4.2光電效應(yīng)

基礎(chǔ)導(dǎo)學(xué)

要點一、光電效應(yīng)

(-)光電效應(yīng)的實驗規(guī)律

I.光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象.

2.光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子。

3光電效應(yīng)的實驗規(guī)律

(1)存在截止頻率：當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不(填“能”或“不”)發(fā)生光電效應(yīng)；

(2)存在飽和電流：在光的頻率不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大；

⑶存在遏止電壓：使光電流減小到。的反向電壓且滿足嬴&2=皿；

⑷光電效應(yīng)具有瞬時性：光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的。

(-)光電效應(yīng)經(jīng)典解釋中的疑難

1.逸出功：使電子脫離?某種金屬，外界對它做功的最小值，用Wo表示。不同種類的金屬，

其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)。

2.光電效應(yīng)經(jīng)典解釋

(I)不應(yīng)存在截止頻率；

⑵遏止電壓a應(yīng)該與光的強弱有關(guān)；

(3)電子獲得逸出表面所需的能量需要的時間遠遠大于實驗中產(chǎn)生光電流的時間；

(三)愛因斯坦的光電效應(yīng)理論

I.光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為丫的光的能量子為加，其

中h為普朗克常量，這些能量子后來稱為光子。

2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程

(1)表達式：m=反+版或反=施一用)，

⑵物理意義：金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是加，在這些能量中，一部分大小為Wo

的能審被電子用來脫離金屬，剩卜的是逸出后電子的初動能反。

⑶G與v、Wo的關(guān)系

①表達式：a=%一學(xué)：

②圖像：Uc-y圖像是一條斜率為g的直線。

要點二、康普頓效應(yīng)光的波粒二象性

(-)康普頓效應(yīng)和光子的動量

I.康普頓效應(yīng)：在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長

心相同的成分外，還有波長大于人的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。

2.光子的動量

(1)表達式：

(2)說明：在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射的光子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉(zhuǎn)移給

電子，光子的動量可能變小.因此，有些光子散射后波長變大。

(二)光的波粒二象性

光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象表明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性,

光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

要點突破

突破一：光電效應(yīng)

1.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律

(1)任何一種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于等于這個截止頻率才能發(fā)生光

電效應(yīng)，低于這個截止頻率則不能發(fā)生光電效應(yīng)。

(2)發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，隨入射光頻率的增大而增

大。

(3)大于截止頻率的光照射金屬時，光電流(反映單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)的多少)與入射

光強度成正比。

(4)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的，產(chǎn)生電流的時間不超過10-9so

2.光電效應(yīng)實驗相關(guān)概念的理解

(I)光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)還是電子。

(2)飽和電流

金屬板飛出的光電子到達汨極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨

于一個飽和值，這個飽和值是飽和電流，在一定條件下，飽和電流與所加電壓大小無關(guān)，只

與入射光的強度有關(guān)。入射光越強，飽和電流越大。即：入射光越強，單位時間內(nèi)發(fā)射的光

電子數(shù)越多。

⑶遏止電壓截止頻率逸出功

①遏止電壓：使光電流減小到零的反向電壓.用符號上表示.

計算方法：—eUc=O-Ek

遏止電壓與入射光的頻率有關(guān).入射光的頻率不變，遏止電壓不變，入射光的頻率改變，遏

止電壓改變.這表明光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)。

②截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的入射光的最小頻率叫作該種金屬的截止頻率（乂

叫極限頻率）.不同的金屬對應(yīng)著不同的截止頻率。

③逸出功：電子從金屬中掙脫出來，要克服金屬表面層的一種力做功，電子脫離某種金屬所

需做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，不同金屬的逸出功不同。

3.光電效應(yīng)方程&=hvWo的理解

（1）方程中的Ek是光電子的最大初動能，就某個光電子而言，其離開金屬時剩余動能大小

可以是0?氏范圍內(nèi)的任何數(shù)值。

（2）光電效應(yīng)方程實質(zhì)上是能量守恒方程。能量為￡=前的光子被電子吸收，電子把這些

能量的?部分用來克服金屬表面對它的吸引，另?部分就是電子離開金屬表面時的動能。如

果克服吸引力做功最少為明，則電子離開金屬表面時動能最大為瓦，根據(jù)能量守恒定律可

知：Ek=hv-W0O

（3）光電效應(yīng)方程包含了產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件。若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動能

