2026年高考物理大一輪復(fù)習(xí)講義 第十六章 第83課時(shí) 光電效應(yīng)VIP

考情分析試題情境生活實(shí)踐類醫(yī)用放射性核素、霓虹燈、氖管、光譜儀、原子鐘、威耳遜云室、射線測厚儀、原子彈、反應(yīng)堆與核電站、太陽、氫彈、環(huán)流器裝置等學(xué)習(xí)探究類光電效應(yīng)現(xiàn)象、光的波粒二象性、原子的核式結(jié)構(gòu)模型、氫原子光譜、原子的能級結(jié)構(gòu)、射線的危害與防護(hù)、原子核的結(jié)合能、核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)等第83課時(shí)光電效應(yīng)目標(biāo)要求1.掌握黑體輻射的定義及其實(shí)驗(yàn)規(guī)律，理解能量量子化的意義。2.理解光電效應(yīng)現(xiàn)象及光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。會(huì)利用光電效應(yīng)方程計(jì)算逸出功、截止頻率、最大初動(dòng)能等物理量。3.會(huì)分析光電效應(yīng)常見的三類圖像?？键c(diǎn)一黑體輻射能量子1.熱輻射(1)定義：周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫作熱輻射。(2)特點(diǎn)：熱輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體的溫度不同而有所不同。2.黑體、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)黑體：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。(2)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律①黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。②隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，如圖。3.能量量子化(1)能量子：普朗克認(rèn)為，當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時(shí)，只能輻射或吸收某個(gè)最小能量值ε的整數(shù)倍，這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，h被稱為普朗克常量。h＝6.62607015×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。4.光子(1)光子及光子能量：愛因斯坦認(rèn)為，光本身是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成，頻率為ν的光的能量子ε＝hν，稱為光子。(2)光子的動(dòng)量：①康普頓認(rèn)為，光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長λ和普朗克常量h有關(guān)。三者關(guān)系為p＝hλ②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(shí)，要把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子動(dòng)量可能會(huì)變小，波長λ變大。1.黑體能夠反射各種波長的電磁波，但不會(huì)輻射電磁波。(×)2.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，輻射強(qiáng)度極大值向波長較短的方向移動(dòng)。(√)3.玻爾為得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，提出了能量子的假說。(×)4.微觀粒子的能量是量子化的，即微觀粒子的能量是分立的。(√)例1(2023·江蘇卷·14)“夸父一號”太陽探測衛(wèi)星可以觀測太陽輻射的硬X射線。硬X射線是波長很短的光子，設(shè)波長為λ。若太陽均勻地向各個(gè)方向輻射硬X射線，衛(wèi)星探測儀鏡頭正對著太陽，每秒接收到N個(gè)該種光子。已知探測儀鏡頭面積為S，衛(wèi)星離太陽中心的距離為R，普朗克常量為h，光速為c，求：(1)每個(gè)光子的動(dòng)量p和能量E；(2)太陽輻射硬X射線的總功率P。