)光子的能量。
(2)光电子的逸出功。
(3)光电子的动能。
(4)光电子的最大动能。
答案　(1)一定相同；(3)可能相同；(2)(4)一定不同
　　　(1)光子的能量E=hν，
由光的频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同。
(2)逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定，锌板和银板的光电效应中，光电子的逸出功W0一定不相同。
(3)由Ek=hν-W0，
同一束单色光hν相同，W0不同，则光电子的最大初动能不同，但逸出光电子的动能(介于零和最大值之间)可能相同。
(4)由Ek=hν-W0，
因hν相同，W0不同，则光电子的最大动能Ek一定不同。
针对训练　(2025·广东卷·3)有甲、乙两种金属，甲的逸出功小于乙的逸出功。使用某频率的光分别照射这两种金属，只有甲发射光电子，其最大初动能为Ek，下列说法正确的是
A.使用频率更小的光，可能使乙也发射光电子
B.使用频率更小的光，若仍能使甲发射光电子，则其最大初动能小于Ek
C.频率不变，减弱光强，可能使乙也发射光电子
D.频率不变，减弱光强，若仍能使甲发射光电子，则其最大初动能小于Ek
√
　　　某频率的光不能使乙金属发生光电效应，说明此光的频率小于乙金属的截止频率，则换用频率更小的光，乙更不能发生光电效应，A错误；
由光电效应方程Ek=hν-W0可知，频率越大，最大初动能越大，换用频率更小的光，最大初动能小于Ek，B正确；
频率不变，则乙金属不会发生光电效应，C错误；
由Ek=hν-W0可知，频率不变，最大初动能不变，D错误。
　　　(2025·江苏卷·12)江门中微子实验室使用我国自主研发的光电倍增管，利用光电效应捕捉中微子信息。光电倍增管阴极金属材料的逸出功为W0，普朗克常量为h。
(1)求该金属的截止频率ν0；
答案　　
　　　根据题意，由光电效应方程有Ek=hν0-W0
当Ek=0时，可得该金属的截止频率ν0=
(2)若频率为ν的入射光能使该金属发生光电效应，求光电子的最大初动能Ekm。
答案　hν-W0
　　　根据题意，由光电效应方程可得，
光电子的最大初动能为Ekm=hν-W0。
　　　(2024·海南卷·8)利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关，使S接1，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.改用比ν1更大频率的光照射，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，由爱因斯坦光电效应方程得eU1=hν1-W0，故其他条件不变时，增大光强，电压表的示数不变，故A错误；
改用比ν1更大频率的光照射，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B错误；
其他条件不变，使开关S接2，此时hν1>W0，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eU1=hν1-W0，其中W0=hνc，联立解得光电管阴极材料的截止频率为νc=ν1-，故D正确。
拓展　将开关S接2，滑动变阻器的滑动触头停在适当位置不动，若提高照射光强度，则光电子的最大初动能　　　，饱和电流　　　，金属的逸出功　　　，电流表示数　　　。(均选填“增大”“减小”或“不变”)
不变
增大
不变
增大
光电效应的分析思路
返回
光电效应中常见的
三类图像
考点三
1.Ek-ν图像
(1)写出最大初动能Ek与入射光频率ν的关系式：________________。
(2)由图像获得的信息：
①图线与ν轴交点的横坐标：____________。
②图线与Ek轴交点坐标的绝对值：__________。
③图线的斜率：____________。
Ek=hν-W0=h(ν-νc)
截止频率νc
逸出功W0
普朗克常量h
2.Uc-ν图像(此时两极之间接反向电压)
(1)写出遏止电压Uc与入射光频率ν的关系式_________。
(2)由图像获得的信息：
①图线与横轴交点的坐标：___________。
②图线的斜率k=____。
Uc=(ν-νc)
截止频率νc
3.光电流I与电压的关系(用同一光电管做实验)
(1)甲、乙两种色光比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek甲____Ek乙，两色光频率ν甲____ν乙，两种色光对应的截止频率νc甲____νc乙，两种色光强度关系为_________。
(2)丙、丁两种色光的比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek丙____
Ek丁，两色光频率ν丙____ν丁；两种色光对应的截止频率νc丙____νc丁。
=
=
=
甲光较强
<
<
=
　　　(2025·江苏徐州市一模)如图甲所示为光电效应的实验原理图，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。如图乙所示为发生光电效应时光电子的最大初动能Ek和入射光频率ν的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(5.02×1014，0)，与纵轴的交点坐标为(0，-2.08)。下列说法错误的是
