專題74光電效應與波粒二象性 （解析版）

專題74光電效應與波粒二象性專題導航目錄TOC\o"1-3"\h\u?？键c電學實驗基礎 1考點拓展練習 5?？键c歸納?？键c電學實驗基礎【典例1】（多選）如圖所示為研究光電效應規(guī)律的實驗電路，電源的兩個電極分別與接線柱c、d連接．用一定頻率的單色光a照射光電管時，靈敏電流計G的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的單色光b照射該光電管時，靈敏電流計G的指針不偏轉(zhuǎn)．下列說法正確的是（）A．a(chǎn)光的頻率一定大于b光的頻率 B．電源正極可能與接線柱c連接 C．用b光照射光電管時，一定沒有發(fā)生光電效應 D．若增加b光的強度，則靈敏電流計G的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) E．若靈敏電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則電流方向一定是由e→G→f解：AB、由于電源的接法不知道，所以有兩種情況：①c接負極，d接正極：用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，知a光頻率大于金屬的極限頻率。用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，知b光的頻率小于金屬的極限頻率，所以a光的頻率一定大于b光的頻率。②c接正極，d接負極：用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，知a光產(chǎn)生的光電子能到達負極d端。用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有兩種可能的情況，情況一：b光不能產(chǎn)生光電子，情況二：b光產(chǎn)生的光電子不能到達負極d端，所以a光產(chǎn)生的光電子的最大初動能大，所以a光的頻率一定大于b光的頻率。故A、B正確。C、由以上的分析可知，不能判斷出用b光照射光電管時，一定沒有發(fā)生光電效應，故C錯誤。D、若增加b光的強度，并不改變b光產(chǎn)生的光電子的最大初動能，靈敏電流計G的指針不偏轉(zhuǎn)，故D錯誤。E、電流的方向與負電荷定向移動的方向相反，若靈敏電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則電流方向一定是由e→G→f，故E正確。【典例2】用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應的措施是（）A．改用X射線照射 B．改用紅外線照射 C．延長該紫外線的照射時間 D．改用強度更大的紫外線照射解：用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，知紫外線的頻率小于金屬的極限頻率，要能發(fā)生光電效應，需改用頻率更大的光照射（如X射線）。能否發(fā)生光電效應與入射光的強度和照射時間無關(guān)。故A正確，B、C、D錯誤?！炯记牲c撥】一．光電效應的典型規(guī)律（1）截止頻率ν0=W0/h，截止頻率與材料有關(guān)。（2）僅當入射光頻率ν>ν0（截止頻率）時才發(fā)生光電效應，與入射光強無關(guān)（3）當hν0<W0時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。（4）光電效應是瞬時效應。當光照射到金屬表面時，幾乎立即就有光電子逸出。二．四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：Ekm＝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=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量的乘積，即h＝ke.(注：此時兩極之間接反向電壓)三．光的頻率與光強的區(qū)別四．光電效應的實質(zhì)和研究思路(1)光電效應的實質(zhì)是金屬中的電子獲得能量后逸出金屬表面，從而使金屬帶上正電。(2)兩條研究線索：(3)兩條對應關(guān)系：光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。五．光電效應規(guī)律的“四點”理解(1).放不放光電子，看入射光的最低頻率.(2).放多少光電子，看光的強度.(3).光電子的最大初動能大小，看入射光的頻率.(4).要放光電子，瞬時放.六．光的波粒二象性與物質(zhì)波1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。(2)光電效應說明光具有粒子性。(3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性。2．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，因此光波又叫概率波。(2)物質(zhì)波：任何一個運動著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都有一種波與它對應，其波長λ＝eq\f(h,p)，p為運動物體的動量，h為普朗克常量?！咀兪窖菥?】關(guān)于光電效應現(xiàn)象，下列說法中正確的是（）A．