高考物理一輪復(fù)習第十五單元近代物理第1講光電效應(yīng)波粒二象性練習(含詳解)

PAGEPAGE14光電效應(yīng)波粒二象性高中“近代物理”知識較分散,沒有Ⅱ級考點,而在原子結(jié)構(gòu)、原子核和波粒二象性三大知識板塊中有氫原子光譜,氫原子的能級結(jié)構(gòu),能級公式,原子核的組成,放射性,原子核的衰變,半衰期、放射性同位素、核力,核反應(yīng)方程、結(jié)合能,質(zhì)量虧損、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng),裂變反應(yīng)堆射線的危害和防護,光電效應(yīng)、愛因斯坦光電效應(yīng)方程等眾多的Ⅰ級考點,其特征是“點多面寬”、考點分散。高考對本模塊的考查主要是基本概念的理解、辨析,也有簡單的計算,題型為選擇題,考查的方式有結(jié)合實驗現(xiàn)象考查波粒二象性、光電效應(yīng)的解釋,結(jié)合原子能級圖考查原子的躍遷以及光子的吸收,結(jié)合質(zhì)能方程考查核能的利用等?！敖锢怼闭{(diào)整為必考內(nèi)容后,難度不會有太多的變化,但綜合其他知識一起考查的可能性就增加了。預(yù)計2020年高考對該部分知識的考查仍然以基本概念、規(guī)律為主,難度較低,但要特別注意的有三點:第一,可能一個題目中同時考查多個知識點;第二,可能與帶電粒子在磁場、電場中的運動相結(jié)合,與動量規(guī)律、能量轉(zhuǎn)化規(guī)律綜合考查;第三,以現(xiàn)代科技為背景來考查。第1講光電效應(yīng)波粒二象性1黑體與黑體輻射普朗克能量子假說(1)黑體與黑體輻射①黑體:指能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體。②黑體輻射的實驗規(guī)律:對于一般材料的物體,輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀況有關(guān),而黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)。第一,隨著溫度的升高,各種波長的輻射強度都增加;第二,隨著溫度的升高,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。(2)普朗克能量子假說①定義:普朗克認為,帶電微粒輻射或吸收能量時,只能是輻射或吸收某個最小能量值的整數(shù)倍,這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。②大小:ε=hν,其中ν是電磁波的頻率,h是普朗克常量,數(shù)值h=6.626×10-34J·s(一般h取6.63×10-34J·s)。1.1(2019河北石家莊開學模擬)黑體輻射的規(guī)律如圖所示,從圖中可以看出,隨著溫度的降低,各種波長的輻射強度都(選填“增大”“減小”或“不變),輻射強度的極大值向波長(選填“較長”或“較短”)的方向移動。

【答案】減小較長2光電效應(yīng)及其規(guī)律(1)光電效應(yīng)定義:照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。注意:光電子就是光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子。(2)光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件入射光的頻率大于等于金屬的極限頻率。(3)光電效應(yīng)規(guī)律①每種金屬都有一個極限頻率。②光子的最大初動能與入射光的強度無關(guān),只隨入射光的頻率增大而增大。③光照射到金屬表面時,光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。④光電流的強度與入射光的強度成正比。(4)愛因斯坦光電效應(yīng)方程①光子說:空間傳播的光的能量是不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫作一個光子。光子的能量為ε=hν,其中h是普朗克常量,其值為6.63×10-34J·s。②光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0。其中hν為入射光的能量,Ek為光電子的最大初動能,W0是金屬的逸出功。(5)遏止電壓與截止頻率①遏止電壓:使光電流減小到零的反向電壓Uc。遏止電壓使具有最大初動能的光電子速度減為零,即eUc=12mv2②截止頻率:能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫作該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。不同的金屬對應(yīng)著不同的極限頻率。③逸出功:電子從金屬中逸出所需做功的最小值,叫作該金屬的逸出功。逸出功與極限頻率的關(guān)系是W0=hν0。2.1(2018山東期末)(多選)如圖所示,用導(dǎo)線把驗電器與鋅板相連接,當用紫外線照射鋅板時,發(fā)生的現(xiàn)象是()。A.有光子從鋅板逸出B.有電子從鋅板逸出C.驗電器指針張開一個角度D.鋅板帶負電【答案】BC2.2(2019河北承德第一次模擬)入射光照射到某金屬表面上發(fā)生光電效應(yīng),若入射光的強度減弱,而頻率保持不變,則()。A.從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B.逸出的光電子的最大初動能將減小C.單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少D.