A.入射光的频率不同，遏止电压也不同
B.阴极K材料的逸出功为2.08 eV
C.根据图乙可以求出普朗克常量
D.在保持光照条件不变的情况下，将滑动变阻器滑片向右移动的过程中，
　电流表的示数可能减小
√
　　　由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0，可知入射光的频率不同，光电子的最大初动能不同，又由eUc=Ek，得光电子的最大初动能不同，遏止电压也不同，综上可知，入射光的频率不同，遏止电压也不同，A正确；
Ek-ν图像的纵截距b=-W0，则阴极K材料的逸出功为2.08 eV，B正确；
Ek-ν图像的斜率表示普朗克常量，C正确；
在保持光照条件不变的情况下，将滑动变阻器滑片向右移动的过程中，两电极两端正向电压增大，电流表的示数不可能减小，D错误。
　　　(2026·江苏省部分学校联考)用图甲所示装置探究光电效应规律，得到a、b两种金属材料遏止电压Uc随入射光频率ν变化的图线分别如图乙中1和2所示，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是
A.图甲所示电路中光电管K、A间加的
　是正向电压
B.图线的斜率为he
C.金属材料a的极限频率较大
D.用同一种光照射并发生光电效应时，
　a材料逸出的光电子遏止电压较大
√
　　　题图所示电路中光电管K、A间加的是反向电压，用来测遏止电压，A错误；
根据爱因斯坦光电效应方程hν-W0=Ek，又eUc=Ek，得Uc=-，图线的斜率k=，B错误；
图线横轴的截距是极限频率，则金属材料a的极限频率较小，C错误；
用同一种光照射发生光电效应时，由于金属材料a的极限频率较小(W0较小)，则金属材料a逸出的光电子的初动能较大，即a材料逸出的光电子遏止电压较大，D正确。
　　　(2026·江苏南京市一模)一群处于n=4能级的氢原子，在向低能级跃迁时发出不同频率的光，将这些光分别照射到光电管阴极K上，实验得到3条电流随电压变化的图像，如图所示。则下列说法正确的是
A.饱和光电流Ia>Ib>Ic
B.遏止电压UaC.逸出光电子的最大初动能Eka>Ekb>Ekc
D.三种光的波长λa>λb>λc
√
　　　由图像可知饱和光电流Ic>Ib>Ia，A错误；
由图像可知遏止电压Ua>Ub>Uc，B错误；
光电子的最大初动能Ek=eU(U为遏止电压)，结合B选项可知，逸出光电子的最大初动能Eka>Ekb>Ekc，C正确；
根据光电效应方程Ek=hν-W0=h-W0，可知遏止电压越大，入射光频率越大，波长越短，结合B选项可知λa<λb<λc，D错误。
返回
课时精练
精练高频考点
提升关键能力
对一对
题号 1 2 3 4 　5 答案 A A B B (1)60°　(2)1.5×1014 Hz 题号 　6 7 8 9 10 11
答案 (1)1.2×1013个　(2)Ue+hν-W0 C C B D C
答案
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1.如图为在T1、T2两种温度下黑体的辐射强度与其辐射电磁波波长的关系，下列说法正确的是
A.T1>T2
B.黑体能反射电磁波
C.温度升高，黑体辐射强度的极大值向波长
　较长的方向移动
D.牛顿提出的能量子假说很好地解释了黑体辐射的实验规律
√
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答案
基础落实练
　　　对于黑体辐射，温度越高，辐射强度越强，且极大值向着波长较短的方向移动，因此根据图像可知T1>T2，A正确，C错误；
黑体只能吸收电磁波，不能反射电磁波，B错误；
普朗克最先提出了能量子的概念，很好地解释了黑体辐射，D错误。
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答案
2.(2025·江苏扬州市检测)如图所示，分别用甲、乙两种材料作为K极进行光电效应实验，其逸出功W甲1
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答案
√
　　　根据eUc=hν-W0并结合W甲Uc2。故选A。
3.(2025·山东卷·1)在光电效应实验中，用频率和强度都相同的单色光分别照射编号为1、2、3的金属，所得遏止电压如图所示，关于光电子最大初动能Ek的大小关系正确的是
A.Ek1>Ek2>Ek3
B.Ek2>Ek3>Ek1
C.Ek3>Ek2>Ek1
D.Ek3>Ek1>Ek2
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√
答案
　　　根据光电子最大初动能与遏止电压的关系Ek=eUc，根据题图有Uc2>Uc3>Uc1，故Ek2>Ek3>Ek1，故选B。
4.(2025·江苏南通市检测)人眼对绿光最为敏感，如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。一光源以功率P均匀地向各个方向发射波长为λ的绿光，假设瞳孔在暗处的直径为d，且不计空气对光的吸收。普朗克常量为h，真空中光速为c，则眼睛能够看到这个光源的最远距离为