答案(1)hλhcλ(2解析(1)由題意可知每個(gè)光子的動(dòng)量為p＝h每個(gè)光子的能量為E＝hν＝hc(2)太陽輻射的硬X射線光子以球面波的形式均勻地向各個(gè)方向輻射，以太陽為球心，半徑為R的球面上每平方米面積上接收到的光子數(shù)相同，太陽每秒輻射光子的總能量E總＝P①面積為S的鏡頭每秒接收到的輻射光子的能量E1＝S4πR2·E總＝又E1＝Nhν＝Nhcλ③聯(lián)立①②③解得P＝4πR球面輻射模型設(shè)一個(gè)點(diǎn)光源或球光源輻射光子的功率為P0，它以球面波的形式均勻向外輻射光子，在一段很短的時(shí)間Δt內(nèi)輻射的能量E＝P0·Δt，到光源的距離為R處有個(gè)正對光源的面積為S的接收器，如圖所示，則在Δt內(nèi)接收器接收到的輻射光子能量E'＝S4πR2E考點(diǎn)二光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)及其規(guī)律(1)光電效應(yīng)現(xiàn)象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)象稱為光電效應(yīng)，這種電子常稱為光電子。(2)光電效應(yīng)規(guī)律①每種金屬都有一個(gè)截止頻率νc，也稱作極限頻率，入射光的頻率必須大于或等于這個(gè)截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。②光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。③光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10－9s。④當(dāng)入射光的頻率大于或等于截止頻率時(shí)，在光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，逸出的光電子數(shù)越多，飽和電流越大，逸出光電子的數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比，飽和電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比。2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程表達(dá)式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(1)物理意義：金屬表面的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能。(2)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值叫作這種金屬的逸出功，逸出功W0與金屬的截止頻率的關(guān)系為W0＝hνc。(3)最大初動(dòng)能：發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時(shí)所具有的動(dòng)能的最大值。Ek＝12mevc2，可以利用光電管實(shí)驗(yàn)的方法測得，最大初動(dòng)能與遏止電壓Uc的關(guān)系為Ek＝1.光子和光電子都不是實(shí)物粒子。(×)2.用紫外線燈照射鋅板，驗(yàn)電器箔片張開，此時(shí)鋅板帶正電；若改用紅光照射鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器箔片不張開，說明紅外線的頻率小于鋅的截止頻率。(√)3.只要入射光的強(qiáng)度足夠大，就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。(×)4.要使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，入射光子的能量必須大于或等于該金屬的逸出功。(√)5.光電子的最大初動(dòng)能與入射光子的頻率成正比。(×)例2(多選)(2024·黑吉遼·8)X射線光電子能譜儀是利用X光照射材料表面激發(fā)出光電子，并對光電子進(jìn)行分析的科研儀器，用某一頻率的X光照射某種金屬表面，逸出了光電子，若增加此X光的強(qiáng)度，則()A.該金屬逸出功增大B.X光的光子能量不變C.逸出的光電子最大初動(dòng)能增大D.單位時(shí)間逸出的光電子數(shù)增多答案BD解析金屬的逸出功是金屬的自身固有屬性，僅與金屬自身有關(guān)，增加此X光的強(qiáng)度，該金屬逸出功不變，故A錯(cuò)誤；根據(jù)光子能量公式ε＝hν可知增加此X光的強(qiáng)度，X光的光子能量不變，故B正確；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ekm＝hν－W0，可知增加此X光的強(qiáng)度，逸出的光電子最大初動(dòng)能不變，故C錯(cuò)誤；增加此X光的強(qiáng)度，單位時(shí)間照射到金屬表面的光子變多，則單位時(shí)間逸出的光電子數(shù)增多，故D正確。例3(九省聯(lián)考·河南·16)某光源包含不同頻率的光，光的強(qiáng)度與頻率的關(guān)系如圖所示。表中給出了一些金屬的截止頻率νc，用該光源照射這些金屬。則()金屬νc/(×1014Hz)銫4.69鈉5.53鋅8.06鎢10.95A.僅銫能產(chǎn)生光電子B.僅銫、鈉能產(chǎn)生光電子C.僅銫、鈉、鋅能產(chǎn)生光電子D.