有可能不發(fā)生光電效應(yīng)【答案】C3光的波粒二象性物質(zhì)波(1)光的波粒二象性①光既具有波動性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。②光子的能量ε=hν和動量p=?λ。兩式左側(cè)的物理量ε和p描述光的粒子性,右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動性,普朗克常量h(2)粒子的波動性①每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系,這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波,也叫作物質(zhì)波。②物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式波長:λ=?p,頻率:ν=ε3.1(2019甘肅蘭州一月考試)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中正確的是()。A.有的光是波,有的光是粒子B.光子與電子是同樣的一種粒子C.光的波長越長,其波動性越顯著,波長越短,其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出粒子性【答案】C3.2(2018安徽合肥五校聯(lián)考)(多選)下列關(guān)于德布羅意波的認識,正確的是()。A.任何一個物體都有一種波和它對應(yīng),這就是物質(zhì)波B.X光的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C.電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D.宏觀物體運動時,看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體不具有波動性【答案】AC題型一光電效應(yīng)的理解與圖象問題1.對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋對應(yīng)規(guī)律對規(guī)律的解釋光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大,與入射光強度無關(guān)電子吸收光子能量后,一部分克服阻礙作用做功,剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動能,只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動能,對于確定的金屬,逸出功W0是一定的,故光電子的最大初動能隨入射光頻率的增大而增大光電效應(yīng)具有瞬時性光照射金屬時,電子吸收一個光子的能量后,動能立即增大,不需要能量積累的過程光較強時飽和電流大光較強時,包含的光子數(shù)較多,照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多,因而飽和電流較大2.對光電效應(yīng)的四點提醒(1)能否發(fā)生光電效應(yīng),不取決于光的強度而取決于光的頻率。(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光,也包括不可見光。(3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無關(guān)。(4)光電子不是光子,而是電子。3.兩條對應(yīng)關(guān)系(1)光子頻率一定(發(fā)生光電效應(yīng)時)光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。4.四類圖象圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率:圖線與ν軸交點的橫坐標νc②逸出功:圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0=|-E|=E③普朗克常量:圖線的斜率k=h顏色相同、強度不同的光,光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc:圖線與橫軸的交點②飽和光電流Im:電流的最大值③最大初動能:Ek=eUc顏色不同時,光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2(續(xù)表)圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc:圖線與橫軸的交點②遏止電壓Uc:隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積,即h=ke。(注:此時兩極之間接反向電壓)【例1】(多選)如圖甲所示,在光電效應(yīng)實驗中,某同學用相同頻率的單色光,分別照射陰極材料為鋅和銅的兩個不同的光電管,結(jié)果都能發(fā)生光電效應(yīng)。圖乙為其中一個光電管的遏止電壓Uc隨入射光頻率ν變化的函數(shù)關(guān)系圖象。對于這兩個光電管,下列判斷正確的是()。甲乙A.因為材料不同逸出功不同,所以遏止電壓Uc不同B.光電子的最大初動能不同C.因為光強不確定,所以單位時間逸出的光電子數(shù)可能相同,飽和光電流也可能相同D.兩個光電管的Uc-ν圖象的斜率可能不同【解析】因為不同材料有不同逸出功,所以遏止電壓Uc不同,A項正確;根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程式hν=W0+Ekm,得B項正確;在入射光的頻率大于極限頻率的情況下,發(fā)射出的光電子數(shù)與入射光的強度成正比,光強不確定,所以單位時間逸出的光電子數(shù)可能相同,飽和光電流也可能相同,C項正確;由Uc=?