A. B.
C. D.
√
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答案
　　　设瞳孔与光源相距为r，在1 s内，r处单位面积上的能量为E0=，瞳孔在1 s内接收到的能量为E=E0·π，若此时刚好可以看到，E=N·，其中N为每秒射入瞳孔的光子的个数，为6个，由以上式子联立可得r= 。故选B。
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答案
5.(2025·河北卷·13)光纤光谱仪的部分工作原理如图所示。待测光在光纤内经多次全反射从另一端射出，再经棱镜偏转，然后通过狭缝进入光电探测器。
(1)若将光纤简化为真空中的长玻璃丝，设玻璃丝的折射率为，求光在玻璃丝内发生全反射时的最小入射角；
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答案
答案　60°　
　　　光在玻璃丝内发生全反射的最小入射角满足sin C=
可得C=60°
(2)若探测器阴极材料的逸出功为9.939×10-20 J，求该材料的截止频率(普朗克常量h=6.626×10-34 J·s)。
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答案
答案　1.5×1014 Hz
　　　根据爱因斯坦光电效应方程hν0=W0
可得ν0=1.5×1014 Hz。
6.(2025·江苏扬州市检测)如图所示K、A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K受到光照时能够发射电子，电子的电荷量e=1.6×10-19 C。求：
(1)用某单色光照射光电管的K极，饱和光电流I=1.92 μA。求单位时间内K极逸出的电子数N。
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答案
答案　1.2×1013个　
　　　单位时间内K极逸出的电子数N=
其中Q=It，可得N=1.2×1013个。
(2)用频率为ν的单色光照射K极，若电极K的逸出功为W0，A与K之间的电势差UAK=U(U>0)，普朗克常量为h。求电子到达电极A的最大动能Ekm。
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答案
答案　Ue+hν-W0
　　　根据爱因斯坦光电效应方程，电子逸出的最大初动能为Ek=hν-W0
电子到达电极A的最大动能满足Ue=Ekm-Ek
可得Ekm=Ue+hν-W0。
7.(2025·江苏南京市二模)研究光电效应时，当用波长为λ的光照射某种金属时，遏止电压为Uc，改变入射光波长，作出λUc-λ图像如图。其横轴截距为a，纵轴截距为b，元电荷为e，真空中光速为c。下列说法正确的是
A.普朗克常量为h=
B.该金属的截止频率为νc=
C.该金属的逸出功为W0=
D.遏止电压Uc与入射光的波长λ成反比
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答案
能力综合练
　　　根据光电效应方程可知Uce=m=-hνc，可得λUc=-λ，结合图像可知=b，=，可得普朗克常量为h=，该金属的截止频率为νc=，该金属的逸出功为W0=hνc=，A、B错误，C正确；
根据光电效应方程Uce=-hνc，可知Uc=-，可知遏止电压Uc与入射光波长λ不成反比，D错误。
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答案
8.(2021·江苏卷·8)如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率ν1<ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系的图像是
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答案
√
　　　光电管所加电压为正向电压，则根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子到达A极时动能的最大值Ekm=Ue+hν-hν截止，可知Ekm-U图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上的截距越小，因ν1<ν2，则图像C正确，A、B、D错误。
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答案
