【物理】2019届一轮复习人教版光电效应波粒二象性学案

【物理】2019届一轮复习人教版光电效应波粒二象性学案

‎ 光电效应 波粒二象性 知识梳理 知识点一、光电效应 ‎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．研究光电效应的电路图(如图1)：‎ 图1‎ 其中A是阳极。K是阴极。‎ ‎4．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10－9s。‎ ‎(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。‎ 知识点二、爱因斯坦光电效应方程 ‎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＝6.63×10－34J·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原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。‎ ‎4．遏止电压与截止频率 ‎(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc。‎ ‎(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。‎ ‎5．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。‎ 知识点三、光的波粒二象性与物质波 ‎1．光的波粒二象性 ‎(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。‎ ‎(2)光电效应说明光具有粒子性。‎ ‎(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。‎ ‎2．物质波 ‎(1)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波。‎ ‎(2)物质波 任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝，p为运动物体的动量，h为普朗克常量。‎ 考点精练 考点一　光电效应现象和光电效应方程的应用 ‎1．对光电效应的四点提醒 ‎(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。‎ ‎(2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。‎ ‎(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。‎ ‎(4)光电子不是光子，而是电子。‎ ‎2．两条对应关系 ‎(1)光强大→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．定量分析时应抓住三个关系式 ‎(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．区分光电效应中的四组概念 ‎(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。‎ ‎(2)光电子的动能与光电子的最大初动能。‎ ‎ (3)光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。 : ]‎ ‎(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。‎ 对应训练 ‎1．[光电效应现象](多选)如图2所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是(　　)‎ 图2 ‎ 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 解析　用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的，锌板上的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出，称之为光电子，故A错误，B正确；锌板与验电器相连，带有相同电性的电荷，锌板失去电子应该带正电，且失去电子越多，带正电的电荷量越多，验电器指针张角越大，故C正确，D错误。‎ 答案　BC ‎2．[光电效应规律]关于光电效应的规律，下列说法中正确的是(　　)‎ A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生 B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比 C．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7s D．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比 解析　由ε＝hν＝h知，当入射光波长小于金属的极限波长时，发生光电效应，故A错；由Ek＝hν－W0知，最大初动能由入射光频率决定，与入射光强度无关，故B错；发生光电效应的时间一般不超过10－9s，故C错误；发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光的强度是成正比的，D正确。‎ 答案　D ‎3．[光电管](多选)图3为一真空光电管的应用电路，其金属材料的极限频率为4.5×1014 H ，则以下判断中正确的是(　　)‎ 图3‎ A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率 B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度 C用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生 D．光照射时间越长，电路中的电流越大 解析　在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关。据此可判断A、D错误，B正确；波长λ＝0.5 μm的光子的频率ν＝＝ H ＝6×1014 H ＞4.5×1014 H ，可发生光电效应，所以C正确。‎ 答案　BC 考点二　光电效应的四类图象分析 图象名称 图线形状 由图线直接(间接) 得到的物理量 最大初动能Ek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νc ‎②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值 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νc：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[来 ‎ ‎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)‎ 对应训练 ‎1．[Ek－ν图象]爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图4所示，其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是(　　)‎ 图4‎ A．逸出功与ν有关 B．Ekm与入射光强度成正比 C．当ν<ν0时，会逸出光电子 D．图中直线的斜率与普朗克常量有关 解析　由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和W0＝hν0(W0为金属的逸出功)可得，Ek＝hν－hν0，可见图象的斜率表示普朗克常量，D正确；只有ν≥ν0时才会发生光电效应，C错；金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错。