都能產(chǎn)生光電子答案C解析根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0金屬的逸出功為W0＝hνc由題圖可知光源中光的頻率范圍為1.5×1014Hz≤ν≤9×1014Hz則僅銫、鈉、鋅能產(chǎn)生光電子。故選C。例4鋁的逸出功是4.2eV，現(xiàn)在用波長為200nm的光照射鋁的表面，取元電荷e＝1.60×10－19C，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，真空中光速c＝3×108m/s，求：(結(jié)果均保留1位有效數(shù)字)(1)光電子的最大初動(dòng)能；(2)遏止電壓；(3)鋁的截止頻率。答案(1)2eV(2)2V(3)1×1015Hz解析(1)入射光子的能量ε＝hν＝hc得ε≈6.2eV，由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，得Ek＝2eV(2)由Ek＝eUc，得Uc＝2V(3)由W0＝hνc，得νc≈1×1015Hz。光電效應(yīng)的分析思路考點(diǎn)三光電效應(yīng)中常見的三類圖像1.Ek－ν圖像(1)寫出最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系式：Ek＝hν－W0＝h(ν－νc)。(2)由圖像獲得的信息：①圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)：截止頻率νc。②圖線與Ek軸交點(diǎn)坐標(biāo)的絕對值：逸出功W0。③圖線的斜率：普朗克常量h。2.Uc－ν圖像(此時(shí)兩極間接反向電壓)(1)寫出遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系式Uc＝he(ν－νc)(2)由圖像獲得的信息：①圖線與橫軸交點(diǎn)的坐標(biāo)：截止頻率νc。②圖線的斜率k＝he3.光電流I與電壓的關(guān)系(用同一光電管做實(shí)驗(yàn))(1)甲、乙兩種色光比較：兩種色光對應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能Ek甲＝Ek乙，兩色光頻率ν甲＝ν乙，兩種色光對應(yīng)的截止頻率νc甲＝νc乙，兩種色光強(qiáng)度關(guān)系為甲光較強(qiáng)。(2)丙、丁兩種色光的比較：兩種色光對應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能Ek丙<Ek丁，兩色光頻率ν丙<ν?。粌煞N色光對應(yīng)的截止頻率νc丙＝νc丁。例5(多選)(2025·山東濟(jì)寧市校考)在研究甲、乙兩種金屬光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，則()A.兩條圖線與橫軸的夾角α和β可能不相等B.若用同種頻率的光照射這兩種金屬均能發(fā)生光電效應(yīng)，則甲的遏止電壓大于乙的遏止電壓C.若某一頻率的光可以使乙金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則一定也能使甲金屬發(fā)生光電效應(yīng)D.甲金屬的逸出功小于乙金屬的逸出功答案BCD解析由光電效應(yīng)方程有Ek＝hν－W0，可知Ek－ν圖像的斜率為普朗克常量，所以兩圖像的斜率一定相等，即α和β一定相等，故A錯(cuò)誤；由Ek＝hν－W0＝h(ν－νc)可知，圖像與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為截止頻率，則甲的截止頻率小，又因?yàn)閃0＝hνc，所以甲的逸出功小，用同種光照射兩種金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則甲的光電子的最大初動(dòng)能大，由因?yàn)閑Uc＝Ek，所以甲的遏止電壓大于乙的遏止電壓，故B、D正確；由上述分析可知，甲的截止頻率小，所以當(dāng)乙可以在某一頻率的光照射下發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，該光也一定可以使甲發(fā)生光電效應(yīng)，故C正確。例6(2024·山東威海市檢測)圖甲為研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，用不同頻率的單色光照射陰極K，正確操作下，記錄相應(yīng)電表示數(shù)并繪制如圖乙所示的Uc－ν圖像，當(dāng)頻率為ν1時(shí)繪制了如圖丙所示的I－U圖像，圖中所標(biāo)數(shù)據(jù)均為已知量，則下列說法正確的是()A.飽和電流I0與K、A之間的電壓有關(guān)B.測量遏止電壓Uc時(shí)，滑片P應(yīng)向b移動(dòng)C.陰極K的逸出功W0＝eD.