高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册光电效应导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册光电效应导学案
1．与光电效应有关的两组概念对比
（1）光电子的初动能与光电子的最大初动能：从金属表面直接向外飞出的光电子，只需克服原子核的引力做功，此时，光电子具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
（2）光电流与饱和光电流的决定因素：光电流与入射光的强度和所加电压有关；饱和光电流是光电流的最大值，与所加电压无关，随入射光强度的增大而增大。
2．两条对应关系
（1）入射光频率一定，光照强度大→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。
3．三个重要关系式
（1）爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。
（2）最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。
（3）逸出功与极限频率的关系W0＝hν0。
4．光电效应图像
二．典例精讲
1．光电效应规律
例题1 （多选）（2024·黑吉辽卷）X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则（ ）
A．该金属的逸出功增大B．X光的光子能量不变
C．逸出的光电子最大初动能增大D．单位时间逸出的光电子数增多
【答案】BD
【解析】A．金属的逸出功只与金属种类有关，与光照强度无关，A错误；
B．光子能量E＝hν，只与光子的频率有关，故增加X光的强度，光子能量不变，B正确；
C．逸出的光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，与光照强度无关，C错误；
D．在频率不变的情况下，增加光照强度，单位时间内逸出的光电子数增多，D正确。故选BD。
2．光电效应方程的应用
例题2 用如图所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零。移动滑动变阻器的滑片P，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为零，则在该实验中（ ）
A．光电子的最大初动能为1.05 eV
B．光电管阴极的逸出功为1.7 eV
C．开关S断开，电流表G示数为零
D．当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，电压表示数增大
【答案】D
【解析】A．由题意可知，遏止电压Uc＝1.7 V，光电子的最大初动能Ek＝eUc＝1.7 eV，A错误；
B．根据光电效应方程可知，逸出功W0＝ε－Ek＝1.05 eV，B错误；
C．断开开关S，光电效应依然发生，有光电流，光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路，电流表中电流不为零，C错误；
D．电源电压为反向电压，当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，D正确。故选D。
3．光电效应图像
例题3 （2025·河南·联考题）研究某种金属的光电效应规律，所得相关图像分别如图甲、乙、丙、丁所示，Ek为光电子的最大初动能、ν为入射光的频率、I为光电流、U为两极板间的电压、Uc为遏止电压。下列说法正确的是（ ）

A．由图甲知，入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为
B．由图乙知，入射光的光照强度越大，光电子的最大初动能越大
C．由图丙知，入射光2的频率大于入射光1的频率
D．由图丁知，入射光的频率大于νc时，入射光的频率越大，遏止电压越大
【答案】D
【解析】A．根据Ek＝hν－W0，W0＝hνc，结合图甲可知，νc为截止频率，当入射光的频率为时，不能发生光电效应，不能产生光电子，故A错误；
B．光电子的最大初动能由入射光的频率与金属的逸出功共同决定，与光照强度无关，故B错误；
C．根据图丙可知Uc1＞Uc2，根据eUc1＝Ek1＝hν1－W0，eUc2＝Ek2＝hν2－W0，则有ν1＞ν2，即入射光2的频率小于入射光1的频率，故C错误；
D．由Uc＝可知入射光的频率大于νc时，入射光的频率越大，遏止电压越大，故D正确。故选D。
例题4 （2025·四川·模拟题）如图甲，分别用a、b两种材料作K极进行光电效应实验研究，用频率为ν的入射光照射K极，且保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系图像如图乙所示，且两线平行，已知普朗克常量h。则下列说法正确的是（ ）
