學而優教有方第2節光電效應【知識梳理與方法突破】一、光電效應及其實驗規律1.光電效應中的幾組概念的理解兩組對比概念說明光子光電子光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電，光電子是金屬表面受到光照射時發射出來的電子，其本質是電子，光子是光電效應的因，光電子是果光電子的初動能光電子的最大初動能光照射到金屬表面時，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個方向運動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能光子的能量入射光的強度光子的能量即每個光子的能量，其值為ε=hν(ν為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。入射光的強度指單位時間內照射到金屬表面單位面積上的總能量，入射光的強度等于單位時間照射到金屬表面單位面積上內光子能量與入射光子數的乘積光電流飽和電流金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流增大，但光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和電流，在一定的光照條件下，飽和電流與所加電壓大小無關光的強度飽和電流飽和光電流與入射光強度成正比的規律是對頻率相同的光照射金屬產生光電效應而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關系2.光電效應的實驗規律（1）發生光電效應時，入射光越強，飽和電流越大，即入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。（2）光電子的最大初動能（或遏止電壓）與入射光的強度無關，只與入射光的頻率有關。入射光的頻率越高，光電子的最大初動能越大，但最大初動能與頻率不成正比。（3）每一種金屬都有一個截止頻率（或極限頻率）νc，入射光的頻率必須大于νc才能發生光電效應。頻率低于（4）光電效應具有瞬時性。3.光電效應與經典電磁理論的矛盾項目經典電磁理論光電效應實驗結果矛盾1按照光的經典電磁理論，不論入射光的頻率是多少，只要光強足夠強，總可以使電子獲得足夠的能量從而發生光電效應如果光的頻率小于金屬的極限頻率，無論光強多大，都不會發生光電效應矛盾2光越強，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動能也應該越大，所以遏止電壓與光強有關遏止電壓與光強無關，與頻率有關矛盾3光越強時，電子能量積累的時間就短，光越弱時，能量積累的時間就長當入射光照射到光電管的陰極時，無論光強怎樣微弱，幾乎在一開始就產生了光電子【例1】光伏電池是利用半導體材料的光電效應將太陽光能直接轉換為電能的一種非機械裝置。研究光電效應的電路圖如圖所示，下列有關分析正確的是（）A．發生光電效應時，入射光的強度越大遏止電壓越高B．發生光電效應時，入射光的頻率越高飽和光電流一定越大C．用不同顏色的光照射陰極K，發生光電效應時電流表的示數可能相同D．若電流表的示數為0，則說明入射光的頻率小于或等于陰極材料的截止頻率【答案】C【詳解】AB．由可知入射光的頻率越高，遏止電壓越高，但飽和光電流不一定越大，飽和光電流還和入射光的強度有關，故AB錯誤；C．用不同顏色的光照射陰極K，只要單位時間內產生的光電子數目相同，則電流表的示數相同，故C正確；D．電流表的示數為0，可能是反向電壓遏止光電流的產生，故D錯誤。故選C。【針對訓練1】研究光電效應電路如圖所示。用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板（陰極K），鈉極板發射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓的關系圖象中，正確的是（）A． B．C． D．【答案】C【詳解】遏止電壓不會隨光的強弱而變化，光的強弱會影響飽和電流的大小，光照越強，飽和電流越大；故C正確，ABD錯誤。故選C。二、光電效應方程的理解和應用1.光電效應方程Ek（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～（2）光電效應方程實質上是能量守恒方程。能量為E=hν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動能。如果克服吸引力做功最少為W0，則電子離開金屬表面時動能最大為E（3）光電效應方程包含了產生光電效應的條件。若發生光電效應，則光電子的最大初動能必須大于零，即Ek=hν-W0>02.