【物理】2019届一轮复习人教版第十三章第2讲光电效应　波粒二象性学案

【物理】2019届一轮复习人教版第十三章第2讲光电效应　波粒二象性学案

第2讲　光电效应　波粒二象性 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．‎ 自测1　(多选)如图1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1‎ 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 答案　BC 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．‎ 自测2　有关光的本性，下列说法正确的是(　　)‎ A．光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的 B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性 D．由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种性质去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性 答案　D 命题点一　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：‎ →→→ →→ 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 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，B错误；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C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D错误．‎ 变式1　(多选)(2017·苏锡常镇四市调研)图2是研究光电效应的实验装置，用一定频率的光照射阴极K，当滑片P处于图示位置时，电流表的示数不为零．为使电流表示数减小，下列办法可行的是(　　)‎ 图2‎ A．将滑片P向右移动 B．减小入射光的强度 C．换用电动势更大的电源 D．将电源的正、负极对调 答案　BD 命题点二　光电效应方程的理解与应用 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.‎ 例2　(2018·南通市第一次调研)一铜板暴露在波长为λ的紫外线中，观测到有电子从铜板表面逸出．在铜板所在空间加一方向垂直于板面、大小为E的匀强电场时，电子能运动到距板面的最大距离为d.已知真空中的光速为c，普朗克常量为h，电子电荷量为e，求：‎ ‎(1)入射光光子的能量；‎ ‎(2)铜板的极限频率．‎ 答案　(1)　(2)－ 解析　(1)入射光光子的能量E0＝ ‎(2)由功能关系可知光电子的最大初动能Ekm＝eEd 设铜板的极限频率为ν0，则E0＝hν0＋Ekm 解得ν0＝－ 变式2　(2017·徐州市考前模拟)如图3所示的光电管实验中，当用波长3.0×10－7 m的光照射在阴极K上时，电流表有示数．调节滑动变阻器，当电压表读数为3.0 V时，电流表读数恰好为零；改用波长为1.5×10－7 m的光照射在阴极K上时，调节滑动变阻器，当电压表读数为7.1 V时，电流表读数也恰好为零，由此可得普朗克常量为________J·s，该阴极的逸出功为________J．已知电子电荷量为1.6×10－19 C，光速c为3×108 m/s，‎ 结果保留两位有效数字．‎ 图3‎ 答案　6.6×10－34　1.8×10－19‎ 解析　当用波长λ＝3.0×10－7 m的光照射时，遏止电压为Uc＝3.0 V，由光电效应方程得eUc＝h－W0‎ 当用波长λ′＝1.5×10－7 m的光照射时，遏止电压为Uc′＝7.1 V，由光电效应方程得eUc′＝h－W0‎ 代入数据解得h＝6.6×10－34 J·s，W0＝1.8×10－19 J ‎ 命题点三　光电效应的图象问题 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荷量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)‎ 例3　(2018·南京市三校联考)光照射某金属产生光电效应时，实验测得光电子最大初动能与照射光频率的图象如图4所示，其中图线与横轴交点坐标为ν0，则该金属的逸出功为________．用一束波长范围为λ1～λ2，且λ1<λ2的光照射该金属时产生光电效应，则光电子的最大初动能为________．已知普朗克常量为h，光在真空中传播速度为c.‎ 图4‎ 答案　hν0　h－hν0‎ 变式3　(2017·宿迁市上学期期末)如图5所示为金属A和B的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图象，由图可知金属A的截止频率________(选填“大于”“小于”或“等于”)金属B的截止频率；如果用频率为5.5×1014 Hz的入射光照射两种金属，从金属________(选填“A”或“B”)逸出光电子的最大初动能较大．‎ 图5‎ 答案　小于　A 命题点四　光的波粒二象性、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　(2017·江苏单科·12C(2))质子(H)和α粒子(He)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　由动量与动能的关系p＝.