人教版高考物理一轮复习第12章近代物理初步第1讲光电效应波粒二象性含答案
展开第1讲 光电效应 波粒二象性
[目标要求]
核心知识 | 素养要求 |
1.原子的核式结构模型 氢原子光谱 原子的能级结构 | 了解人类探索原子及其结构的历史，知道原子核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。 |
2.核力与核反应方程 | 了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。 |
3.放射性元素的衰变 | 了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护。 |
4.结合能、核裂变反应和核聚变反应 | 认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。了解人类对物质结构的探索历程。 |
5.光电效应现象 | 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。 |
6.粒子的波动性 | 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。 |
第1讲 光电效应 波粒二象性
授课提示：对应学生用书第229页
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)
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10－9 s。
(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。
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，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34 J·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作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。
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。
授课提示：对应学生用书第230页
自主探究
1．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：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。
(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。光子能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，ε＝hν。
2．对光电效应规律的解释
对应规律 | 对规律的产生的解释 |
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，W0是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大 |
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 |
光较强时饱和光电流大 | 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，因而饱和光电流较大 |
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
解析：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，A正确；饱和光电流大小与入射光的频率无关，B错误；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，C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，D错误。
答案：AC
2．(2021·湖南衡阳高三检测)在光电效应实验中，某实验小组用同种频率的单色光，先后照射锌和银的表面，都能产生光电效应。对这两个过程，下列四个物理量中，可能相同的是( )
A．饱和光电流
B．遏止电压
C．光电子的最大初动能
D．逸出功
解析：饱和光电流和光的强度有关，这个实验可以通过控制光的强度来实现饱和光电流相同，A正确；不同的金属其逸出功是不同的，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，用同种频率的单色光，光子能量hν相同，光电子的最大初动能Ek不同，C、D错误；根据遏止电压和最大初动能关系U＝，可知光电子的最大初动能不同，遏止电压也不同，B错误。
答案：A
易错警示
对光电效应的4点提醒
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(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。
自主探究
1．光电效应的“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 | 读取信息 |
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 | (1)截止频率(极限频率)：横轴截距； (2)逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E； (3)普朗克常量：图线的斜率k＝h | |
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 | (1)截止频率νc：横轴截距； (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 | |
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：横轴截距； (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 |
3．在某次实验中，用频率为ν的一束绿光照射极限频率(也称“截止频率”)为ν0金属时发生了光电效应现象，则下列说法正确的是( )
A．该金属的逸出功W＝hν
B．若改用红光来照射，则一定不能发生光电效应
C．若把这束绿光遮住一半，则逸出的光电子最大初动能将减小一半
D．在本实验中，调节反向电压可使光电流恰好为零，此电压大小Uc＝(ν－ν0)
解析：该金属的逸出功W＝hν0，故A错误；虽然红光的频率小于绿光的频率，但不知道红光频率与截止频率的关系大小，所以改用红光来照射，则不一定能发生光电效应，故B错误；由光电效应方程Ekm＝hν－W0可知，若把这束绿光遮住一半并不会改光的频率，则逸出的光电子最大初动能不变，故C错误；在本实验中，调节反向电压可使光电流恰好为零，由动能定理得eUc＝Ekm，且Ekm＝hν－W0，联立可得Uc＝＝，故D正确。
答案：D
4．(2021·山东济南高三检测)在光电效应实验中，某同学用同一光电管在不同实验条件下得到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大于丙光对应的光电子最大初动能
解析：由图象知，甲、乙光对应的遏止电压相等，由eUc＝Ek和hν＝W0＋Ek得，甲、乙光频率相等，A错误；丙光的频率大于乙光的频率，则丙光的波长小于乙光的波长，B正确；由hνc＝W0得，甲、乙、丙光对应的截止频率相同，C错误；由光电效应方程知，甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子最大初动能，D错误。
答案：B
5．小明用金属铷为阴极的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。
(1)图甲中电极A为光电管的________(选填“阴极”或“阳极”)。
(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc＝________Hz，逸出功W0＝________J。
(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek＝________J。
解析：(1)光束照射阴极，打到阳极A上。
(2)读出铷的截止频率νc＝5.15×1014 Hz，
其逸出功W0＝hνc≈3.41×10－19 J。
(3)由爱因斯坦光电效应方程得
Ek＝hν－W0≈1.23×10－19 J。
答案：(1)阳极 (2)5.15×1014(5.12×1014～5.19×1014均可) 3.41×10－19(3.39×10－19～3.44×10－19均可)
(3)1.23×10－19(1.20×10－19～1.25×10－19均可)
规律总结
1．光电管的理解
(1)光电管加正向电压时，如图甲，入射光强度增大→光子数目增多→产生的光电子增多→光电流增大。
(2)光电管加反向电压时，如图乙，光子频率升高→光子能量增大→产生光电子的最大初动能增大→遏止电压增大。遏止电压与光强无关。
2．光电效应中有关图象问题的解题方法
(1)明确图象中纵坐标和横坐标所表示的物理量。
(2)明确图象所表示的物理意义及所对应的函数关系，同时还要知道截距、交点等特殊点的意义。例如：
①Ekm-ν图象，表示光电子的最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线，图甲中横轴上的截距是阴极金属的极限频率，纵轴上的截距表示阴极金属逸出功的负值，直线的斜率为普朗克常量，图象的函数式为Ek＝hν－W0。
②光电效应中的I-U图象是光电流强度I随两极板间电压U的变化曲线，图乙中的Im是饱和光电流，Uc为遏止电压。
自主探究
1．对光的波粒二象性的理解
| 实验基础 | 表现 | 说明 | |
光的波动性 | 干涉和衍射 | (1)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。 (2)大量的光子在传播时，表现出波的性质 | (1)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。 (2)光的波动性不同于宏观观念的波 | |
光的粒子性 | 光电效应、康普顿效应 | (1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质。 (2)少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性 | (1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的。 (2)光子不同于宏观观念的粒子 | |
波动性和粒子性的对立、统一 | (1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性。 (2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强 | (1)光子说并未否定波动说，ε＝hν＝h中，ν和λ就是波的概念。 (2)波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的 | ||
2.物质波
(1)定义：任何运动着的物体都有一种波与之对应，这种波叫作物质波，也叫德布罗意波。
(2)物质波的波长：λ＝＝，h是普朗克常量。
(3)德布罗意波也是概率波，衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方，但概率的大小受波动规律的支配。
6．(多选)关于物质的波粒二象性，下列说法正确的是( )
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：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循不确定性关系，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，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错误。
答案：ABC
7．X射线是一种高频电磁波，若X射线在真空中的波长为λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量，则( )
A．E＝，p＝0
B．E＝，p＝
C．E＝，p＝0
D．E＝，p＝
解析：根据E＝hν、λ＝、c＝λν可得，X射线每个光子的能量E＝，每个光子的动量p＝，故选D。
答案：D