光電效應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Ek①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標ν②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc②飽和電流：電流的最大值③最大初動能：E顏色不同時，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc?1、②飽和電流③最大初動能Ek?1=遏止電壓Uc①極限頻率νc②遏止電壓Uc③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h=ke3.光電效應規律中的兩條線索、兩個關系（1）兩條線索（2）兩個關系光強→光子數目多→發射光電子多→光電流大；光子頻率高→光子能量大→產生光電子的最大初動能大。【例2】甲、乙兩種金屬發生光電效應時，光電子的最大初動能與入射光頻率間的關系分別如圖中的a、b所示。下列判斷正確的是（）A．圖線a與b不一定平行B．圖線a與b的斜率是定值，與入射光和金屬材料均無關系C．乙金屬的極限頻率小于甲金屬的極限頻率D．甲、乙兩種金屬發生光電效應時，若光電子的最大初動能相同，甲金屬的入射光頻率大【答案】B【詳解】A．根據光電效應方程圖線的斜率代表普康克常量，兩直線一定平行，A錯誤；B．普朗克常量與入射光和金屬材料均無關系，B正確；C．橫軸截距表示最大初動能為零時的入射光頻率，也就是金屬的極限頻率，故乙金屬的極限頻率大于甲金屬的極限頻率，C錯誤；D．由A項可知，甲、乙兩種金屬發生光電效應時，若光電子的最大初動能相同，甲金屬的入射光頻率小，D錯誤。故選B。【針對訓練2】已知普朗克常量為，元電荷，如圖所示為金屬鈣的遏止電壓Uc隨入射光頻率v變化的圖像，圖像中v0的數值約為（

）A． B． C． D．【答案】A【詳解】根據當時解得當時故選A。三、康普頓效應1.康普頓效應的幾點認識（1）光電效應主要用于電子吸收光子的問題；而康普頓效應主要用于討論光子與電子碰撞且沒有被電子吸收的問題。（2）光子不僅具有能量，也具有動量，在與其他微粒作用過程中遵循能量守恒定律和動量守恒定律。（3）假定X射線光子與電子發生彈性碰撞。光子和電子相碰撞時，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長。（4）康普頓效應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。2.光子的能量和動量能量ε和動量p是描述物質的粒子性的重要物理量；波長λ和頻率ν是描述物質的波動性的典型物理量。ε=hν和【例/3】如圖所示是教材上解釋康普頓效應的示意圖，下列說法正確的是（）A．圖中光子與電子不是正碰，故不遵循動量守恒定律B．圖中碰撞后光子頻率ν′可能等于碰撞前光子頻率νC．圖中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度D．圖中碰撞后光子波長一定大于碰撞前光子波長【答案】D【詳解】A．無論正碰還是斜碰，系統所受的合外力為零，碰撞過程都遵循動量守恒定律，A錯誤；BD．由于光子與電子碰撞后，光子的部分能量傳遞給電子，所以光子能量一定減小，根據公式可知圖中碰撞后光子頻率ν′一定小于碰撞前光子頻率ν，碰撞后光子的波長一定大于碰撞前光子的波長，B錯誤，D正確；C．根據愛因斯坦相對論的光速不變原理，光子的速度為c，碰撞前后不變，C錯誤。故選D。【針對訓練3】6．COVID-19引起的肺炎病人在進行CT診斷時，肺部影像呈白色（“白肺”），其物理原理是利用X射線穿透人體肺部進行掃描并呈現灰度不同的圖像。X射線的穿透量受物質吸收程度的影響，吸收程度與物質的密度等因素有關。密度越小，吸收X射線的本領越弱，透過人體的量就越多，呈現的圖片就越暗，如空氣等。密度越大，吸收X射線的本領越強，透過人體的量就越少，呈現的圖片為白色，如骨骼等。X射線被物質的吸收主要產生兩種效應：光電效應和康普頓效應。依據以上信息，下列說法中正確的是（）A．光電效應說明光具有波動性B．X射線光子被原子中的電子全部吸收從原子中飛出變為具有一定動能的光電子的現象，屬于光電效應，說明X射線具有粒子性C．光電效應中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大D．X射線光子只被電子部分吸收，電子能量增大，光子被散射出去，散射光子波長變長，這說明光子既具有能量又具有動量，這屬于康普頓效應，說明了X射線具有粒子性【答案】BCD【詳解】A．光電效應說明光具有粒子性，A錯誤；B．X射線光子被原子中的電子全部吸收從原子中飛出變為具有一定動能的光電子的現象，屬于光電效應，說明X射線具有粒子性，B正確；C．據光電效應方程可知，光電效應中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大，C正確；D．