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1、光电效应 波粒二象性光电效应 波粒二象性 高中“近代物理”知识较分散,没有级考点,而在原子结构、原子核和波粒二象性三大 知识板块中有氢原子光谱,氢原子的能级结构,能级公式,原子核的组成,放射性,原子核的衰 变,半衰期、放射性同位素、核力,核反应方程、结合能,质量亏损、裂变反应和聚变反应,裂 变反应堆射线的危害和防护,光电效应、 爱因斯坦光电效应方程等众多的级考点,其特征是 “点多面宽”、考点分散。高考对本模块的考查主要是基本概念的理解、辨析,也有简单的 计算,题型为选择题,考查的方式有结合实验现象考查波粒二象性、 光电效应的解释,结合原子能级图考查原子的跃迁以及光子的吸收,结合质能方程考查核能
2、 的利用等。 “近代物理” 调整为必考内容后,难度不会有太多的变化,但综合其他知识一起考查的可 能性就增加了。 预计 2020 年高考对该部分知识的考查仍然以基本概念、 规律为主,难度较低, 但要特别注意的有三点:第一,可能一个题目中同时考查多个知识点;第二,可能与带电粒子 在磁场、电场中的运动相结合,与动量规律、能量转化规律综合考查;第三,以现代科技为背 景来考查。 第 1 讲 光电效应 波粒二象性 1黑体与黑体辐射 普朗克能量子假说 (1)黑体与黑体辐射 黑体:指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。 黑体辐射的实验规律:对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,
3、还与 材料的种类及表面状况有关,而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。 第一,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加;第二,随着温度的升高,辐射强度的极大 值向波长较短的方向移动。 (2)普朗克能量子假说 定义:普朗克认为,带电微粒辐射或吸收能量时,只能是辐射或吸收某个最小能量值的 整数倍,这个不可再分的最小能量值叫作能量子。 大小:=h,其中是电磁波的频率,h是普朗克常量,数值h=6.62610-34 Js(一 般h取 6.6310-34 Js)。 1.1(2019河北石家庄开学模拟)黑体辐射的规律如图所示,从图中可以看出,随着温度的降低, 各种波长的辐射强度都 (选填“增
4、大”“减小”或“不变),辐射强度的极大值向波 长 (选填“较长”或“较短”)的方向移动。 【答案】减小 较长 2光电效应及其规律 (1)光电效应定义: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。 注意:光电子就是光电效应中发射出来的电子。 (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 每种金属都有一个极限频率。 光子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光的频率增大而增大。 光照射到金属表面时,光电子的发射几乎是瞬时的。 光电流的强度与入射光的强度成正比。 (4)爱因斯坦光电效应方程 光子说:空间传播的光的能量是不连续的,是一份一份的,每一份叫
5、作一个光子。光子 的能量为=h,其中h是普朗克常量,其值为 6.6310-34 Js。 光电效应方程:Ek=h-W0。 其中h为入射光的能量,Ek为光电子的最大初动能,W0是金属的逸出功。 (5)遏止电压与截止频率 遏止电压:使光电流减小到零的反向电压Uc。遏止电压使具有最大初动能的光电子速 度减为零,即eUc= mv2。 1 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。 逸出功:电子从金属中逸出所需做功的最小值,叫作该金属的逸出功。 逸出功与极限频 率的关系是W0=h0。 2.1(2018山东期末)(多选)如图所示
6、,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( )。 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 2.2(2019 河北承德第一次模拟)入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度 减弱,而频率保持不变,则( )。 A.从光照至金属表面上到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将减小 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 【答案】C 3光的波粒二象性 物质波 (1)光的波粒二象性 光既具有波动性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。 光子的能量=h
7、和动量p=。两式左侧的物理量和p描述光的粒子性,右侧的 h 物理量和描述光的波动性,普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 (2)粒子的波动性 每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗 意波,也叫作物质波。 物质波的波长、频率关系式 波长:=,频率:=。 h p h 3.1(2019 甘肃兰州一月考试)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 【答案】C 3.2(2018 安徽合肥五校联考)(
8、多选)下列关于德布罗意波的认识,正确的是( )。 A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波 B.X 光的衍射证实了物质波的假设是正确的 C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性 【答案】AC 题型 一 光电效应的理解与图象问题 1.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
9、的最大初动能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 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 2.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。 3.两条对应关系 (1)光子频率一定(发生光电效应时)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