普朗克常量h＝U答案C解析飽和電流只與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，與外加電壓無關(guān)，故A錯(cuò)誤；測量遏止電壓Uc時(shí)，光電管應(yīng)接反向電壓，滑片P應(yīng)向a移動(dòng)，故B錯(cuò)誤；根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，根據(jù)動(dòng)能定理eUc＝Ek，整理得Uc＝heν－W0e，則Uc－ν圖像的斜率為k＝he＝Uc2-Uc1ν2-ν1，解得普朗克常量h＝(Uc2-Uc1)eν2-ν1，故D錯(cuò)誤；根據(jù)課時(shí)精練(分值：60分)1~6題每小題5分，共30分1.下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與波長關(guān)系的圖中，符合黑體輻射規(guī)律的是()答案A解析黑體輻射的特點(diǎn)是：隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，故選A。2.關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是()A.截止頻率越大的金屬材料逸出功越大B.只要光照射的時(shí)間足夠長，任何金屬都能發(fā)生光電效應(yīng)C.從金屬表面逸出的光電子的最大初動(dòng)能越大，這種金屬的逸出功越小D.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光的頻率一定，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越少答案A解析逸出功W0＝hνc，W0∝νc，A正確；只有照射光的頻率大于或等于金屬截止頻率，才能發(fā)生光電效應(yīng)，與光照的時(shí)間無關(guān)，B錯(cuò)誤；由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0知，最大初動(dòng)能與入射光的頻率和金屬逸出功兩個(gè)因素有關(guān)，入射光頻率ν不確定時(shí)，無法確定Ek與W0的關(guān)系，C錯(cuò)誤；發(fā)生光電效應(yīng)的前提下，入射光的頻率一定時(shí)，入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多，D錯(cuò)誤。3.(2025·山東泰安市檢測)如圖甲所示的電路，可用于研究光電效應(yīng)中光電流大小與照射光的強(qiáng)弱、頻率等物理量的關(guān)系。圖中A、K兩極間的電壓大小可調(diào)，電源的正負(fù)極也可以對調(diào)。分別用a、b、c三束單色光照射，調(diào)節(jié)A、K間的電壓U，得到光電流I與電壓U的關(guān)系如圖乙所示。由圖可知()A.研究遏止電壓時(shí)，電源左端應(yīng)為負(fù)極B.單色光b光子的能量小于單色光a光子的能量C.單色光b的頻率小于單色光a的頻率D.單色光a和c的頻率相同，但a光強(qiáng)度更強(qiáng)些答案D解析光電子從K極逸出，研究遏止電壓時(shí)，A極板應(yīng)帶負(fù)電，所以電源右端應(yīng)為負(fù)極，A錯(cuò)誤；根據(jù)－eUc＝0－Ekm，Ekm＝hν－W0，可知遏止電壓越大，光的頻率越大，根據(jù)ε＝hν可知，頻率越大，光子能量越大，所以b光的頻率大，光子能量大，B、C錯(cuò)誤；單色光a和c照射時(shí)遏止電壓相等，所以兩光的頻率相同，但在相等電壓下，a光照射的光電流大，說明單位時(shí)間內(nèi)光電子數(shù)多，光照強(qiáng)度大，D正確。4.(2024·山東濱州市檢測)用如圖所示電路研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，A、K兩個(gè)電極密封在真空玻璃管中。先后用頻率為ν1、ν2的入射光照射K極，電壓表測出遏止電壓分別為Uc1和Uc2，下列說法正確的是()A.光電子在K、A間做加速運(yùn)動(dòng)B.普朗克常量h＝eC.增大入射光的強(qiáng)度，K極金屬的逸出功也增大D.當(dāng)微安表示數(shù)最大時(shí)，電壓表示數(shù)即為遏止電壓答案B解析題圖中陰極K跟電源正極相連，則靜電力向右，即光電子在K、A間做減速運(yùn)動(dòng)，故A錯(cuò)誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程eUc1＝hν1－W0，eUc2＝hν2－W0，聯(lián)立解得普朗克常量為h＝e(Uc1-Uc2)5.(2024·山東淄博市模擬)人眼對綠光最為敏感，正常人的眼睛接收到波長為530nm的綠光時(shí)，只要每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔，眼睛就能察覺。