必須大于零，即氏=九一%>0，亦即v>^=vc,而”c=華恰好是光電效應(yīng)

的截止頻率。

4、光電效應(yīng)幾種圖像的對比

圖像名稱圖線形狀由圖線直接（間接）得到的物理量

最大初動能Ek與入射七寸①極限頻率：圖線與v軸交點的橫坐標(biāo)％

光頻率v的關(guān)系圖線/②逸出功：圖線與a軸交點的縱坐標(biāo)的絕

|/對值％二|一-二E③普朗克常量:圖

~不節(jié)線的斜率k=h

-JI

顏色相同、強度不同_①遏止電壓圖線與橫軸的交點

-----黃光（強）―

的光，光電流與電壓Y仆，工，②飽和電流：電流的最大值

/Lx----黃光（弱）

的關(guān)系IX③最大初動能：Fk=eUc

upu

①能量為8=hv的光子被電子吸收，電子把這些能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引,

另一部分就是電子離開金屬表面時的初動能；

②如要克服吸引力做功最少為W)，則電子離開金屬表面時動能最大為反,根據(jù)能最守恒定

律可知：￡k=Av-Wb；

3.光子說對光電效應(yīng)的解釋

(1)飽和電流與光照強度的關(guān)系：同種頻率的光，光照強度越大，包含的光子數(shù)越多，照射

金屬時產(chǎn)生的光電子越多，因而飽和電流越大；

(2)存在截止頻率和遏止電壓：

①由愛因斯坦光電效應(yīng)方程知，光電子的最大初動能與入射光頻率有關(guān)，與光強無關(guān)，所以

退止電壓由入射光頻率決定，與光強無關(guān)；

②若發(fā)生光電效應(yīng)，則光電子的最大初動能必須大于零，即反=加一1%>0,亦即機中

=vc,而此=華恰好是光電效應(yīng)的截止頻率；

突破三：康普頓效應(yīng)光的波粒二象性

(一)康普頓效應(yīng)的意義：康普頓效應(yīng)進一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光

子說的正確性。

(二)光的波粒二象性

1.光的波動性實驗基礎(chǔ)：光的干涉和衍射。

2.光的粒子性

(D實驗基礎(chǔ)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)；

⑵表現(xiàn)：①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“?份?份”進行的，表現(xiàn)I出粒子的性質(zhì)；

②少量或個別光子容易顯示出光的粒子性。

1.光本性學(xué)說的發(fā)展簡史

學(xué)說微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性

名稱

代表牛頓惠更斯麥克斯韋愛因斯坦一

人物

實驗光的直線傳光的干能在真空中傳播，是橫光電效應(yīng)、康光既有波動現(xiàn)象，又有粒

依據(jù)播、光的反射涉、衍射波，光速等于電磁波的普頓效應(yīng)子特征

速度

內(nèi)容光是一群彈光是一種光是一種電磁波光是由一份一光是具有電磁本性的物

要點性粒子機械波份光子組成的質(zhì)，既有波動性，又有粒

子性

2.對光的波粒二象性的理解

項目實驗基礎(chǔ)表現(xiàn)說明

光的干涉和衍射（1）光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大（1）光的波動性是光子本身的一種

波動小可用波動規(guī)律來描述屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生

性（2）足夠能量的光在傳播時，表現(xiàn)出的

波的性質(zhì)（2）光的波動性不同于宏觀觀念的

波

光的光電效應(yīng)、（1）當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作（1）粒子的含義是“不連續(xù)”"一份

粒子康普頓效應(yīng)用是“一份一份〃進行的，表現(xiàn)出粒子的一份”的

性性質(zhì)（2）光子不同于宏觀觀念的粒子

（2）少品或個別光子容易顯示出光的

粒子性

典例精析

題型一：光電效應(yīng)