10、动能大。 4.四类图象 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 的关 系图线 极限频率:图线与轴交点的横坐标c 逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0=|-E|=E 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 遏止电压Uc:图线与横轴的交点 饱和光电流Im:电流的最大值 最大初动能:Ek=eUc 颜色不 同时,光 电流与 电压的 关系 遏止电压Uc1、Uc2 饱和光电流 最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2 (续表) 图象名 称 图线形状由图线直接(间接)得到的物理量 遏止电 压Uc与 入射
11、光 频率 的关系 图线 截止频率c:图线与横轴的交点 遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大 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 1】(多选)如图甲所示,在光电效应实验中,某同学用相同频率的单色光,分别照射 阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管,结果都能发生光电效应。图乙为其中一个光电管的 遏止电压Uc随入射光频率变化的函数关系图象。对于这两个光电管,下列判断正确的是 ( )。 甲 乙 A.因为材料不同逸出功不同,所以遏止电压Uc不同 B.光电子的最大初动能不同 C.因为光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光电流也可
12、能相同 D.两个光电管的Uc-图象的斜率可能不同 【解析】因为不同材料有不同逸出功,所以遏止电压Uc不同,A 项正确;根据爱因斯坦光 电效应方程式h=W0+Ekm,得 B 项正确;在入射光的频率大于极限频率的情况下,发射出的光 电子数与入射光的强度成正比,光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光 电流也可能相同,C 项正确;由Uc=-。 可知,Uc-的图象的斜率k= =常数,所以 D 项错误。 h e W0 e h e 【答案】ABC 光电效应的研究思路 (1)两条线索 (2) 定量分析时应抓住三个关系式 爱因斯坦光电效应方程:Ek=h-W0。 最大初动能与遏止电压的关系:Ek=
13、eUc。 逸出功与极限频率的关系:W0=h0。 【变式训练 1】 (2019 贵州铜仁市质检)(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变化的图线(直线与横轴的交点的刻线为 4.27,与纵轴交点 的刻线为 0.5)。由图可知( )。 A.该金属的截止频率为 4.271014 Hz B.该金属的截止频率为 5.51014 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】由光电效应方程Ek=h-W0及W0=h0可知图线在横轴上的截距为截止频率,图 线的斜率为普朗克常量,A、C 两项正确,B 项错误;金属的逸出功W0=hc= eV1.
14、77eV,D 项错误。 6.63 10 - 34 4.27 1014 1.6 10 - 19 【答案】AC 题型 二 波粒二象性问题 1.对光的波粒二象性的理解 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,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
15、光子的能量E=h,光子的动量p=也可以看出,光的波动 h 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 量频率和波长。 (5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波,也不可把光当成微观概念中 的粒子。 2.概率波与物质波 (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,因此光波是一种概率波。 (2)物质波:任何一个运动的物体,小到微观粒子,大到宏观物体,都有一种波与它对 应,其波长=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。 h p 【例 2】关于物质的波粒二象性,下列说法中不
16、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】 光具有波粒二象性,大量光子运动的规律表现出光的波动性,而单个光子的运动 表现出光的粒子性;光的波长越长,波动性越明显;光的频率越高,粒子性越明显;而宏观物体 的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性,不是不具有波粒二象性,D 项错误。 【答案】D 波粒二象性的“三个易错点” (1)光子表现为
17、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。 【变式训练 2】(2019 四川成都开学检测)(多选)物理学家做了一个有趣的实验:在双缝 干涉实验中,在光屏处放上照相底片,若减弱光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝。实 验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些不规则的点;如果曝光时间足够长, 底 片上就会出现规则的干涉条纹。对这个实验结果下列认识正确的是( )。 A.曝光时间不长时,光的能量太小,底片上的条纹看不清楚,故出现不规则的点 B.单个光子的运动没有确定的轨道 C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达概率
18、大的地方 D.只有大量光子的行为才表现出波动性 【解析】 单个光子通过双缝后的落点无法预测,大量光子的落点出现一定的规律性,落在 某些区域的可能性较大,这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域。光具有波 粒二象性,少数光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性。所以 B、C、D 三项 正确。 【答案】BCD 1.(2018 河南洛阳入学考试)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。如图所示的是该实验装置的简化图,下列说法错误的 是( )。 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