νe-W0e?？芍?Uc-ν的圖象的斜率k=【答案】ABC光電效應(yīng)的研究思路(1)兩條線索(2)定量分析時應(yīng)抓住三個關(guān)系式 ①愛因斯坦光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0。②最大初動能與遏止電壓的關(guān)系:Ek=eUc。③逸出功與極限頻率的關(guān)系:W0=hν0。 【變式訓(xùn)練1】(2019貴州銅仁市質(zhì)檢)(多選)如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率變化的圖線(直線與橫軸的交點的刻線為4.27,與縱軸交點的刻線為0.5)。由圖可知()。A.該金屬的截止頻率為4.27×1014HzB.該金屬的截止頻率為5.5×1014HzC.該圖線的斜率表示普朗克常量D.該金屬的逸出功為0.5eV【解析】由光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0及W0=hν0可知圖線在橫軸上的截距為截止頻率,圖線的斜率為普朗克常量,A、C兩項正確,B項錯誤;金屬的逸出功W0=hνc=6.【答案】AC題型二波粒二象性問題1.對光的波粒二象性的理解光既有波動性,又有粒子性,兩者不是孤立的,而是有機的統(tǒng)一體,其表現(xiàn)規(guī)律為:(1)從數(shù)量上看:個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性;大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。(2)從頻率上看:頻率越低波動性越顯著,越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象;頻率越高粒子性越顯著,越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象,貫穿本領(lǐng)越強。(3)從傳播與作用上看:光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性;在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。(4)波動性與粒子性的統(tǒng)一:由光子的能量E=hν,光子的動量p=?λ也可以看出,光的波動性和粒子性并不矛盾。表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ(5)理解光的波粒二象性時不可把光當成宏觀概念中的波,也不可把光當成微觀概念中的粒子。2.概率波與物質(zhì)波(1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達概率大的地方,暗條紋是光子到達概率小的地方,因此光波是一種概率波。(2)物質(zhì)波:任何一個運動的物體,小到微觀粒子,大到宏觀物體,都有一種波與它對應(yīng),其波長λ=?p,p為運動物體的動量,h【例2】關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性,下列說法中不正確的是()。A.不僅光子具有波粒二象性,一切運動的微粒都具有波粒二象性B.運動的微觀粒子與光子一樣,當它們通過一個小孔時,都沒有特定的運動軌道C.波動性和粒子性,在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的,但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的D.實物的運動有特定的軌道,所以實物不具有波粒二象性【解析】光具有波粒二象性,大量光子運動的規(guī)律表現(xiàn)出光的波動性,而單個光子的運動表現(xiàn)出光的粒子性;光的波長越長,波動性越明顯;光的頻率越高,粒子性越明顯;而宏觀物體的德布羅意波的波長太小,實際很難觀察到波動性,不是不具有波粒二象性,D項錯誤?！敬鸢浮緿波粒二象性的“三個易錯點”(1)光子表現(xiàn)為波動性,并不否認光子具有粒子性。(2)宏觀物體也具有波動性。(3)微觀粒子的波動性與機械波不同,微觀粒子的波是概率波。【變式訓(xùn)練2】(2019四川成都開學檢測)(多選)物理學家做了一個有趣的實驗:在雙縫干涉實驗中,在光屏處放上照相底片,若減弱光的強度,使光子只能一個一個地通過狹縫。實驗結(jié)果表明,如果曝光時間不太長,底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點;如果曝光時間足夠長,底片上就會出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋。對這個實驗結(jié)果下列認識正確的是()。A.曝光時間不長時,光的能量太小,底片上的條紋看不清楚,故出現(xiàn)不規(guī)則的點B.單個光子的運動沒有確定的軌道C.干涉條紋中明亮的部分是光子到達概率大的地方D.只有大量光子的行為才表現(xiàn)出波動性【解析】單個光子通過雙縫后的落點無法預(yù)測,大量光子的落點出現(xiàn)一定的規(guī)律性,落在某些區(qū)域的可能性較大,這些區(qū)域正是波通過雙縫后發(fā)生干涉時振幅加強的區(qū)域。光具有波粒二象性,少數(shù)光子的行為表現(xiàn)為粒子性,大量光子的行為表現(xiàn)為波動性。所以B、C、D三項正確?！敬鸢浮緽CD1.(2018河南洛陽入學考試)1927年戴維孫和湯姆孫分別完成了電子衍射實驗,該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一。