知pH＜pα.且pα＝2pH.由λ＝知，λH∶λα＝pα∶pH＝2∶1.‎ 变式4　(2017·南京市、盐城市一模)历史上美国宇航局曾经完成了用“深度撞击”号探测器释放的撞击器“击中”坦普尔1号彗星的实验．如图6所示，探测器上所携带的重达370 kg的彗星“撞击器”将以1.0×104 m/s的速度径直撞向彗星的彗核部分，撞击彗星后“撞击器”融化消失，这次撞击使该彗星自身的运行速度出现1.0×10－7 m/s的改变．已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s.(计算结果保留两位有效数字)．求：‎ 图6‎ ‎(1)撞击前彗星“撞击器”对应物质波波长；‎ ‎(2)根据题中相关信息数据估算出彗星的质量．‎ 答案　(1)1.8×10－40 m　(2)3.7×1013 kg 解析　(1)撞击前彗星“撞击器”的动量 p＝mv＝3.7×106 kg·m/s 物质波的波长 λ＝≈1.8×10－40 m ‎(2)撞击过程中，由动量守恒定律得mv＝MΔv 解得M＝3.7×1013 kg ‎1．(多选)(2015·江苏单科·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　光电效应说明光的粒子性，所以A正确；热中子束射到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，所以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．‎ ‎2．(2018·苏锡常镇四市调研)如图7所示为研究光电效应现象的实验，电路中所有元件完好，当光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，可能的原因是(　　)‎ 图7‎ A．入射光强度较弱 B．入射光波长太长 C．电源电压太高 D．光照射时间太短 答案　B 解析　光的强度和光照时间都不能决定能否发生光电效应；光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，则可能是没有发生光电效应，即入射光的频率过小，波长较大造成的；电源电压也不能决定光电管中能否有光电流；故选项B正确，A、C、D错误．‎ ‎3．(2017·南通市第二次调研)设一对静止的正、负电子湮灭后产生两个光子A和B，已知电子质量为m，真空中光速为c，普朗克常量为h，则光子A的频率是________；若测量得光子A的波长为λ，则光子B的动量大小为________．‎ 答案　　 ‎4．(2017·盐城市第三次模拟)如图8所示，当波长λ＝200 nm的紫外线照射到金属上时，逸出的光电子最大初动能E＝3.5 eV.已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，光在真空中的传播速度c ‎＝3.0×108 m/s.求：‎ 图8‎ ‎(1)紫外线的频率；‎ ‎(2)金属的逸出功．‎ 答案　(1)1.5×1015 Hz　(2)4.3×10－19 J 解析　(1)紫外线的频率ν＝＝1.5×1015 Hz ‎(2)由光电效应方程得E＝hν－W0‎ 解得W0＝4.3×10－19 J ‎1.(多选)用如图1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1‎ 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 ‎2．(2018·黄桥中学模拟)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2所示．则可判断出(　　)‎ 图2‎ 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．甲光的光强度等于乙光的光强 答案　B 解析　由于是同一光电管，因而不论对哪种光，截止频率和金属的逸出功均相同，对于甲、乙两种光，反向遏止电压相同，因而频率相同，且甲光的光强大于乙光的光强，故A、C、D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B正确．‎ ‎3．(多选)(2017·南通市第二次调研)2017年1月，我国“墨子号”量子科学实验卫星正式进入应用研究．在量子理论中，有共同来源的两个微观粒子，不论它们相距多远，它们总是相关的，一个粒子状态的变化会立即影响到另一个粒子，这就是所谓的量子纠缠．关于量子理论，下列说法中正确的有(　　)‎ A．玻尔氢原子理论，第一次提出了能量量子化的观念 B．爱因斯坦研究光电效应提出光子说，光子说属于量子理论的范畴 C．量子理论中，实物粒子具有波粒二象性 D．微观粒子在受力状况和初速度确定的前提下，可以确定它此后运动状态和位置 答案　BC ‎4．(2018·徐州三中月考)用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则(　　)‎ A．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变 B．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小 C．逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小 D．光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了 答案　A 解析　光的频率不变，表示光子能量不变，光的强度减弱，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变，逸出的光电子数减少，选项A正确，B、C、D错误．