2019届高考物理一轮复习讲义：第12章 第1讲 光电效应(含答案)

第1讲   光电效应

板块一　主干梳理·夯实基础

【知识点1】　光电效应　Ⅰ

1．定义

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。

2．光电子

光电效应中发射出来的电子。

3．光电效应规律

(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能产生光电效应。低于这个频率的光不能产生光电效应。

(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。

(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极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。

【知识点2】　爱因斯坦光电效应方程　Ⅰ

1．光子说

在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。 其中h＝6.63×10－34 J·s(称为普朗克常量)。

2．逸出功W0

使电子脱离某种金属所做功的最小值。

3．最大初动能

发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服金属的逸出功后所具有的动能。

4．爱因斯坦光电效应方程

(1)表达式：Ek＝hν－W0。

(2)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光电子的最大初动能Ek＝mev2。

5．对光电效应规律的解释

【知识点3】　光的波粒二象性　物质波

1．光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。

(2)光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。

(3)光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

2．物质波

(1)1924年，法国物理学家德布罗意提出：实物粒子也具有波动性，每一个运动着的粒子都有一个波和它对应，这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。

(2)物质波的波长：λ＝＝，其中h是普朗克常量。物质波也是一种概率波。

板块二　考点细研·悟法培优

考点1  光电效应规律的理解  [深化理解]

1．光子与光电子

光子是指组成光本身的一个个不可分割的能量子，光子不带电；光电子是指金属表面受到光照射时发射出来的电子。

2．光电子的最大初动能与光电子的动能

当光照射金属时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动。有的向金属内部运动，有的向金属表面运动，但因途径不同，运动途中消耗的能量也不同。唯独在金属表面的电子，只要克服金属原子核的引力做功，就能从金属中逸出而具有最大初动能。根据爱因斯坦光电效应方程可以算出光电子的最大初动能为Ek＝hν－W0(W0为金属的逸出功)。而其他经过不同的路径射出的光电子，其动能一定小于最大初动能。

3．光电流与饱和光电流

在一定频率与强度的光照射下产生光电效应，光电流与电压之间的关系为：开始时，光电流随电压U的增大而增大，当U比较大时，光电流达到饱和值Im。这时即使再增大U，在单位时间内也不可能有更多的光电子定向移动，光电流也就不会再增大，即饱和光电流是在一定频率与强度的光照射下的最大光电流。在一定光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。

4．入射光强度和光子能量

入射光强度是单位时间内照射到金属表面单位面积上总的能量，光子能量即每个光子的能量，光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积。

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。

例1　[2017·黄冈中学模拟]如图所示为研究光电效应规律的实验电路，电源的两个电极分别与接线柱c、d连接。用一定频率的单色光a照射光电管时，灵敏电流计G的指针会发生偏转，而用另一频率的单色光b照射该光电管时，灵敏电流计G的指针不偏转。下列说法正确的是(　　)

A．a光的频率一定大于b光的频率

B．电源正极可能与c接线柱连接

C．用b光照射光电管时，一定没有发生光电效应

D．若灵敏电流计的指针发生偏转，则电流方向一定是由e→G→f

若灵敏电流计指针不偏转，一定没发生光电效应吗？

提示：不一定。若所加电压为反向电压，发生光电效应也不一定有电流。

尝试解答　选ABD。

由于电源的接法不知道，所以有两种情况：(1)c接负极，d接正极：用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，知a光频率大于金属的极限频率。用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，知b光的频率小于金属的极限频率，所以a光的频率一定大于b光的频率。(2)c接正极，d接负极：用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，知a光产生的光电子能到达负极d端。用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，知b光未产生光电子或产生的光电子不能到达负极d端，所以a光产生的光电子的最大初动能大，a光的频率一定大于b光的频率，A、B正确；由以上的分析可知，不能判断出用b光照射光电管时，一定没有发生光电效应，故C错误；电流的方向与负电荷定向移动的方向相反，若灵敏电流计的指针发生偏转，则电流方向一定是由e→G→f，故D正确。

总结升华

解决光电效应规律问题的技巧

熟练掌握光电效应规律是解决此类问题的关键。

光电效应实验规律可理解记忆：“放不放(光电子)，看光限(入射光最低频率)；放多少(光电子)，看光强；(光电子的)最大初动能(大小)，看(入射光的)频率；要放瞬时放”。

解题中判断是否发生光电效应，不能只看指针是否偏转，还要看光电管所加的电压的方向。

　[2017·邢台模拟]用强度相同的红光和蓝光分别照射同一种金属，均能使该金属发生光电效应。下列判断正确的是(　　)