如圖所示的是該實驗裝置的簡化圖,下列說法錯誤的是()。A.亮條紋是電子到達概率大的地方B.該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的C.該實驗再次說明光子具有波動性D.該實驗說明實物粒子具有波動性【解析】亮條紋是電子到達概率大的地方,該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的,說明實物粒子具有波動性,但該實驗不能說明光子具有波動性,C項錯誤,A、B、D三項正確?！敬鸢浮緾2.(2019貴州遵義階段檢測)下表給出了一些金屬材料的逸出功。材料銫鈣鎂鈹鈦逸出功/(×10-19J)3.04.35.96.26.6現(xiàn)用波長為400nm的單色光照射上述材料,能產(chǎn)生光電效應(yīng)的材料最多有幾種(普朗克常量h=6.63×10-34J·s,光速c=3.0×108m/s)()。A.2種 B.3種 C.4種 D.5種【解析】要發(fā)生光電效應(yīng),則入射光的能量必須大于金屬的逸出功,由題可算出波長為400nm的光的能量E=hν=hcλ=6.63×10-34×3.0×108400×10-【答案】A3.(2018吉林長春期末考試)(多選)如圖是某金屬在光的照射下產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象。由圖象可知()。A.該金屬的逸出功等于EB.該金屬的逸出功等于hνcC.入射光的頻率為2νc時,產(chǎn)生的光電子的最大初動能為ED.入射光的頻率為νc2【解析】由題圖并結(jié)合Ek=hν-W0得,Ek=hν-E,故逸出功W0=E,A項正確;當Ek=0時,ν=νc,故E=hνc,B項正確;ν=2νc時,可得出Ek=E,C項正確;當入射光的頻率為νc【答案】ABC4.(2018江蘇南京第一次模擬)用如圖所示的光電管研究光電效應(yīng)的實驗中,用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K,電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時,電流計的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn),那么()。A.a光的波長一定大于b光的波長B.增加b光的強度可能使電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)C.用a光照射光電管陰極K時通過電流計的電流是由d到eD.只增加a光的強度可使通過電流計的電流增大【解析】用一定頻率的單色光a照射光電管時,電流計指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn),用單色光b照射時,電流計指針不偏轉(zhuǎn),知νa>νc>νb,a光的波長小于b光的波長,A項錯誤;發(fā)生光電效應(yīng)的條件是ν>νc,增加b光的強度不能使電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),B項錯誤;發(fā)生光電效應(yīng)時,電子從光電管左端運動到右端,而電流的方向與電子定向移動的方向相反,所以流過電流計的電流方向是由e流向d,C項錯誤;增加a光的強度可使通過電流計的電流增大,D項正確?！敬鸢浮緿5.(2018衡水模擬)(多選)如圖所示為研究光電效應(yīng)的實驗裝置,閉合開關(guān),滑片P處于滑動變阻器的中央位置,當一束單色光照到此裝置的金屬表面K時,電流表有示數(shù),下列說法正確的是()。A.若僅增大該單色光入射的強度,則光電子的最大初動能增大,電流表示數(shù)也增大B.無論是增大入射光的頻率還是增加入射光的強度,金屬的逸出功都不變C.保持頻率不變,當光強減弱時,發(fā)射光電子的時間將明顯增加D.若滑動變阻器滑片左移,則電壓表示數(shù)減小,電流表示數(shù)增大【解析】若僅增大該單色光入射的強度,由于每個光子的能量不變,因此光電子的最大初動能不變,但單位時間內(nèi)射出的光電子數(shù)增多,因此光電流增大,故A項錯誤;逸出功由金屬材料自身決定,與是否有光照無關(guān),故B項正確;發(fā)生光電效應(yīng)不需要時間積累,只要入射光的頻率大于極限頻率即可,故C項錯誤;若滑動變阻器滑片左移,則電壓表所分配的電壓減小,又電壓是反向電壓,因此電壓減小時,光電子更容易到達A極形成電流,電流表示數(shù)反而增大,故D項正確?！敬鸢浮緽D1.(2018全國卷Ⅱ,17)用波長為300nm的光照射鋅板,電子逸出鋅板表面的最大初動能為1.28×10-19J。已知普朗克常量為6.63×10-34J·s,真空中的光速為3.00×108m·s-1。能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為()。A.1×1014Hz B.8×1014HzC.2×1015Hz D.8×1015Hz【解析】設(shè)單色光的最低頻率為ν0,由Ek=hν-W知Ek=hν1-W,0=hν0-W,又知ν1=cλ,整理得ν0=cλ-Ek?,解得ν0≈8【答案】B2.(2017全國卷Ⅲ,19)(多選)在光電效應(yīng)實驗中,分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上,測得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb,h為普朗克常量。下列說法正確的是()。A.若νa>νb,則一定有Ua<UbB.若νa>νb,則一定有Eka>EkbC.若Ua<Ub,則一定有Eka<EkbD.若νa>νb,則一定有hνa-Eka>hνb-Ek