‎ ‎5．(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb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Ua和Ub，光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量．下列说法正确的是(　　)‎ A．若νa＞νb，则一定有Ua＜Ub B．若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb C．若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb D．若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb 答案　BC 解析　由爱因斯坦光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，由动能定理得，Ekm＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同．当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝ hνa－ Eka＝ hνb－ Ekb，故选项D错误．‎ ‎6．(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大 B．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，但原子的能量增大 C．单色光照射同种金属，光电子的最大初动能随入射光频率增大而增大 D．在光照条件不变的情况下，对发射出来的光电子加上正向电压对光电子加速，所加电压不断增大，光电流也不断增大 答案　BC ‎7．(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A．光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说 B．在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方 C．光的双缝干涉实验中，大量光子打在光屏上的落点是有规律的，暗纹处落下光子的概率小 D．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 答案　CD ‎8．(2017·扬州中学4月模拟)人眼对绿光最为敏感，正常人的眼睛接收到波长为530 nm的绿光时，只要每秒有6个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉．普朗克常量为6.63×10－34 J·s，光速为3.0×108 m/s，则：‎ ‎(1)人眼能察觉到绿光时所接收到的最小功率是______(保留两位有效数字)．‎ ‎(2)用这种波长的绿色光照射下列五种材料，能产生光电效应的材料有________种.‎ 材料 铯 钙 镁 铍 钛 逸出功(×10－19 J)‎ ‎3.0‎ ‎4.3‎ ‎5.9‎ ‎6.2‎ ‎6.6‎ 答案　(1)2.3×10－18 W　(2)1‎ ‎9．(2017·淮阴中学月考)一光电管的阴极K用截止频率为ν0的金属钠制成；普朗克常量为h，‎ 电子的电荷量为e；用频率为ν的紫外线照射阴极，有光电子逸出，则逸出光电子最大初动能是________；若在光电管阳极A和阴极K之间加反向电压，要使光电子都不能到达阳极，反向电压至少为________．‎ 答案　hν－hν0　 解析　根据光电效应方程得，最大初动能Ekm＝hν－hν0.根据动能定理得，－eU＝0－Ekm 解得反向电压U＝ ‎10．(2017·淮阴中学4月模拟)(1)图3是两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图，其中两种温度大小关系为T1______T2(选填“大于”“小于”或“等于”)；‎ 图3　　　　　　　　　　　图4‎ ‎(2)在光电效应实验中，某同学用三种入射光(甲光、乙光、丙光)照射同一光电管得到了三条光电流与电压之间的关系曲线，如图4所示．则可判断出甲光照射下逸出的光电子最大初动能______丙光照射下逸出的光电子最大初动能．(选填“大于”“小于”或“等于”)‎ 答案　(1)大于　(2)小于 解析　(1)黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，辐射越强越大，并且向波长较短的方向移动，根据题图图象知T1>T2；‎ ‎(2)甲光的遏止电压小于丙光的遏止电压，所以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，故填“小于”．‎ ‎11．(2017·扬州中学5月模拟)如图5甲所示为研究发生光电效应时通过光电管上的电流随电压变化的电路，用频率为ν的单色光照射阴极K时，能发生光电效应，改变光电管两端的电压，测得电流随电压变化的图象如图乙所示，已知电子的带电荷量为e，真空中的光速为c，普朗克常量为h.‎ 图5‎ ‎(1)阴极K的极限频率ν0＝________；‎ ‎(2)若用上述单色光照射一群处于基态的氢原子，恰能使氢原子跃迁到n＝4的激发态，‎ 氢原子处于基态时的能量E1＝______(已知氢原子n级上的能量En与基态的能量满足En＝)．‎ 答案　(1)ν－　(2)－hν