由可知，X射線光子只被電子部分吸收，電子能量增大，光子被散射出去，散射光子由于能量減小，故波長變長，這說明光子既具有能量又具有動量，這屬于康普頓效應，說明了X射線具有粒子性，D正確。故選BCD。【對點檢測】1．在光電效應實驗中，飛飛同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關系曲線（甲光、乙光、丙光），如圖所示。則可判斷出（）A．乙光的波長大于丙光的波長B．甲光的頻率大于乙光的頻率C．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能【答案】A【詳解】A．丙光的截止電壓大于乙光的截止電壓，所以丙光的頻率大于乙光的頻率，則乙光的波長大于丙光的波長；故A正確；B．根據入射光的頻率越高，對應的截止電壓Uc越大。甲光、乙光的截止電壓相等，所以甲光、乙光的頻率相等，故B錯誤；C．同一金屬對應的截止頻率相同，所以乙光對應的截止頻率等于丙光的截止頻率，故C錯誤；D．根據光電子動能越大，對應的遏止電壓Uc越大。甲光的遏止電壓小于丙光的遏止電壓，所以甲光對應的光電子最大初動能小于丙光對應的光電子最大初動能，故D錯誤。故選A。2．用如圖所示的裝置研究光電效應現象，當用光子能量為3.6eV的光照射到光電管上時，電流表G有讀數。移動變阻器的觸點c，當電壓表的示數大于或等于0.9V時，電流表讀數為0，則以下說法正確的是（）A．光電子的最大初動能為0.9eVB．改用能量為2eV的光子照射，電流表G有電流，但電流較小C．電鍵S斷開后，電流表G示數為0D．光電管陰極的逸出功為3.6eV【答案】A【詳解】A.由題可知,遏制電壓,由可得，A正確；B.由題可知，光電管的逸出功小于等于3.6eV，改用能量為2eV的光子照射，電流表G可能有電流，也可能沒有電流，B錯誤；C.電鍵S斷開后，仍然能組成閉合回路,電流表G示數可以不為0，C錯誤；D.光電管的逸出功小于等于3.6eV，D錯誤。故選A。3．對光電效應的理解正確的是（）A．金屬鈉的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬B．在光電效應中，電子吸收足夠能量后才可以逸出，所以發生光電效應的累積時間很長C．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發生光電效應D．發生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大【答案】C【詳解】A.金屬鈉的每個電子吸收一個光子，獲取能量，若足夠克服金屬做功，就能逸出金屬，若不夠克服金屬做功，就不能逸出金屬，不會發生積累，A錯誤；B.在光電效應中，電子吸收一個光子，獲取能量，若足夠克服金屬做功，就幾乎瞬時從金屬逸出，一般不超過，即發生光電效應幾乎是瞬時的，不需要累積時間，B錯誤；C.根據產生光電效應的條件可知，如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發生光電效應，C正確；D.光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，與光的強度無關，D錯誤；故選C。4．某激光器能發射波長為λ的激光，發射功率為P，c表示光速，h為普朗克常量，則激光器每分鐘發射的光子數量為（

）A． B． C． D．【答案】A【詳解】激光器每分鐘發射的光子數量為每個光子的能量為解得故選A。5．光電管是一種利用光照產生電流的裝置，當入射光照在管中金屬板上時，可以形成光電流。下表中記錄了某同學進行光電管實驗時的數據。次入射光子的能量/eV相對光強飽和光電流大小/mA逸出光電子的最大初動能/eV14.0弱290.824.0中430.834.0強600.8由表中數據得出的以下論斷中正確的是（）A．三次實驗采用了不同頻率的入射光B．三次實驗光電管中的金屬板材質不同C．若入射光子的能量為5.0eV，不論光強多大，飽和光電流一定大于60mAD．若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大初動能為1.8eV【答案】D【詳解】A．入射光子的能量相同，根據可知三次實驗采用了相同頻率的入射光，故A錯誤；B．根據可知，最大初動能相同，則逸出功相同，因此金屬板材質相同，故B錯誤；C．飽和光電流，只與光照強度有關，故C錯誤；D．根據，代入數據得故D正確。故選D。6．用波長為λ1和λ2的單色光A和B分別照射兩種金屬C和D的表面，單色光A照射兩種金屬時都能產生光電效應現象；單色光B照射時，只能使金屬C產生光電效應現象，不能使金屬D產生光電效應現象。設兩種金屬的逸出功分別為WC和WD，則下列選項正確的是（）A．λ1＞λ2，WC＞WD B．λ1＞λ2，WC＜WDC．λ1＜λ2，WC＞WD D．λ1＜λ2，WC＜WD【答案】D【詳解】單色光A照射兩種金屬時都能產生光電效應現象；單色光B照射時，只能使金屬C產生光電效應現象，根據光電效應條件知，單色光A的頻率大于