专题13-1 光电效应 波粒二象性（精讲深剖）-2018领军高考物理真题透析

专题13-1 光电效应 波粒二象性（精讲深剖）-2018领军高考物理真题透析

‎1.（2017新课标Ⅲ 19）19．在光电效应试验中，分别用频率为，的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为和、光电子的最大初动能分别为和。为普朗克常量。下列说法正确的是 A．若，则一定有 B．若，则一定有 C．若，则一定有 D．若，则一定有 ‎【答案】BC ‎【考点定位】光电效应 ‎【名师点睛】本题主要考查光电效应。发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，光的强弱只影响单位时间内发出光电子的数目；准备判断光电效应中的最大初动能、频率和遏止电压之间的关系，逸出功由金属本身决定，与光的频率无关。‎ ‎2．（2017海南，7）（多选）三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3（λ1>λ2>λ3）。分别用着三束光照射同一种金属。已知用光束2照射时，恰能产生光电子。下列说法正确的是 A．用光束1照射时，不能产生光电子 B．用光束3照射时，不能产生光电子 C．用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多 D．用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大 ‎【答案】AC ‎【解析】依据波长与频率的关系：，因λ1＞λ2＞λ3，那么γ1＜γ2＜γ3；由于用光束2照射时，恰能产生光电子，因此用光束1照射时，不能产生光电子，而光束3照射时，一定能产生光电子，故A正确，B错误；用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多，而由光电效应方程：‎ Ekm=hγ﹣W，可知，光电子的最大初动能与光的强弱无关，故C正确，D错误。‎ ‎3．（2017海南，7）（多选）三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3（λ1>λ2>λ3）。分别用着三束光照射同一种金属。已知用光束2照射时，恰能产生光电子。下列说法正确的是 A．用光束1照射时，不能产生光电子 B．用光束3照射时，不能产生光电子 C．用光束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多 D．用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大 ‎【答案】AC ‎4．（2017北京，18）2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm（1nm=10-9m）附近连续可调的世界上个最强的极紫外激光脉冲，大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。‎ 一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为（取普朗克常量，真空光速）‎ A． B． C． D． ‎ ‎【答案】B ‎【解析】一个处于极紫外波段的光子的能量为：E=h=2×10-18J，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级必须相同，故选项B正确。‎ ‎【考点定位】有关普朗克常量的估算问题。‎ ‎【名师点睛】根据题意可知光子的能量足以电离一个分子，因此该光子的能量应比该分子的电离能大，同时又不能把分子打碎，因此两者能量具有相同的数量级，不能大太多。‎ ‎5.（2017江苏卷，12C（2））质子（）和α粒子（）被加速到相同动能时，质子的动量 （选填“大于”、“小于”或“等于”）α粒子的动量，质子和α粒子的德布罗意波波长之比为 ．‎ ‎【答案】小于 2:1‎ ‎【解析】动量与动能的关系：，又质子的质量小于α粒子的质量所以质子的动量小于α粒子的 动量，且；根据，可得质子和α粒子的德布罗意波波长之比为2:1‎ ‎【考点定位】物质波 ‎【名师点睛】考查公式，动量与动能的关系以及物质的波的波长个公式，较容易。‎ ‎（二）考纲解读 主题 ‎ 内 容 ‎ 要求 ‎ 说 明 ‎ 波粒二象性 ‎ 光电效应 ‎ I ‎ ‎ ‎ 爱因斯坦光电效应方程 ‎ I ‎ ‎ ‎ 本讲有两个一级考点，是2018年新增必考考点，要格外重视。‎ ‎（三）考点精讲 考向一　光电效应的实验规律 ‎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．光电效应的研究思路 ‎(1)两条线索：‎ ‎(2)两条对应关系：‎ →→→ →→ ‎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.‎ ‎【例1】　(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，饱和光电流变大 C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 D．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 ‎【答案】AC 阶梯练习 ‎1．(多选)下列对光电效应的理解，正确的是(　　)‎ A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属表面 B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应 C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大 D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同 ‎【答案】BD ‎【解析】金属内的每个电子吸收一个光子，获取能量，若足够克服金属做功，就能逸出金属，若不够克服金属做功，就不会逸出金属，更不会发生积累．故A错误。根据光电效应的条件可知，入射光子的能量小于电子脱离某种金属所做功的最小值，不能发生光电效应．故B正确．光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与光的强度无关．故C错误．不同的金属逸出功不同，截止频率不同，根据光电效应方程可知发生光电效应的入射光的最低频率不同．故D正确．‎ ‎2.(多选)用如图3所示的光电管研究光电效应，用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转．而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，那么(　　)‎ 图3‎ A．a光的频率一定大于b光的频率 B．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大 C．增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转 D．用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到c ‎【答案】AB ‎3．如图4甲所示为光电管的原理图，当频率为ν的可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过．‎ 图4‎ ‎(1)当变阻器的滑片P向________滑动时(填“左”或“右”)，通过电流表的电流将会减小．‎ ‎(2)由乙图I－U图象可知光电子的最大初动能为________．‎ ‎(3)如果不改变入射光的频率，而减小入射光的强度，则光电子的最大初动能__________(填“增加”“减小”或“不变”)．‎ ‎【答案】(1)右　(2)2 eV　(3)不变 ‎【解析】(1)由题图可知光电管两端所加的电压为反向电压，当变阻器的滑动端P向右移动时，反向电压增 考向二　光电效应方程和光电效应图象 ‎1．三个关系 ‎(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.‎ ‎2．四类图象 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 ‎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)‎ ‎【例2】用如图5甲所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为5 eV的光照射到光电管上时，测得电流计上的示数随电压变化的图象如图乙所示．则光电子的最大初动能为________ J，金属的逸出功为________ J.‎ ‎【答案】3.2×10－19　4.8×10－19‎ ‎【例3】　(2016·江苏单科·12C)(1)贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用．