19、明光子具有波动性 D.该实验说明实物粒子具有波动性 【解析】 亮条纹是电子到达概率大的地方,该实验说明物质波理论是正确的,说明实物粒 子具有波动性,但该实验不能说明光子具有波动性,C 项错误,A、B、D 三项正确。 【答案】C 2.(2019 贵州遵义阶段检测)下表给出了一些金属材料的逸出功。 材料铯钙镁铍钛 逸出功/(10- 19 J) 3.0 4.3 5.9 6.2 6.6 现用波长为 400 nm 的单色光照射上述材料,能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量 h=6.6310-34 Js,光速c=3.0108 m/s)( )。 A.2 种B.3 种C.4 种D.5 种 【解析】要发生
20、光电效应,则入射光的能量必须大于金属的逸出功,由题可算出波长为 400nm的光的能量E=h=h =6.6310-34J4.9710-19J,大于铯和钙的逸出功, c 3.0 108 400 10 - 9 所以 A 项正确。 【答案】A 3.(2018 吉林长春期末考试)(多选)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能 Ek与入射光频率的关系图象。由图象可知( )。 A.该金属的逸出功等于E B.该金属的逸出功等于hc C.入射光的频率为 2c时,产生的光电子的最大初动能为E D.入射光的频率为时,产生的光电子的最大初动能为 c 2 E 2 【解析】 由题图并结合Ek=h-W0得,Ek=
21、h-E,故逸出功W0=E,A项正确;当Ek=0时,=c, 故E=hc,B项正确;=2c时,可得出Ek=E,C 项正确;当入射光的频率为时,不发生光电 c 2 效应,D 项错误。 【答案】ABC 4.(2018江苏南京第一次模拟)用如图所示的光电管研究光电效应的实验中,用某种频率的单 色光a照射光电管阴极 K,电流计的指针发生偏转。而用另一频率的单色光b照射光电管 阴极 K 时,电流计的指针不发生偏转,那么( )。 A.a光的波长一定大于b光的波长 B.增加b光的强度可能使电流计的指针发生偏转 C.用a光照射光电管阴极 K 时通过电流计的电流是由d到e D.只增加a光的强度可使通过电流计的电流增
22、大 【解析】 用一定频率的单色光a照射光电管时,电流计指针会发生偏转,用单色光b照射 时,电流计指针不偏转,知acb,a光的波长小于b光的波长,A 项错误;发生光电效应 的条件是c,增加b光的强度不能使电流计的指针发生偏转,B 项错误;发生光电效应 时,电子从光电管左端运动到右端,而电流的方向与电子定向移动的方向相反,所以流过电流 计的电流方向是由e流向d,C 项错误;增加a光的强度可使通过电流计的电流增大,D 项 正确。 【答案】D 5.(2018 衡水模拟)(多选)如图所示为研究光电效应的实验装置,闭合开关,滑片P处于滑动 变阻器的中央位置,当一束单色光照到此装置的金属表面 K 时,电流表
23、有示数,下列说法正确 的是( )。 A.若仅增大该单色光入射的强度,则光电子的最大初动能增大,电流表示数也增大 B.无论是增大入射光的频率还是增加入射光的强度,金属的逸出功都不变 C.保持频率不变,当光强减弱时,发射光电子的时间将明显增加 D.若滑动变阻器滑片左移,则电压表示数减小,电流表示数增大 【解析】 若仅增大该单色光入射的强度,由于每个光子的能量不变,因此光电子的最大初 动能不变,但单位时间内射出的光电子数增多,因此光电流增大,故 A 项错误;逸出功由金属 材料自身决定,与是否有光照无关,故 B 项正确;发生光电效应不需要时间积累,只要入射光 的频率大于极限频率即可,故 C 项错误;若
24、滑动变阻器滑片左移,则电压表所分配的电压减小, 又电压是反向电压,因此电压减小时,光电子更容易到达 A 极形成电流,电流表示数反而增大, 故 D 项正确。 【答案】BD 1.(2018 全国卷,17)用波长为 300 nm 的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为 1.2810-19 J。 已知普朗克常量为 6.6310-34 Js,真空中的光速为 3.00108 ms-1。 能 使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( )。 A.11014 Hz B.81014 Hz C.21015 Hz D.81015 Hz 【解析】 设单色光的最低频率为0,由Ek=h-W知Ek=h1-W,0=h0-
25、W,又知1=, 整 c 理得0= -,解得081014Hz,B 项正确。 c Ek h 【答案】B 2.(2017 全国卷,19)(多选)在光电效应实验中,分别用频率为a、b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ab,则一定有Uab,则一定有EkaEkb C.若Uab,则一定有ha-Ekahb-Ekb 【解析】由光电效应方程可知Ek=h-W0,该动能又会在遏止电压下恰好减为零,则 eU=h-W0,其中W0为逸出功,同种金属的W0相同,若ab,则UaUb,故A项错误;若 a
26、b, 根据Ek=h-W0,可得EkaEkb,故 B 项正确;若Uab,根据Ek=h-W0可知h-Ek=W0,由于是照射到同种金属上,逸出功W0相同,故D 项错误。 【答案】BC 3.(2017 北京卷,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 100 nm(1 nm=10-9 m)附近连续可调的世界上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
27、量h=6.610-34 Js,真空光速c=3108 m/s)( )。 A.10-21 JB.10-18 JC.10-15 JD.10-12 J 【解析】由E=h,=,可得E=h =1.9810-18J,所以 B 项正确。 c c 【答案】B 4.(2015 江苏卷,12)(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 【解析】黑体辐射的实验规律只能用光的粒子性解释,普朗克用能量子理论分析黑体辐 射,结果与事实完全相符,故 C 项错误;由于Ek= mv2,p=mv,因此p=,质子和电子动能相 1 2 2mEk 等,但质量不等,故动量p也不等,再根据德布罗意波的波长=可知,德布罗意波的波长 h p 也不同,故 D 项错误。 【答案】AB