例一.如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進行光電效應(yīng)探究，顏色相同的。、b兩束

光分別照射1、2兩種材料，光電流/隨電壓U變化關(guān)系如圖所示，則下列說法正確的是（）

【答案】D

【解析】A.。、b兩束光顏色相同，所以頻率相同，故A錯誤；

B.飽和光電流越大，光照強度越大，所以。光的光照強度比b光的大，故B錯誤；

C.光電子的最大初動能為

由圖可知

所以

故C錯誤；

D.根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可得

所以

故D正確。

故選Do

變式遷移1：關(guān)于能量，下列說法不正確的是（）

A.普朗克提出“振動者的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值￡的整數(shù)倍"，從而建立了“能

量量子化”觀點

B.我們周圍的一切物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，這種輻射與溫度無關(guān)

C.愛因斯坦指出“光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一價的，而且光本身就是由一個不可分

割的能量子組成的〃

D.能最耗散是指耗散在環(huán)境中的內(nèi)能很難被人類利用，并不違背能量守恒定律

【答案】B

【解析】A.根據(jù)“黑體幅射〃以及對黑體輻射的研究普朗克提出“振動者的帶電微粒的能量只

能是某一最小能量值&的整數(shù)倍〃，從而建立了“能量量子化〃觀點，A正確；

B.我們周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與溫度有關(guān)，B錯誤；

C.愛因斯坦提出了光子的概念，指出“光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本

身就是由一個不可分割的能量子組成的”，C正確；

D.能量耗散是能量在轉(zhuǎn)億過程中有一部分以內(nèi)能的膨式被周圍環(huán)境吸收，遵守能量守恒定

律，但使得能量品質(zhì)降低，D正確。

本題選不正確的，故選B.

題型二：康普頓效應(yīng)光的波粒二象性

例二.下列說法正確的是（）

A.平均速度、瞬時速度和加速度等描述運動所需的概念是伽利略首先建立的

B.牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，并“稱”出了地球的質(zhì)量

C.光電效應(yīng)現(xiàn)象由愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，并對其做出了正確的解釋

D.光電效應(yīng)揭示了光的粒子性，證明了光子除了能量之外還具有動量

【答案】A

【解析】A.平均速度、瞬時速度和加速度等描述運動所需的概念是伽利略首先建立的。故

A正確；

B.牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，卡文迪什用試驗的方法測量出萬有引力

常量，第一個“稱〃出了地球的質(zhì)量。故B錯誤；

C.光電效應(yīng)現(xiàn)象由赫茲發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦對其做出了正確的解釋。故c錯誤；

D.光電效應(yīng)揭示了光的粒子性，康普頓效應(yīng)證明了光子除了能量之外還具有動量。故D錯

誤。

故選Ao

變式遷移2：光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上，光子將偏離原來的方向而發(fā)生散射，康普頓

對散射的解釋為（）

A.雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變

B.由于電子受碰撞后得到動量，散射后的光子頻率低于入射光的頻率

C.入射光引起物質(zhì)內(nèi)電子做受迫振動，而從入射光中吸收能量后再釋放，釋放出的散射光

頻率不變

D.光子從電子處獲得能量，因而頻率增大

【答案】B

【解析】ABD.光子與電子碰撞將部分動量、能量轉(zhuǎn)移給電子，動量減小，能量￡減小，根

據(jù)

則頻率減小，故AD錯誤，B正確；

C.從入射光中吸收能量后再釋放，處于激發(fā)態(tài)電子釋放出的散射光頻率與不同軌道之間能

量差有關(guān)，故頻率可能不同，故c錯誤。

故選Bo

強化訓(xùn)練

一、選擇題

B.用甲、乙光分別照射時，金屬的截止頻率不同

C.增加乙光的強度，遏止電壓U2變大

D,滑動變阻器滑片P移至最左端，電流表示數(shù)不為零

【答案】D

【解析】

AC.根據(jù)