下列属于放射性衰变的是________．‎ A.C→N＋e B.U＋n→I＋Y＋2n C.H＋H→He＋n D.He＋Al→P＋n ‎(2)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________．‎ ‎(3)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.‎ ‎【答案】(1)A　(2)　　(3)钠、钾、铷能发生光电效应．‎ 阶梯练习 ‎4．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6所示．则可判断出(　　)‎ 图6‎ 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大于丙光对应的光电子最大初动能 ‎【答案】B ‎【解析】由于是同一光电管，因而不论对哪种光，极限频率和金属的逸出功都相同，对于甲、乙两种光，反向遏止电压相同，因而频率相同，A错误；丙光对应的反向遏止电压较大，因而丙光的频率较高，波长较短，对应的光电子的最大初动能较大，故C、D均错，B正确．‎ ‎5．(多选)如图7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(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5)．由图可知(　　)‎ 图7‎ A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz B．该金属的截止频率为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 ‎【答案】AC ‎6．如图8甲所示是研究光电效应规律的光电管．用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，实验测得流过Ⓖ表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h＝6.63×10－34 J·s.结合图象，求：(结果保留两位有效数字)‎ 图8‎ ‎(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能．‎ ‎(2)该阴极材料的极限波长．‎ ‎【答案】(1)4.0×1012个　9.6×10－20 J　(2)0.66 μm ‎【解析】(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数 n＝＝(个)＝4.0×1012(个)‎ 光电子的最大初动能为：‎ Ekm＝eUc＝1.6×10－19 C×0.6 V＝9.6×10－20 J.‎ ‎(2)设该阴极材料的极限波长为λc，根据爱因斯坦光电效应方程：Ekm＝h－h，代入数据得λc≈0.66 μm.‎ 考向三　光的波粒二象性和物质波 光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：‎ ‎(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，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象．‎ ‎(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．‎ ‎【例4】　(多选)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．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹 B．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构 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 ‎【答案】BC 阶梯练习 ‎7．下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是(　　)‎ A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射 C．泊松亮斑和光电效应 D．光的反射和光电效应 ‎【答案】C ‎【解析】光的色散、干涉或衍射现象说明光具有波动性，光电效应现象说明光又具有粒子性泊松亮斑是由于光的衍射形成的，说明光具有波动性。‎ ‎8．1927年戴维孙和汤姆孙分别完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一．如图9所示的是该实验装置的简化图，下列说法不正确的是(　　)‎ 图9‎ A．亮条纹是电子到达概率大的地方 B．该实验说明物质波理论是正确的 C．该实验再次说明光子具有波动性 D．该实验说明实物粒子具有波动性 ‎【答案】C ‎9．(多选)(2015·江苏物理·12C(1))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 ‎ ‎【答案】AB ‎【解析】光电效应说明光具有粒子性，A正确．衍射是波的特点，说明中子具有波动性，B正确．黑体辐射的实验规律说明光具有粒子性，C错误．动能相等的质子和电子，二者质量不同，德布罗意波长不相等，D错误．‎ ‎（四）知识还原 第2讲　光电效应　波粒二象性 基础知识 一、普朗克能量子假说　黑体与黑体辐射 ‎1．黑体与黑体辐射 ‎(1)黑体：如果某种物质能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体．‎ ‎(2)黑体辐射：辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关．‎ ‎2．普朗克能量子假说 当带电微粒辐射或吸收能量时，是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个最小能量值ε叫做能量子．ε＝hν.‎ 二、光电效应及其规律 ‎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 入射光的频率大于等于金属的极限频率．‎ ‎3．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等于这个极限频率才能产生光电效应．‎ ‎(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10－9 s.‎ ‎(4)当入射光的频率大于等于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．‎ ‎4．爱因斯坦光电效应方程 ‎(1)光子说：光的能量不是连续的，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：hν＝Ek＋W0或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．‎ 三、光的波粒二象性　物质波 ‎1．光的波粒二象性 ‎(1)波动性：光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．‎ ‎(2)粒子性：光电效应、康普顿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．‎ 基础试题 ‎1．判断下列说法是否正确．‎ ‎(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．(　×　)‎ ‎(2)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功．(　√　)‎ ‎(3)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比．(　×　)‎ ‎(4)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性．(　√　)‎ ‎(5)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律．(　×　)‎ ‎(6)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性．(　√　)‎ ‎(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子具有波动性．(　√　)‎ ‎2．(多选)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 ‎【答案】AD ‎3．黑体辐射的规律如图2所示，从中可以看出，随着温度的降低，各种波长的辐射强度都________(填“增大”“减小”或“不变)，辐射强度的极大值向波长________(填“较长”或“较短”)的方向移动．‎ ‎【答案】减少　较长 ‎【解析】由题图可知，随着温度的降低，相同波长的光辐射强度都会减小；同时最大辐射强度向右侧移动，即向波长较长的方向移动. ‎