【物理】2018届一轮复习人教版 波粒二象性 学案

【物理】2018届一轮复习人教版 波粒二象性 学案

第67课时　波粒二象性(双基落实课)‎ ‎[命题者说]　本课时包括光电效应规律、爱因斯坦光电效应方程、波粒二象性等内容，高考对本课时的考查多为单独命题，题型一般为选择题，难度不大。对本课时的学习，重在识记和理解，不必做过深的挖掘。‎ 一、对光电效应的理解 ‎1.光电效应现象 在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象。发射出来的电子叫光电子。‎ ‎2．光电效应的产生条件 入射光的频率大于金属的极限频率。‎ ‎3．光电效应规律 ‎(1)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。‎ ‎(2)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s。‎ ‎(3)当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强，饱和电流越大。‎ ‎4．对光电效应规律的解释 对应规律 对规律的解释 光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关 电子吸收光子能量后，一部分克服阻碍作用做功，剩余部分转化为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能，对于确定的金属，逸出功W0是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大 光电效应具有瞬时性 光照射金属时，电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要能量积累的过程 光较强时饱和电流大 光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大 ‎[小题练通]‎ ‎1．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属发生光电效应的措施是(　　)‎ A．改用频率更小的紫外线照射 B．改用X射线照射 C．改用强度更大的原紫外线照射 D．延长原紫外线的照射时间 解析：‎ 选B　某种金属能否发生光电效应取决于入射光的频率，与入射光的强度和照射时间无关。不能发生光电效应，说明入射光的频率小于金属的极限频率，所以要使金属发生光电效应，应增大入射光的频率，X射线的频率比紫外线频率高，所以本题答案为B。‎ ‎2．(多选)(2016·全国乙卷节选)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 解析：选ABD　产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，说法A正确。光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，说法B正确。减小入射光的频率，如低于极限频率，则不能发生光电效应，没有光电流产生，说法C错误。遏止电压的大小与入射光的频率有关，与光的强度无关，说法D正确。‎ ‎3．入射光照到某金属表面发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，则下列说法中正确的是(　　)‎ A．从光照射到金属表面上到金属发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B．逸出的光电子的最大初动能减小 C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少 D．有可能不发生光电效应 解析：选C　光电效应瞬时(10－9 s)发生，与光强无关，A错误。光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的频率越大，最大初动能越大，B错误。光电子数目多少与入射光的强度有关，光强减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少，C正确。能否发生光电效应，只取决于入射光的频率是否大于极限频率，与光强无关，D错误。‎ 光电效应的研究思路 ‎(1)两条线索 ‎(2)两条对应关系 ‎①光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大；‎ ‎②光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。‎ 二、爱因斯坦的光电效应方程及应用 ‎1.光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝hν。‎ ‎2．逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值。‎ ‎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．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电子的最大初动能Ek。‎ ‎5．四类图像 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：Ek＝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 ‎③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke。(注：此时两极之间接反向电压)‎ ‎ [小题练通]‎ ‎1．(2013·北京高考)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实。‎ 光电效应实验装置示意如图。用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电荷量)(　　)‎ A．U＝－　　　　　　　 　B．U＝－ C．U＝2hν－W D．U＝－ 解析：选B　用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应。由题意知最大初动能Ek＝eU，根据光电效应方程有：nhν＝W＋Ek＝W＋eU(n≥2)，得：U＝(n≥2)，则B项正确，其他选项错误。‎ ‎2．(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，由图可知(　　)‎ A．该金属的极限频率为4.27×1014 Hz B．该金属的极限频率为5.5×1014 Hz C．该图线的斜率表示普朗克常量 D．