A．用红光照射时，该金属的逸出功小，用蓝光照射时该金属的逸出功大

B．用红光照射时，该金属的截止频率低，用蓝光照射时该金属的截止频率高

C．用红光照射时，逸出光电子所需时间长，用蓝光照射时逸出光电子所需时间短

D．用红光照射时，逸出的光电子最大初动能小，用蓝光照射时逸出的光电子最大初动能大

答案　D

解析　同种金属的逸出功是相同的，A错误；同种金属的截止频率是相同的，B错误；只要金属能发生光电效应，逸出光电子的时间一样，C错误；蓝光的频率比红光大，由Ek＝hν－W0知，用红光照射时逸出的光电子的最大初动能小，用蓝光照射时逸出的光电子最大初动能大，D正确。

考点2  光电效应的图象分析  [对比分析]

例2　从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他通过如图所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν，作出Uc­ν的图象，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦方程的正确性。图中频率ν1、ν2，遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知，求：

(1)普朗克常量h；

(2)该金属的截止频率νc。

(1)最大初动能Ek与光的频率ν的关系？

提示：Ek＝hν－W0，Ek随ν的增大而增大，成一次函数关系，并非成正比例关系。

(2)最大初动能与遏止电压Uc的关系？

提示：Ek＝eUc。

(3)Uc­ν图线与横轴交点的物理意义？

提示：交点表示极限频率。

尝试解答　(1)　(2)。

根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及动能定理eUc＝Ek得Uc＝ν－ν0

结合图象知k＝＝＝

普朗克常量h＝，ν0＝。

总结升华

解决光电效应图象问题的几个关系

(1)光电效应方程：Ek＝hν－W0。

(2)发生光电效应的临界条件：Ek＝0，νc＝。

(3)反向遏止电压与入射光极限频率的关系：

－eUc＝0－Ek，Uc＝ν－。

　研究光电效应规律的实验装置如图所示，用频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生。由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动。光电流i由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出。当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为反向截止电压Uc，在下列表示光电效应实验规律的图象中，错误的是 (　　)

答案　B

解析　由光电效应实验规律知，光的频率和反向电压一定，光电流强度与光强成正比，A图正确；由光电效应方程可知：hν＝hνc＋Ek，而eUc＝Ek，所以有hν＝hνc＋eUc，Uc与ν成一次函数关系，B图错误；从金属中打出的光电子，在反向电压作用下做减速运动，反向电压增大，到达阳极的光电子数减少，光电流减小，U＝Uc时，光电流为零，C图正确；由光电效应实验规律可知，在ν>νc时，光照射到金属上时，光电子的发射是瞬时的，D图正确。

考点3  光的波粒二象性  [深化理解]

对光的波粒二象性的理解

光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：

(1)从数量上看：个别光子的作用效果往往容易表现出粒子性；大量光子的作用效果往往容易表现出波动性。

(2)从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强。

(3)从传播与作用上看：光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现出粒子性。

(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν或波长λ。

(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子。

例3　(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图象，则下列说法正确的是  (　　)

A．图象(a)表明光具有粒子性

B．图象(c)表明光具有波动性

C．用紫外光观察不到类似的图象

D．实验表明光是一种概率波

(1)什么情况下容易表现出波动性？

提示：波长较长，时间较长，大量的光子容易表现出波动性。

(2)什么情况下容易表现出粒子性？

提示：波长短，时间短，少量的光子容易表现出粒子性。

尝试解答　选ABD。

图象(a)曝光时间短，通过光子数很少，呈现粒子性，图象(c)曝光时间长，通过了大量光子，呈现波动性，A、B正确；同时实验也表明光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，光波是一种概率波，D正确；紫外光本质和可见光本质相同，也可以发生上述现象，C错误。

总结升华

波粒二象性的深入理解

(1)虽然平时看到宏观物体运动时，看不出其波动性，但也有一个波长与之对应。例如飞行子弹的波长约为10－34 m。

(2)波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性；宏观物体也存在波动性，只是波长太小，难以观测。

(3)德布罗意波也是概率波，衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方，但概率的大小受波动规律的支配。

　(多选)关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是(　　)

A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性

B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道

C．波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的

D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性

答案　ABC

解析　不仅光具有波粒二象性，而且任何运动的物质也都具有波粒二象性，A正确，D错误。当运动的微观粒子通过一个小孔时，没有特定的运动轨道，只能知道出现在某个位置的概率，B正确。波动性和粒子性在宏观现象中是矛盾、对立的，但在微观高速运动的现象中却是统一和谐的。C正确。