A．图线1、2斜率k是普朗克常量h B．图线1、2斜率k是电子电荷量e
C．材料a的逸出功W1＝hν＋E0 D．材料a、b的逸出功之比为1∶2
【答案】B
【解析】AB．根据光电效应方程得Ek＝hν－W0，根据动能定理得eU＝Ekm－Ek，联立得Ekm＝eU＋hν－W0，可知图线1、2斜率k是电子电荷量e，故A错误，B正确；
CD．根据Ekm＝eU＋hν－W0，设材料a、b的逸出功分别为W1、W2，根据题图乙可知E0＝hν－W1，2E0＝hν－W2，可得W1＝hν－E0，W2＝hν－2E0，则材料a、b的逸出功之比为＞，故C、D错误。
故选B。
三．跟踪训练
1．（多选）如图所示，用导线把验电器与锌板相连接，已知紫外线的频率大于锌的截止频率，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是（ ）
A．有光子从锌板逸出B．有电子从锌板逸出
C．验电器指针张开一个角度D．锌板带负电
【答案】BC
【解析】用紫外线照射锌板时，发生光电效应，有电子从锌板逸出，锌板失去电子带正电，所以验电器带正电而箔片张开一定角度。故A、D错误，B、C正确。
2．表中给出了铝和钙的截止频率和逸出功，已知普朗克常量与光速的乘积为1 240 eV·nm，若用200 nm的光分别照射两种金属，下列选项正确的是（ ）
A．只有金属钙能发生光电效应
B．若增大入射光的波长，则截止频率减小
C．金属铝和钙对应遏止电压之比为2∶3
D．金属铝和钙对应遏止电压之比为21∶16
【答案】C
【解析】由题意可知，光子能量E＝＝ eV＝6.2 eV，光子能量大于两种金属的逸出功，故均能发生光电效应，A错误；截止频率只与金属自身的性质有关，与入射光的频率无关，B错误；由爱因斯坦光电效应方程有Ek＝E－W0，结合动能定理eUc＝Ek得，铝的遏止电压为2 V，钙的遏止电压为3 V，则金属铝和金属钙的遏止电压之比为2∶3，故C正确，D错误。
3．（2025·内蒙古包头·联考题）图甲是研究光电效应的电路图，图乙是光电流与电压的关系。根据图甲和图乙中提供的信息，下列说法正确的是（ ）
A．a光的光照强度等于c光的光照强度
B．a光的光照强度小于b光的光照强度
C．a光的频率小于c光的频率
D．a光的频率大于b光的频率
【答案】C
【解析】根据Ekm＝hν－W0，－eUc＝0－Ekm，可得eUc＝hν－W0，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，由图像可知a光、b光的遏止电压相等，且小于c光的遏止电压，所以三种色光的频率关系为νc＞νa＝νb，故C正确，D错误；a光的频率小于c光的频率，在相同电路下，a光发生光电效应对应的饱和电流大于c光对应的饱和电流，说明a光的光照强度大于c光的光照强度，故A错误；a光、b光的频率相等，在相同电路下，a光发生光电效应对应的饱和电流大于b光对应的饱和电流，说明a光的光照强度大于b光的光照强度，故B错误。故选C。
4．（2024·山东青岛·模拟题）太阳能电池板是利用光电效应将光能转化为电能的设备，图甲是研究制作电池板的材料发生光电效应的电路图。用不同频率的光照射K极板发生光电效应，得到图乙中遏止电压Uc与入射光的频率ν间的关系图像。下列说法正确的是（ ）
A．增大入射光频率，K极板的逸出功增大
B．增大入射光频率，产生光电子的最大初动能增大
C．增大入射光强度，产生光电子的最大初动能增大
D．遏止电压Uc与入射光频率ν关系图像的斜率表示普朗克常量
【答案】B
【解析】A、逸出功由金属决定，与入射光无关，故A错误；
B、增大入射光频率，根据可知产生光电子的最大初动能增大，故B正确；
C、光电子的最大初动能与光照强度无关，与入射光的频率有关，故C错误；
D、，得，所以遏止电压Uc与入射光频率ν关系图像的斜率表示，故D错误。故选B。
图像名称
图线形状
由图线直接（间接）得到的物理量
最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系图线
①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标ν0
②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：图线与横轴的交点
②饱和光电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率ν0：图线与横轴的交点
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke。（注：此时两极之间接反向电压）
金属
铝
钙
νc/(×1014 Hz)
10.1
7.73
W0/eV
4.2
3.2