第2节 光电效应

第2节光电效应核心素养导学物理观念(1)了解光电效应现象。(2)知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。科学思维利用光子说解释光电效应的实验规律。科学探究通过实验，了解光电效应现象及实验规律。一、光电效应1．光电效应：光照射在金属表面时金属中的电子会因吸收光的能量而______金属表面的现象。2．光电效应的特征(1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值ν0时，光电流消失，不发生光电效应，ν0称为截止频率。逸出(2)存在饱和光电流：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的______，光电流趋于一个饱和值——饱和光电流，而且在入射光的频率不变的情况下，光的强度越大，饱和光电流______。(3)光电子的最大初动能与入射光的______成线性关系，与光的强度无关。(4)光电效应具有瞬时性：当入射光的频率大于截止频率ν0时，无论入射光怎样微弱，照到金属时也能立刻发射光电子，光电效应几乎是______发生的。增大越大频率瞬时二、光量子概念的提出光电效应方程(选学)1．光子：光本身就是________的，而是由单个的能量子组成的，这些能量子简称为光子。2．爱因斯坦光电效应方程(2)意义：金属中电子吸收一个光子的能量hν之后，一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功W，叫作________，另一部分转化为光电子的______。不连续逸出功动能1.如图所示，若利用紫外线灯照射锌板，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，判断下列说法正误：(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)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。

()××√2.如图是研究光电效应的电路图，在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，保持所加电压不变，电流表示数会增大，这说明了什么？提示：发生光电效应时，飞出的光电子个数只与光的强度有关。新知学习(一)|与光电效应相关的“五组”概念[任务驱动]如图是研究光电流与电压之间关系的实验原理图。若要使电流表的示数增大，电源的正负极如何接入？滑动变阻器向哪个方向移动？按照上述方向移动时，能否使电流表示数一直增加？提示：若要使电流表的示数增大，电源右侧为正极，滑动变阻器向右滑动，当电流达到饱和时，继续向右移动滑片，电流表示数也不会增加。

[重点释解]1．光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。2．光电子的初动能与光电子的最大初动能(1)光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能。(2)只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。3．光子的能量与入射光的强度光子的能量即一个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，可见光子的能量由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到单位面积上的总能量，等于光子能量hν与入射光子数n的乘积，即光强等于nhν。4．光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。5．光的强度与饱和光电流饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。[典例体验][典例]研究光电效应的电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)。钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。选项中表示光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像，正确的是

(

)[解析]频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和光电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和光电流越大，故选项C正确。[答案]

C/方法技巧/光电效应规律的应用(1)入射光的频率相同，发生光电效应时光电子的最大初动能相同，故遏止电压相同。(2)光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。

[针对训练]1．当光照射在某种金属表面时，金属表面有电子逸出。如果该入射光的强度减弱，频率不变，则

(

)A．可能不再有电子逸出金属表面B．单位时间内逸出金属表面的电子数减少C．逸出金属表面的电子的最大初动能减小D．从光入射到光电子逸出的时间间隔延长解析：入射光的频率不变，则仍然能发生光电效应，A错误；入射光的强度减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少，光电流减弱，B正确；入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变，C错误；光的强弱影响的是单位时间内发出光电子的数目，并不影响单个光电子的逸出时间，D错误。答案：B

2.如图所示为一真空光电管的应用电路，关于电路中光电流的饱和值，下列说法正确的是

(

)A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度C．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于光电管所加的正向电压的大小D．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的光照时间解析：若在光电管中发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关，故B正确，A、C、D错误。答案：B

新知学习(二)|光电效应方程及应用[重点释解]1．光电效应方程Ek＝hν－W的四点理解(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①能量为ε＝hν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。②如果克服吸引力做功最少，为W，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－W。2．光电效应规律中的两条线索、两个关系(1)两条线索(2)两个关系①光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。[典例体验][典例]光电流随电压变化的图像在研究光电效应实验中，光电管的阴极材料为铯(Cs)，用某一频率的光照射，实验测得光电流随电压变化的图像如图所示。已知铯的逸出功为3.0×10－19J。(1)铯发生光电效应的极限频率是多少？(2)本次实验的入射光频率是多少？[答案]

(1)4.52×1014Hz

(2)1.06×1015Hz[拓展]上述[典例]中，若用频率相同、强度不同的光分别照射光电管的阴极形成光电流，那么在下列光电流与电压的关系图像中，正确的是

(

)答案：C

[针对训练]1．某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为截止频率。下列说法正确的是

(

)A．逸出功随入射光频率的增大而减小B．最大初动能Ek与入射光强度成正比C．最大初动能Ek与入射光频率成正比D．图中直线的斜率与普朗克常量有关解析：逸出功是金属的固有属性，只与金属本身有关，与入射光的频率无关，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W可知，最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，但最大初动能与入射光的频率不是成正比关系，故B、C错误；根据Ek＝hν－W并结合图像可知，Ek-ν图线的斜率表示普朗克常量，故D正确。答案：D

2．(2022·河北高考)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知

(

)A．钠的逸出功为hνcB．钠的截止频率为8.5×1014HzC．图中直线的斜率为普朗克常量hD．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

科学探究——光电效应的规律1．(选自人教版新教材课后练习)在光电效应实验中，小明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曲线(甲、乙、丙)，如图所示。回答下面问题，并说明理由。(1)甲、乙两种光的频率，哪个大？(2)乙、丙两种光的波长，哪个大？(3)乙、丙两种光所对应的截止频率，哪个大？(4)甲、丙两种光所产生光电子的最大初动能，哪个大？答案：(1)乙(2)丙(3)同一光电管的截止频率相同(4)相同

科学思维——光电效应方程的应用2．(选自沪科版新教材课后练习)当用频率为7.0×1014Hz的紫光分别照射铯、锌和银的表面时，能产生光电效应吗？为什么？若能产生光电效应，逸出的光电子的最大动能是多大？已知铯、锌、银的极限频率分别为4.55×1014Hz、8.07×1014Hz、11.5×1014Hz。解析：当入射光的频率大于极限频率时，便能发生光电效应，比较可知，只有铯能发生光电效应。根据hν－hν0＝Ekm可得，逸出的光电子的最大动能Ekm＝6.63×10－34×(7.0－4.55)×1014J≈1.624×10－19J。答案：铯能发生光电效应，因为入射光的频率大于铯的极限频率1.624×10－19J二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．很多商店装有光电池电子眼探测设备，当顾客到来时，门会自动打开。这种设备的原理是：当光的强度变化时，传感器产生的电流发生改变。这是光电效应的一种应用。下列说法正确的是

(

)A．光电效应说明光具有波动性B．发生光电效应时，饱和电流与入射光的强度无关C．发生光电效应时，其他条件不变，入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大D．发生光电效应时，其他条件不变，光电子的初动能越大，光电子形成的电流越大2．(多选)如图甲为研究某金属材料的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系的电路图，用