1．通过演示实验，观察光电效应现象；知道光电效应的实验规律及其与光的电磁理论的矛盾；理解遏止电压、截止频率、逸出功等概念的含义。

2．理解光子说及其对光电效应的解释，能根据光电效应和康普顿效应说明光的粒子性；理解光的波粒二象性，形成对光的本性的正确认识。

3．了解德布罗意波（物质波）的概念及其实验探索和验证，通过波粒二象性知道物质波是概率波；知道电子云的概念，了解波粒二象性是微观世界的基本特征，进一步体会建构物理模型的意义，了解建构模型的方法和意义。

课程标准中对本章的“内容要求”为：

3.4.1  通过实验，了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。

3.4.2  知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。

本章以课程标准规定的内容为载体，展现人类对粒子性和波动性的认识由相互对立走向相互融合的过程。量子力学对原子结构的刻画，假说和建模等过程中所用的科学方法，以及物理学家实事求是的科学态度、求真务实的科学精神都为培养学生物理学科核心素养提供了生动的教育素材。

本章内容为完善学生对物质和运动的认知奠定重要的知识基础，有助于提升学生的物理观念、科学思维和科学探究的能力。

完成本章内容的学习，共需要 3.5 课时，其中第一节 1.5 课时，第二节 1 课时，第三节 1 课时。

本节主要介绍光电效应现象与经典理论之间的矛盾，以及爱因斯坦光子说对光电效应现象所作出的解释。本节内容按照光电效应现象与经典波动理论的矛盾、光子说及其进一步的实验验证为主线展开：

1．通过演示实验，介绍光电效应现象以及相关概念、规律。

2．通过光电效应与经典理论之间的矛盾，展现爱因斯坦提出光子说的历史背景。

3．通过光子说、对光电效应现象的解释，以及密立根实验，展现光子说的创新性和科学性。

在学习过程中让学生经历认识光电效应的实验现象、规律及爱因斯坦光子说的过程，有助于学生形成相对科学的物质观念，领悟实事求是、不迷信权威的科学精神。

教材中提供的实验操作方式较为简单易行，而且现象比较明显。教师可引导学生分析验电器指针张角减小的原因。

图 14 – 2 中，滑动变阻器作为分压器使用，学生在此前学习稳恒电路时已经了解滑动变阻器作为限流器和分压器的连接方法。分压器常用于测定元件的伏安特性曲线。因此，图 14 – 3 就可以看成是图 14 – 2 中光电管在不同光强的单色光照射下的伏安特性曲线。教师可视具体情况引导学生分析下列问题：

（1）当正向电压由零逐渐增大时，光电流为何先增大再保持不变？

（2）当图 14 – 2 中的电源反接时，光电流为何不立即减小到零？

（3）图 14 – 3 中红色和蓝色图线的光电流饱和值与遏止电压的关系说明哪些问题？

此处设置“大家谈”旨在帮助学生加深对相关电学知识以及控制变量法的理解。单位时间从板 K 逸出的光电子数为 n = \(\frac{{{I_{\rm{m}}}}}{e}\)；光电子的最大初动能为 Ekm = eUc。研究逸出光电子的最大初动能与板 K 材料之间的关系时，应控制入射光的频率和强度。

教师可利用表 14 – 1 所列数据，引导学生估算铯、钠、锌等金属产生光电效应时光电子初动能的数量级。

由表 14 – 1 可知，铯、钠、锌等金属要产生光电效应，入射光至少需要使光电子的初动能达到约几个电子伏的能量。以下按照经典理论估算光电效应的响应时间。实验发现，光强为 1 μW/m2 的光照射到钠金属表面，即可测到光电流。这相当于一个功率为 500 W 的点光源照到 6 300 m 处的钠金属板上，即可有电子发射。钠原子的半径 r 约 2×10−10 m，估算得面积为 1 m2 的单原子层的体积为 V = 2×2×10−10×1 m3 = 4×10−10 m3，则假设钠金属有 10 个单原子层的厚度，其中的钠原子数约 1020 个。这样，每个钠原子每秒从入射光获得的能量约为 0.1 μeV。即使每个原子中只有一个电子接收能量，这个电子也需要 107 s 的时间才能获得 1 eV 能量。这一响应时间与实验结果相去甚远！