結(jié)合

可知，遏止電壓

且與光照強度無關(guān)，故AC錯誤；

B.金屬的截止頻率由金屬本身的性質(zhì)決定，與照射光無關(guān)，故B錯誤；

D,滑動變阻器滑片P移至最左端，遏止電壓為零，光電子不受反向電壓的作用力，電流表

示數(shù)不為零，故D正確。

故詵Do

【答案】B

【解析】

由

可知

ACD錯誤，B正確。

故選Bv

3、下列說法不正確的是()

A.只有溫度高的物體才會有熱輻射

B.黑體可以向外界輻射能量

C.黑體也可以看起來很明亮，是因為黑體也可以有較強的輻射

D.普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好,

并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元

【答案】A

【解析】

A.任何物體在任何溫度下都存在輻射，溫度越高輻射的能量越多，故A錯誤；

BC.能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫作黑體，黑體不反射電

磁波，但可以向外輻射電磁波，有此黑體有較強的輻射，看起來也可以很明亮，故BC正確；

D.普朗克引入能量子的概念得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合得非常好,

并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元，故D正確。

故選A。

4、2015年中國發(fā)射衛(wèi)星“悟空〃，用來探測暗物質(zhì)粒子和黑洞。黑洞是黑體的一種，關(guān)于

黑體，下列說法正確的是（）

A.外表面涂成黑色的物體就是黑體

B.黑體能夠反射各種波長的電磁波，但不會輻射電磁波

C.在空腔壁上開一個很小的孔，射入孔的電磁波最終不能從空腔射出，這個帶小孔的空腔

就成了黑體

D.玻爾為得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，提出了能量子的假說

【答案】C

【解析】

AB.黑體是能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)牛反射的物體，A、B錯誤：

C.在空腔壁上開一個很小的孔，射入孔的電磁波在空腔內(nèi)表面發(fā)生多次反射和吸收，最終

不能從空腔射出，這個帶小孔的空腔就成了黑體，C正確；

D.普朗克引入能量子的概念，得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，與實驗符合得非常

好，并由此開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元，D錯誤。

故選C。

5、下列說法不正確的是'：）

A.普朗克提出能量子的概念

B.麥克斯韋預(yù)言并證實了電磁波的存在

C.電磁波是一種物質(zhì)，可以在真空中傳播

D.變化的電場周圍一定產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生電場

【答案】B

【解析】

A.普朗克提出能量子的概念，故A正確；

B.麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲證實了電磁波的存在，故B錯誤；

C.電磁波是一種物質(zhì)，可以在真空中傳播，故C正確；

D.變化的電場周圍一定產(chǎn)生磁場，變化的磁場周圍一定產(chǎn)生電場，故D正確。

本題選錯誤的，故選B,

6、電磁波在日常生活和生產(chǎn)中已經(jīng)被大量應(yīng)用，下列有關(guān)電磁波的說法正確的是（）

A.微波比可見光的波長大

B.麥克斯韋證實了電磁波的存在

C.變化的電場周圍一定產(chǎn)生電磁波

D.黑體輻射電磁波的強度與溫度無關(guān)

【答案】A

【解析】

A.根據(jù)電磁波譜可知，微波比可見光的波長大，選項A正確；

B.麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲證實了電磁波的存在，選項B錯誤；

C.均勻變化的電場周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，而穩(wěn)定的磁場周圍不產(chǎn)生電場，不會產(chǎn)生電磁波，

選項C錯誤；

D.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)，故D錯誤。

故選A。

7、如圖甲所示，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，陰極K在受到光照時

能夠發(fā)射光電子。陰極K與陽極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源的正負極也可以對調(diào)。

閉合開關(guān)后，陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成光電流?，F(xiàn)分別用藍光、弱

黃光、強黃光照射陰極K,形成的光電流與電壓的關(guān)系圖像如圖乙示，圖中a、b、c光依次

為（）

乙

A.藍光、弱黃光、強黃光B.弱黃光、藍光、強黃光

C.強黃光、藍光、弱黃光D.藍光、強黃光、弱黃光

【答案】C

【解析】

設(shè)遏止電壓為S，由動能定理

可知，對于同一種金屬乂不變，遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)。對于一定頻率的光，無論