该金属的逸出功为0.5 eV 解析：选AC　由光电效应方程Ek＝hν－W0知图线与横轴交点为金属的极限频率，即ν0＝4.27×1014 Hz，A正确，B错误；由Ek＝hν－W0‎ 可知，该图线的斜率为普朗克常量，C正确；金属的逸出功W0＝hνc＝ eV≈1.8 eV，D错误。‎ ‎3.研究光电效应的电路如图所示。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的关系图像中，正确的是(　　)‎ 解析：选C　由于光的频率相同，所以对应的反向遏止电压相同，A、B错误；发生光电效应时，在同样的加速电压下，光强度越大，逸出的光电子数目越多，形成的光电流越大，C正确，D错误。‎ ‎4．(2016·江苏高考)(1)已知光速为c，普朗克常数为h，则频率为ν的光子的动量为________。用该频率的光垂直照射平面镜，光被镜面全部垂直反射回去，则光子在反射前后动量改变量的大小为________。‎ ‎(2)几种金属的逸出功W0见下表：‎ 金属 钨 钙 钠 钾 铷 W0(×10－19 J)‎ ‎7.26‎ ‎5.12‎ ‎3.66‎ ‎3.60‎ ‎3.41‎ 用一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应。已知该可见光的波长范围为4.0×10－7～7.6×10－‎7 m，普朗克常数h＝6.63×10－34 J·s。‎ 解析：(1)频率为ν的光子的波长λ＝，动量p＝＝。用该频率的光垂直照射平面镜，光被垂直反射，则光子在反射前后动量方向相反，取反射后的方向为正方向，则反射前后动量改变量Δp＝p2－p1＝。‎ ‎(2)光子的能量E＝ 取λ＝4.0×10－‎7 m，则E≈5.0×10－19 J 根据E＞W0判断，钠、钾、铷能发生光电效应。‎ 答案：(1)　　(2)见解析 利用光电效应分析问题，应把握的三个关系 ‎(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。‎ ‎(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc 是遏止电压。‎ ‎(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。‎ 三、对波粒二象性的理解 ‎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 对光的波粒二象性的理解 ‎(1)从数量上看：个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。‎ ‎(2)从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强。‎ ‎(3)从传播与作用上看：光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。‎ ‎(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ。‎ ‎(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子。‎ ‎[小题练通]‎ ‎1．用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)‎ A．光只有粒子性没有波动性 B．光只有波动性没有粒子性 C．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性 D．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性 解析：选D　光具有波粒二象性，这些照片说明少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性，故D正确。‎ ‎2．(多选)关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是(　　)‎ A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性 B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C．波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的 D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 解析：选ABC　波粒二象性是微观世界特有的规律，不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性，A正确；由于微观粒子的运动遵守不确定关系，所以运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔发生衍射时，都没有特定的运动轨道，B正确；波粒二象性适用于微观高速领域，故C正确；虽然宏观物体运动形成的德布罗意波的波长太小，很难被观察到，但它仍有波粒二象性，D错。‎ ‎3．(多选)(2015·全国卷Ⅱ节选)实物粒子和光都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是(　　)‎ A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样 B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹 C．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构 D．光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关 解析：选AC　电子束具有波动性，通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，选项A正确。β射线在云室中高速运动时，径迹又细又直，表现出粒子性，选项B错误。电子显微镜是利用电子束衍射工作的，体现了波动性，选项C正确。光电效应实验，体现的是光的粒子性，选项D错误。‎ 波粒二象性的“三个易错点”‎ ‎(1)光子表现为波动性，并不否认光子具有粒子性。‎ ‎(2)宏观物体也具有波动性。‎ ‎(3)微观粒子的波动性与机械波不同，微观粒子的波是概率波。‎ 一、单项选择题 ‎1．下列有关光的波粒二象性的说法中正确的是(　　)‎ A．有的光是波，有的光是粒子 B．光子与电子是同样的一种粒子 C．光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著 D．