普朗克认为，原子发射和吸收的能量是一份一份的，而能量（电磁波）在传播过程中仍是连续的。“能量子”假说是一项有划时代意义的工作，它标志着量子力学的诞生。但在当时，不论是普朗克本人还是他的同时代人，对这一观念都没有充分认识。普朗克还为自己提出了不连续的“能量子”思想违反了经典的连续性概念而烦恼和后悔。他本人宣称量子概念“只是理论上的假设”，“只有附属的数学价值”。普朗克由黑体辐射的测量数据算出了普朗克常量 h = 6.55×10−34 J·s。

关于光子的质量请参阅“资料链接”。

此处设置“助一臂”旨在帮助学生了解物理重要的思想方法——假说。

图 14 – 5 以及相关说明文字帮助学生直观地理解光电效应方程所描述的物理过程。教材中“逸出过程中，电子需要克服金属原子实对它的吸引而做功，从而使电子的动能减少，犹如做竖直上抛运动的物体克服重力做功，动能减少”，为图 14 – 5 所采用的类比方式埋下了“伏笔”。光电效应方程反映了一种功能关系，并非所有光电子都具有最大初动能，只有受金属束缚作用最弱的光电子才具有最大初动能。

截止频率常被称为“红限”。

此处设置“STSE”旨在介绍光电效应现象的实际应用，体现科学与技术之间的关系。除教材所提及的光电效应（亦称为“外光电效应”）以外，半导体材料所涉及的“内光电效应”目前的应用更为广泛。光照射在某些半导体材料上并被吸收后，会在半导体内部激发出导电的载流子（电子空穴对），从而使得材料导电能力显著增加；或者由于这种载流子的运动所造成的电荷积累，使得材料两面产生一定的电势差（所谓“光生伏特”）。这些现象统称内光电效应。

光电效应已在生产、科研、国防中有广泛的应用。在有声电影、电视和无线电传真技术中都用光电管或光电池把光信号转化为电信号；在光度测量、放射性测量时也常常用光电管或光电池把光变为电流并放大后进行测量；光计数器、光电跟踪、光电保护等多种装置在生产自动化方面的应用更为广泛。

爱因斯坦的光子说没有及时地得到人们的理解和支持，他提出“遏止电压与频率成正比”没有直接的实验依据。直到 1916 年，密立根设计如图 1 所示的实验装置对此作出了验证。他的实验排除了表面的接触电势差、氧化膜的影响，获得了比较好的单色光。他选了三种逸出功较低的材料——钠、钾、锂作为阴极，置于特制的真空管中，分别接受光的照射，同时测其光电流。通过实验，密立根测得普朗克常量 h = 6.56×10−34 J·s。

图 1

此处设置“大家谈”旨在帮助学生理解图 14 – 8，并体验密立根测定普朗克常量的方法。根据光电效应方程，图14 – 8 中直线的斜率均为 \(\frac{h}{e}\)，而 h、e 均为物理学基本常数，故三条直线彼此平行。同时，由直线斜率及电子电荷量 e 可算出普朗克常量 h。

关于普朗克常量的进一步介绍，请参阅本节“资料链接”。

1．参考解答：截止频率 ν0 满足：逸出功 W = hν0，故

\[{\nu _0} = \frac{W}{h} = \frac{{4.52 \times 1.6 \times {{10}^{ - 19}}}}{{6.626 \times {{10}^{ - 34}}}}\;{\rm{Hz}} \approx 1.09 \times {10^{15}}\;{\rm{Hz}}\]

可见光频率小于此截止频率，可知可见光照射钨不会发生光电效应。

命题意图：练习运用截止频率的条件判断光电效应是否发生。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

2．参考解答：由图可知饱和光电流 Im甲 > Im乙 > Im丙。入射光频率 ν、光电子最大初动能 Ekm、逸出功 W 与反向遏止电压 Uc 满足：hν – W = Ekm = eUc。由图可知 Uc甲 = Uc乙 < Uc丙，所以光电子最大初动能 Ekm甲 = Ekm乙 < Ekm丙，入射光频率 ν甲 = ν乙 < ν丙。