9.(2025·江苏徐州市二模)如图甲所示为均匀透明介质制成的棱镜的截面图，其截面为正六边形，现用由单色光a和单色光b组成的复色光由棱镜的左侧射入，最终从右侧射出时分成两束。若用这两种单色光分别照射图乙中的阴极K，当阴极K的材料为A时电流表的指针均发生偏转，当阴极K的材料为B时，只有一种单色光能使电流表的指针发生偏转。下列说法正确的是
A.单色光a的波长较小
B.材料A的逸出功小于材料B的逸出功
C.单色光a照射材料A时，光电子的最大
　初动能较大
D.仅增加两种单色光强度后再照射材料B，电流表的指针均发生偏转
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答案
　　　复色光射入棱镜时，b光的折射角小于a光的折射角，由折射定律知，介质对b光的折射率大于对a光的折射率，则单色光b的频率较大，由λ=可知单色光b的波长较小，故A错误；
由题意知，若用两种单色光分别照射阴极K，当阴极K的材料为A时，电流表的指针均发生偏转，则两种单色光的频率均大于材料A的极限频率，当阴极K的材料为B时，只有一种单色光能使电流表的指针发生偏转，说明不能使电流表指针发生偏转的单色光的频率小于材料B的极限频率，说明材料A的极限频率小于材料B的极限频率，即材料A的逸出功小于材料B的逸出功，故B正确；
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答案
　　　由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W0知，由于单色光b的频率较大，所以用单色光b照射材料A时，光电子的最大初动能较大，故C错误；
发生光电效应的条件是入射光的频率大于材料的极限频率，与光的强度无关，故D错误。
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10.(2025·江苏苏州市三模)如图所示是研究光电效应的实验装置。大量处于n=3激发态的氢原子跃迁时发出频率不同的大量光子，其中频率最高的光子能量为12.09 eV，用此光束照射到光电管电极K上。移动滑片P，当电压表的示数为
7 V时，微安表的示数恰好为零。图示位置中滑片P和O点刚好位于滑动变阻器的上、下中点位置。则
A.要使微安表的示数恰好为零，滑片P应由图示位置向b端移动
B.不同频率的光子照射电极K，只要能发生光电效应，遏止电
　压是相同的
C.电极K处金属的逸出功是7 eV
D.从图示位置滑动滑片P，微安表的读数可能先增加后不变
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答案
　　　要使微安表的示数恰好为零，光电管应接入反向电压，即K板电势高于A板电势，则滑片P应由图示位置向a端移动，A错误；
根据eUc=Ek=hν-W0，可知不同频率的光子照射电极K，只要能发生光电效应，遏止电压是不同的，B错误；
用光子能量为12.09 eV照射到光电管电极K上，当电压表的示数为7 V时，微安表的示数恰好为零，可知遏止电压为7 V，根据eUc=Ek=hν-W0，可得逸出功为W0=hν-eUc=12.09 eV-7 eV=5.09 eV，C错误；
图示电压趋近于零，未能达到饱和电流，若从图示位置向b端滑动滑片P，正向电压增大，则微安表的读数会先增加后不变，D正确。
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11.(2025·浙江1月选考·11改编)如图甲所示，三束由氢原子发出的可见光P、Q、R分别由真空玻璃管的窗口射向阴极K。调节滑动变阻器，记录电流表与电压表示数，两者关系如图乙所示。下列说法正确的是
A.分别射入同一单缝衍射装置时，Q的中央
　亮纹比R宽
B.P、Q产生的光电子在K处最小德布罗意波
　长，P小于Q
C.氢原子向第一激发态跃迁发光时，三束光
　中Q对应的能级最高
D.对应于图乙中的M点，单位时间到达阳极A的光电子数目，P多于Q
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答案
尖子生选练
　　　根据eUc=m=hν-W逸出功，因Q的遏止电压大于R，可知Q的频率大于R的频率，Q的波长小于R的波长，则分别射入同一单缝衍射装置时，R的衍射现象比Q更明显，则Q的中央亮纹比R窄，选项A错误；
同理可知在K处Q产生的光电子的最大初动能比P大，根据λ==，可知最小德布罗意波长，P大于Q，选项B错误；
因Q对应的能量最大，则氢原子向第一激发态跃迁发光时，根据hν=Em-E2可知三束光中Q对应的能级最高，选项C正确；
对应于题图乙中的M点，P和Q的光电流相等，可知P和Q单位时间到达阳极A的光电子数目相等，选项D错误。
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第十六章

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