大量光子的行为往往显示出粒子性 解析：‎ 选C　一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，有些行为(如光电效应)表现出粒子性，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，A、B错误；光的波粒二象性表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著，C正确，D错误。‎ ‎2．对光的认识，下列说法不正确的是(　　)‎ A．个别光子的行为表现出粒子性，大量光子的行为表现出波动性 B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的 C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不再具有波动性了 D．光的波粒二象性应理解为：在某种情况下光的波动性表现得明显，在另外的某种情况下，光的粒子性表现得明显 解析：选C　光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A正确；光的波动性不是由于光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C错误，D正确。‎ ‎3．频率为ν的光照射某金属时，产生光电子的最大初动能为Ekm。改用频率为2ν的光照射同一金属，所产生光电子的最大初动能为(h为普朗克常量)(　　)‎ A．Ekm－hν　　　　　 　B．2Ekm C．Ekm＋hν D．Ekm＋2hν 解析：选C　频率为ν的光照射某金属时，有Ekm＝hν－W0；同理，改用频率为2ν的光照射同一金属产生的光电子的最大初动能为E＝2hν－W0＝Ekm＋hν，C正确。‎ ‎4.如图所示是研究光电管产生的电流的电路图，A、K是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的极限频率为ν0。现将频率为ν(大于ν0)的光照射在阴极上，则下列方法一定能够增加饱和光电流的是(　　)‎ A．照射光频率不变，增加光强 B．照射光强度不变，增加光的频率 C．增加A、K电极间的电压 D．减小A、K电极间的电压 解析：选A　要增加单位时间内从阴极逸出的光电子的数量，就需要增加照射光单位时间内入射光子的个数，所以只有A正确。‎ ‎5．现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3。当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek，若改用b光束照射该金属板，飞出的光电子最大动能为Ek，当改用c光束照射该金属板时(　　)‎ A．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek B．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek C．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek D．由于c光束光子能量较小，该金属板不会发生光电效应 解析：选B　对a、b两束光由光电效应方程有－W0＝Ek，－W0＝Ek，联立解得＝Ek，W0＝Ek。当改用c光束照射该金属板时有－W0＝Ek－Ek＝Ek，B正确。‎ 二、多项选择题 ‎6．下列说法正确的是(　　)‎ A．卢瑟福通过α粒子散射实验建立了原子核式结构模型 B．宏观物体的物质波波长非常大，极易观察到它的波动性 C．爱因斯坦在对光电效应的研究中，提出了光子说 D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应 解析：选ACD　卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，故A正确。根据λ＝，知宏观物体的物质波波长非常小，不易观察到它的波动性，故B错误。受普朗克量子论的启发，爱因斯坦在对光电效应的研究中，提出了光子说，故C正确。对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应，故D正确。‎ ‎7．在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应。下列说法正确的是(　　)‎ A．增大入射光的强度，光电流增大 ‎ B．减小入射光的强度，光电效应现象消失 C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应 D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大 解析：选AD　根据光电效应规律可知，增大入射光的强度，光电流增大，A项正确；减小入射光的强度，光电流减小，光电效应现象并不消失，B项错误；改用小于ν的入射光照射，如果入射光的频率仍然大于光电管阴极材料的极限频率，仍能发生光电效应，C项错误；由爱因斯坦光电效应方程可知，增大入射光的频率，光电子的最大初动能增大，D项正确。‎ ‎8．分别用波长为λ和2λ的光照射同一种金属，产生的速度最快的光电子速度之比为2∶1，普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示，那么下列说法正确的有(　　)‎ A．该种金属的逸出功为 B．该种金属的逸出功为 C．波长超过2λ的光都不能使该金属发生光电效应 D．波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应 解析：选AD　由hν＝W0＋Ek知h＝W0＋mv12，h＝W0＋mv22，又v1＝2v2，得W0＝，A正确，B错误。光的波长小于或等于3λ时都能发生光电效应，C错误，D正确。‎ ‎9.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示。则可判断出(　　)‎ A．甲光的频率大于乙光的频率 B．乙光的波长大于丙光的波长 C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D．甲光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能 解析：选BD　因光电管不变，所以逸出功不变。由图像知甲光、乙光对应的遏止电压相等，且小于丙光对应的遏止电压，所以甲光和乙光对应的光电子最大初动能相等且小于丙光的光电子最大初动能，故D正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0知甲光和乙光的频率相等，且小于丙光的频率，故A错误，B正确；截止频率是由金属决定的，与入射光无关，故C错误。‎