命题意图：通过分析光电效应中入射光频率、光电子最大初动能和饱和光电流之间的关系，加强对光电效应、光子说的理解。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

3．参考解答：单位时间内特定数目的光子照射金属，产生一定量的光电子，一部分的光电子从阴极运动到阳极从而产生光电流。随着正向电压的增大，有更多的光电子到达阳极，使光电流增大，但单位时间内照射金属的光子数目是有限的，产生的光电子数目也是有限的，所以随着正向电压的继续增大，几乎全部的光电子参与导电，光电流也就达到饱和。要使光电流继续增大，可以增大照射金属的光强，即增大单位时间内光子的数目，增大产生的光电子数目，增大饱和光电流。

命题意图：通过对光电流的分析，加强对光电效应、光子说的理解。

主要素养与水平：交流（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

4．参考解答：若用光照射金属时，一个电子可以同时吸收多个光子的能量，则不管单个光子的能量如何，电子总是可以积累多份能量，克服金属的束缚成为光电子，由此可知光电效应不会有截止频率，光电子的最大初动能也不会仅与单个光子能量有关，还应和电子能吸收的光子个数有关。如果光强足够弱，电子需要等待一段时间才能吸收多个光子能量从金属表面逸出，则瞬时性规律也发生变化。饱和光电流与光强成正比的规律没有变化。

命题意图：对比基于不同假设对光电效应的分析，加强对光子说的理解。

主要素养与水平：交流（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

光子的质量与动量

光子以光速运动，故牛顿力学不再适用。按照狭义相对论质量和能量的关系式 E = mc2，可以确定光子的质量，即

\[m = \frac{E}{{{c^2}}} = \frac{{h\nu }}{{{c^2}}}\]

在狭义相对论中，质量和速度的关系为

\[m = \frac{{{m_0}}}{{\sqrt {1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} }}\]

m0 为静止质量，光子永远以不变的速度运动，因而光子的静止质量必然等于零，否则 m 将为无穷大。从另一角度看，因为相对于光子静止的参照系是不存在的，所以光子的静止质量等于零也是合理的。而原子组成的一般物质的速度总是小于光速的，故它们的静止质量不等于零。在 m0 是否等于零这一点上，光子和普通物质有显著的区别。

在狭义相对论中，任何物体的能量和动量的关系为

\[{E^2} = {c^2}{p^2} + m_0^2{c^2}\]

光子的静止质量 m0 = 0，故光子的动量为

\[p = \frac{E}{c} = \frac{{h\nu }}{c} = \frac{h}{\lambda }\]

普朗克常量与国际单位制基本单位

普朗克常量是一个很小的量，它给出了量子化的一个基本单位。普朗克将它称为“作用量子”，是微观世界有代表性的特征量，也是最重要的物理学常数之一。

2019 年 5 月 20 日，国际单位制基本单位的新定义生效，kg、A、K 及 mol 四个基本单位改为以物理学常数精确值的方式定义，这些常数中就包括普朗克常量 h［其他常数分别是：元电荷（e）、波尔兹曼常数（k）及阿伏加德罗常数（NA）］。另外三个基本单位 s、m 和 cd，此前已经以物理学常数定义。

例如，kg 的定义就发生了根本性改变。kg 的旧定义依赖于人造国际千克原器，即：kg 是质量单位，1 kg 等于国际千克原器的质量。而新定义则可以等价地表达为：1 kg 等于频率总和为 1.356 392 489 652×1050 Hz（基于 Cs133 原子不受扰动的基态超精细能级跃迁频率，ΔνCs = 9 192 631770 Hz）的一组光子具有相同能量的物体的静止质量。显然，这一定义涉及的关系式是 hν = m0c2，其中含有的物理学常数就有光速 c 与普朗克常量 h。