普朗克常量為6.63×10－34J·s，光速為3.0×108m/s，則人眼能察覺到綠光時(shí)所接收到的最小功率是()A.2.3×10－18W B.3.8×10－19WC.7.0×10－10W D.1.2×10－18W答案A解析因每秒有6個(gè)綠光的光子射入瞳孔眼睛就能察覺，所以察覺到綠光所接收到的最小功率P＝Et，式中E＝6ε，又因?yàn)棣牛絟ν＝hcλ，可解得P＝6hcλt＝6×6.63×10-34×3.0×106.(2025·山東泰安市肥城市質(zhì)檢)如圖所示為研究光電效應(yīng)的裝置，當(dāng)分別利用波長為2λ、λ的單色光照射鋅板時(shí)，從鋅板表面逸出的光電子的最大初速度之比為1∶3，電流計(jì)的示數(shù)均不為零。已知單色光在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則()A.鋅板的極限頻率為9B.用波長為2λ的光照射鋅板時(shí)，電流計(jì)的示數(shù)較大C.用波長為3λ的單色光照射鋅板時(shí)，定能從鋅板表面逸出光電子D.用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時(shí)，二者遏止電壓之比為1∶9答案D解析波長為2λ、λ的單色光的能量分別為E1＝hc2λ，E2＝hcλ，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知Ekm1＝hc2λ－W0，Ekm2＝hcλ－W0，又從鋅板表面逸出的光電子的最大初速度之比為1∶3，知光子最大初動(dòng)能之比為1∶9，由以上可解得W0＝7hc16λ，所以鋅板的極限頻率νc＝W0h＝7c16λ，故A錯(cuò)誤；電流計(jì)的示數(shù)與光電流的大小有關(guān)，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目越多，光電流越大，而單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)與光的強(qiáng)度有關(guān)，由于光的強(qiáng)度關(guān)系未知，所以無法判斷電流計(jì)的示數(shù)大小，故B錯(cuò)誤；波長為3λ的單色光的頻率為ν＝c3λ<7c16λ，因此該光不能使鋅板產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，即不能從鋅板表面逸出光電子，故7~9題每小題6分，10題12分，共30分7.(2024·海南卷·8)利用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)，閉合單刀雙擲開關(guān)，使S接1，用頻率為ν1的光照射光電管，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使電流表的示數(shù)剛好為0，此時(shí)電壓表的示數(shù)為U1，已知電子電荷量為e，普朗克常量為h，下列說法正確的是()A.其他條件不變，增大光強(qiáng)，電壓表示數(shù)增大B.改用比ν1更大頻率的光照射，調(diào)整電流表的示數(shù)為零，此時(shí)電壓表示數(shù)仍為U1C.其他條件不變，使開關(guān)S接2，電流表示數(shù)仍為零D.光電管陰極材料的截止頻率νc＝ν1－e答案D解析當(dāng)開關(guān)S接1時(shí)，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得eU1＝hν1－W0，故其他條件不變時(shí)，增大光強(qiáng)，電壓表的示數(shù)不變，故A錯(cuò)誤；改用比ν1更大頻率的光照射，調(diào)整電流表的示數(shù)為零，而金屬的逸出功不變，故遏止電壓變大，即此時(shí)電壓表示數(shù)大于U1，故B錯(cuò)誤；其他條件不變，使開關(guān)S接2，此時(shí)hν1>W0，可發(fā)生光電效應(yīng)，故電流表示數(shù)不為零，故C錯(cuò)誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程得eU1＝hν1－W0，其中W0＝hνc，聯(lián)立解得光電管陰極材料的截止頻率為νc＝ν1－eU1h8.(2024·山東威海市檢測)如圖甲，A和B兩單色光，以適當(dāng)?shù)慕嵌认虬雸A形玻璃磚射入，出射光線都從圓心O沿OC方向射出，且這兩種光照射同種金屬，都能發(fā)生光電效應(yīng)。那么在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中(如圖乙所示)，調(diào)節(jié)這兩束光的強(qiáng)度并分別照射相同的光電管，實(shí)驗(yàn)中這兩束光都能在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相同數(shù)量的光電子，實(shí)驗(yàn)所得光電流I與光電管兩端所加電壓U間的關(guān)系曲線分別以A、B表示，則下列圖中可能正確的是()答案D解析由光路的可逆性可知，單色光A的偏折程度較大，其折射率較大，頻率較高，由Ekm＝hν－W0，又eUc＝Ekm，聯(lián)立解得Uc＝hνe－W