光的強弱如何，截止電壓都是一樣的，故”、c是同種顏色的光，在光的頻率不變的情況下,

入射光越強，飽和電流越大，〃為強黃光，C為弱黃光。力的遏止電壓最大，故。光的頻率最

大，為藍光。

故選Co

8、（2021甘肅金昌一中高三月考）如圖所示為用光電管研究光電效應(yīng)實驗的電路圖，現(xiàn)用

頻率為匕的光照射陰極K,電流表中有電流通過，電路中的滑動變阻器的滑動觸頭為戶。K

列說法正確的是（）

A.當(dāng)P移動到a端時，電流表中一定無電流通過

B.P向b端滑動的過程，電流表示數(shù)可能不變

C.改用頻率小于匕的光照射，電流表中一定有電流通過

D.改用頻率大于看的光照射，電流表中可能無電流通過

答案：B

解析：當(dāng)P移動到a端時，由光電效應(yīng)，仍然有光電流產(chǎn)生，電流表中仍有電流通過，A項錯

誤；滑動觸頭向b端滑動的過程，陽極A吸收光電子的能力增強，光電流會增大，當(dāng)射出的

所有光電子都能到達陽極A時，光電流達到最大，即飽和電流，若在滑動P前，光電流己經(jīng)

達到飽和，則P向b端滑動的過程中，電流表示數(shù)不變，B項正確；因為不知道陰極K的截止

頻率，所以改用頻率小于Vi的光照射時，不一定能發(fā)生光電效應(yīng)，電流表中不一定有電流通

過，C項錯誤；改用頻率大于看的光照射時，依然能夠發(fā)生光電效應(yīng)，電流表中一定有電流

通過，D項錯誤。

9、在研究光電效應(yīng)現(xiàn)象時，先后用兩種不同色光照射同一光電管，所得的光電流/與光電管

兩端所加電壓U間的關(guān)系曲線如圖所示，下列說法正確的是（）

A.色光乙的頻率小、光強大

B.色光乙的頻率大、光強大

C.若色光乙的強度減為原來的?半，無論電壓多大，色光乙產(chǎn)生的光電流一定比色光甲產(chǎn)生

的光電流小

D.若另一光電管所加的正向電壓不變，色光甲能產(chǎn)生光電流，則色光乙一定能產(chǎn)生光電流

答案：D

解析：由題中圖像可得用色光乙照射光電管時遏止電壓大，所以色光乙的頻率大。由題中圖

像可知，色光甲的飽和光電流大于色光乙的飽和光電流，故色光甲的光強大于色光乙的光強，

A、B項錯誤；如果使色光乙的強度減半，則只是色光乙的飽和光電流減小，在特定的電壓

下，色光乙產(chǎn)生的光電流不一定比色光甲產(chǎn)生的光電流小，C項錯誤：因色光乙的頻率大于

色光甲的，故另一個光電管加一定的正向電壓，如果色光甲能使該光電管產(chǎn)生光電流，則色

光乙一定能使該光電管產(chǎn)牛光電流，D項iF確。

10、某氫月激光器發(fā)光的功率為P,發(fā)射頻率為卜的單色光，真空中光速為c,下列說法正

確的是（）

A.激光器每秒發(fā)射的光子數(shù)為二

nv

B.每個光子的能量為〃￡

V

C.該單色光在真空中的波長為上

c

D.單色光從空氣進入水中后波長變大

【答案】A

【解析】A.經(jīng)時間?發(fā)出的光子能量為

則激光器每秒發(fā)射的光子數(shù)為

故A正確；

B.根據(jù)愛因斯坦的兒子說可知，一個兒子的能量為

故B錯誤；

C.該單色光在真空中的波長為

故C錯誤；

故選A。

11、如圖甲，合上開關(guān)，用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極K,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零。

調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小