光学与波动 · 人教版高中物理选择性必修三第四章

光电效应实验与遏止电压模拟器

光电效应三大铁律：1) 能否逸出光电子只取决于光频率是否超过截止频率 ν0（与光强完全无关）；2) 光电子最大初动能只与入射光频率成线性关系；3) 光电流饱和值与光强成正比。

本地计算 · 数据不上传

考点预设与典型误区：

3D 物理实验视窗● 60 FPS

速度:

实验控制变量

入射光波长 λ

阴极金属靶材

入射光强 (光子流密度)

反向阻遏电压 U

入射光子能量 E

金属逸出功 W0

最大初动能 Ek,max

遏止电压 Uc

【实时推导与公式代入】

基本公式： --

代入过程： --

物理状态： --

【题干】 金属钠的逸出功为 2.29eV。用波长为 400nm 的蓝紫光照射金属钠，能否发生光电效应？若能，逸出光电子的最大初动能和遏止电压是多少？（普朗克常量 h=6.63×10⁻³⁴ J·s，1eV=1.6×10⁻¹⁹ J）

【详细计算步骤】

1) 光子能量 E = hc/λ = (6.63×10⁻³⁴ × 3.0×10⁸) / (400×10⁻⁹) ≈ 4.97×10⁻¹⁹ J = 3.11eV；2) E = 3.11eV > W0 = 2.29eV，能发生光电效应；3) 最大初动能 Ek = E - W0 = 3.11 - 2.29 = 0.82eV；4) 遏止电压 Uc = Ek/e = 0.82V。

【题干】 经典电磁波波动理论在解释光电效应时遇到了哪三个无法逾越的矛盾？

【详细计算步骤】

1) 波动说认为光强越大能量越大，强光照射一定能逸出电子，但实验证明红光再强也不逸出；2) 波动说认为能量积蓄需要时间，微弱光要几小时甚至几天，实验证实逸出是瞬时发生；3) 波动说认为光电子动能应与光强相关，实验证实只与频率相关。

Q1. 变式 1：在光电效应实验中，如果保持入射光频率不变，将入射光强增大到原来的 2 倍，光电子的最大初动能如何变化？饱和光电流如何变化？

Q2. 变式 2：某金属受到紫外线照射产生光电效应，在测量遏止电压 Uc 随入射光频率 ν 变化的图像中，图像的斜率代表什么物理意义？纵截距代表什么？

Q3. 变式 3：光电管在现代技术中有哪些常见应用？其核心工作原理是什么？

爱因斯坦为什么是因为“光电效应”而不是“相对论”获得诺贝尔物理学奖？

1921年相对论在当时的学术界依然存在巨大理论争议且难以完全实验验证；而光电效应提出了光子假说，被密立根以极高精度的实验彻底证实，开启了量子力学大门。

如果光子能量刚好等于逸出功（hν = W0），电子能逸出吗？逸出后的速度是多少？

恰好可以逸出，此时电子的最大初动能为零（Ek = 0），电子脱离金属原子束缚刚好停留在金属表面，初速度为零。对应的频率就是极限截止频率 ν0。

增加反向阻遏电压，为什么光电流不会突变为零，而是逐渐减小最终归零？

因为金属内部逸出的电子有的来自表层、有的来自深层，逸出时具有从 0 到 Ek,max 连续分布的速度谱。反向电压逐渐增加时，速度小的电子先被挡回，只有最快的电子能到达，直到 U=Uc 全被挡回。

光到底是一种波还是一种粒子？

光具有波粒二象性（Wave-Particle Duality）！在传播过程中（如干涉、衍射、偏振）主要表现出波动性；在与物质发生相互作用吸收和发射时（如光电效应、康普顿散射）主要表现出粒子性。