‎ 答案　D ‎2．[I－U图象]研究光电效应的电路如图5所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中，正确的是(　　)‎ 图5‎ 解析　虽然入射光强度不同，但光的频率相同，所以遏止电压相同；又因当入射光强时，单位时间逸出的光电子多，饱和光电流大，所以选C。‎ 答案　C ‎3．[Uc－ν图象]在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图6所示。若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量和所用材料的逸出功可分别表示为(　　)‎ 图6‎ A．ek　eb B．－ek　eb C．ek　－eb D．－ek　－eb 解析　光电效应中，入射光子能量hν，克服逸出功W0后多余的能量转换为电子动能，反向遏制电压，有eU＝hν－W0，整理得U＝ν－，斜率即＝k，所以普朗克常量h＝ek，截距为b，即eb＝－W0，所以逸出功W0＝－eb。故选项C正确。‎ 答案　C 考点三　光的波粒二象性、物质波[ :学 ]‎ 光既具有粒子性，又具有波动性，对波粒二象性的理解 项目 内容 说明 光的粒子性　‎ ‎(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性 ‎(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性 粒子的含义是“不连续的”、“一份一份的”，光的粒子即光子 光的波动性　‎ ‎(1)足够能量的光在传播时，表现出波动的性质 ‎(2)光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述 光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的，光的波动性不同于宏观概念的波 波和粒子 的对立与 统一　　‎ 宏观世界：波和粒子是相互对立的概念 微观世界：波和粒子是统一的。光子说并未否定波动性，光子能量E＝hν＝，其中，ν和λ就是描述波的两个物理量 对应训练 ‎1．[波粒二象性的理解](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7(a)(b)(c)所示的图象，则(　　)‎ 图7‎ 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像 D．实验表明光是一种概率波 解析　图像(a)只有分散的亮点，表明光具有粒子性；图像(c)呈现干涉条纹，表明光具有波动性；用紫外光也可以观察到类似的图象，实验表明光是一种概率波，选项A、B、D正确。‎ 答案　ABD ‎2．[光的波粒二象性]下列说法中正确的是(　　)‎ A．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 B．康普顿效应说明光子既有能量又有动量 C．光是高速运动的微观粒子，单个光子不具有波粒二象性 D．宏观物体的物质波波长非常小，极易观察到它的波动 解析　由德布罗意理论知，宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，但仍具有波粒二象性，A、D错误；康普顿效应说明光子除了具有能量之外还有动量，B正确；波粒二象性是光子的特性，单个光子也具有波粒二象性，C错误。‎ 答案　B 随堂检测 ‎1．[2016·全国卷Ⅰ，35(1)改编](多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是(　　)‎ A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大 B．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 C．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生 D．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关 ‎2．[2015·江苏单 ，12C(1)](多选)波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有(　　)‎ A．光电效应现象揭示了光的粒子性 B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等 ‎3．[2014·江苏，单 ，12C(1)]已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014 H 和5.44×1014 H ，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的(　　)‎ A．波长 B．频率 C．能量 D．动量[ : , ,k ]‎ ‎4．(2017·成都一诊) (多选)如图8所示为光电管的工作电路图，分别用波长为λ0、λ1、λ2的单色光做实验，已知λ1＞λ0＞λ2。当开关闭合后，用波长为λ0的单色光照射光电管的阴极K时，电流表有示数。则下列说法正确的是(　　)‎ 图8‎ A．光电管阴极材料的逸出功与入射光无关 B．若用波长为λ1的单色光进行实验，则电流表的示数一定为零 C．若仅增大电源的电动势，则电流表的示数一定增大 D．若仅将电源的正负极对调，则电流表的示数可能为零 参考答案 ‎1.解析　在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大饱和光电流越大，因此A正确；根据Ekm＝hν－W0可知，对于同一光电管，逸出功W0不变，当频率变高，最大初动能Ekm变大，因此B正确；由光电效应规律可知，当频率低于截止频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此C错误；由Ekm＝eUc和Ekm＝hν－W0，得hν－W0＝eUc，遏制电压只与入射光频率有关，与入射光强无关，因此D正确。‎ 答案　ABD ‎2.解析　光电效应说明光的粒子性，所以A正确；热中子束在晶体上产生衍射图样，即运动的实物粒子具有波的特性，即说明中子具有波动性，所以B正确；黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化，即黑体辐射是不连续的、一份一份的，所以黑体辐射用光的粒子性解释，即C错误；根据德布罗意波长公式λ＝，p2＝2mEk，又质子的质量大于电子的质量，所以动能相等的质子和电子，质子的德布罗意波波长较短，所以D错误。‎ 答案　AB ‎3.解析　由爱因斯坦光电效应方程hν＝W0＋mv，又由W0＝hν0，可得光电子的最大初动能mv＝hν－hν0，由于钙的截止频率大于钾的截止频率，所以钙逸出的光电子的最大初动能较小，因此它具有较小的能量、频率和动量，B、C、D错；又由c＝λf可知光电子频率较小时，波长较大，A对。‎ 答案　A ‎4.解析　光电管阴极材料的逸出功只与材料有关，而与入射光的频率、入射光的强度无关，A正确；用波长为λ0的光照射阴极K时，电路中有光电流，可知波长为λ0的光照射阴极K时，发生了光电效应；若用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，虽然入射光的频率变小，但仍可能大于阴极的极限频率，仍可能发生光电效应，因此电流表的示数可能不为零，B错误；仅增大电路中电源的电动势，光电管两端电压增大，当达到饱和电流后，电流表的示数不再增大，C错误；将电路中电源的正负极对调，光电子做减速运动，若电子到达不了阳极，则此时电流表的示数为零，D正确。‎ 答案　AD