在光電效應現(xiàn)象中，入射光的強度越大，光電子的最大初動能越大 B．在光電效應現(xiàn)象中，光電子的最大初動能與照射光的頻率成正比 C．對于任何一種金屬都存在一個“最大波長”，入射光的波長必須小于此波長，才能產(chǎn)生光電效應 D．對于某種金屬，只要入射光的強度足夠大，就會發(fā)生光電效應解：AD、只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率，才能產(chǎn)生光電效應，當入射頻率越高時，則光電子的最大初動能越大，與入射光的強度無關(guān)。故AD錯誤。B、根據(jù)光電效應方程Ekm＝hv﹣W0，入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大，但光電子的最大初動能與照射光的頻率并不成正比。故B錯誤C、只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率，才能產(chǎn)生光電效應，而頻率越高的，波長越短。故C正確?！咀兪窖菥?】（多選）在做光電效應實驗中，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應，實驗測出了光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示，由實驗圖象可求出（）A．該金屬的逸出功 B．光電流強度 C．單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù) D．普朗克常量解：根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν﹣W，任何一種金屬的逸出功W一定，說明Ek隨ν的變化而變化，且是線性關(guān)系（與y＝ax+b類似），直線的斜率等于普朗克常量，直線與橫軸的截距OA表示Ek＝0時的頻率ν0，即為金屬的極限頻率。由Ek＝hν﹣W，Ek＝0時有hν﹣W＝0，ν0＝，縱截距代表逸出功。故AD正確。考點拓展練習1．用如圖所示的裝置研究光電效應現(xiàn)象．所用光子能量為2.5eV的光照射到光電管上時發(fā)生了光電效應，電流表G的示數(shù)不為零；移動變阻器的觸點c，發(fā)現(xiàn)當電壓表的示數(shù)大于或等于0.7V時，電流表示數(shù)為0，則下列說法錯誤的是（）A．光電管陰極的逸出功為1.8eV B．電鍵S斷開后，有電流流過電流表G C．光電子的最大初動能為0.7eV D．改用能量為1.5eV的光子照射，電流表G也有電流，但電流較小解：A、該裝置所加的電壓為反向電壓，發(fā)現(xiàn)當電壓表的示數(shù)大于或等于0.7V時，電流表示數(shù)為0，知道光電子點的最大初動能為0.7eV，根據(jù)光電效應方程EKm＝hγ﹣W0，W0＝1.8eV．故A、C正確。B、電鍵S斷開后，用光子能量為2.5eV的光照射到光電管上時發(fā)生了光電效應，有光電子逸出，則有電流流過電流表。故B正確。D、改用能量為1.5eV的光子照射，由于光電子的能量小于逸出功，不能發(fā)生光電效應，無光電流。故D錯誤。2．關(guān)于光電效應，下列說法正確的是（）A．極限頻率越大的金屬材料逸出功越大 B．只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應 C．從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小 D．入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多解：A、逸出功W＝hv0，知極限頻率越大，逸出功越大，故A正確。B、光電效應的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率，與入射光的強度無關(guān)。故B錯誤。C、根據(jù)光電效應方程Ekm＝hγ﹣W0知，最大初動能與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系，不會影響金屬的逸出功。故C錯誤。D、入射光的光強一定時，頻率越高，光子的能量值越大，入射光中的光子的數(shù)目越少，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越少，故D錯誤。3．某單色光照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應的是（）A．延長光照時間 B．增大光的強度 C．換用波長較短的光照射 D．換用頻率較低的光照射解：要使該金屬產(chǎn)生光電效應，可以增大入射光的頻率（或減短入射光的波長），延長作用時間，增大光的強度都不會使金屬發(fā)生光電效應，故A、B、D錯誤，C正確。4．用圖示裝置研究光電效應現(xiàn)象，光陰極K與滑動變阻器的中心抽頭c相連，當滑動頭P從a移到c的過程中，光電流始終為零。為了產(chǎn)生光電流，可采取的措施是（）A．增大入射光的強度 B．增大入射光的頻率 C．把P向a移動 D．把P從c向b移動解：A、能否產(chǎn)生光電效應與入射光的強度無關(guān)，增大入射光的強度，仍不能產(chǎn)生光電流。故A錯誤。B、增大入射光的頻率，當入射光的頻率大于金屬的極限頻率時，產(chǎn)生光電效應，金屬有光電子發(fā)出，電路中能產(chǎn)生光電流。故B正確。C、把P向a移動。P點電勢大于的c點電勢，光電管加上正向電壓，但不能產(chǎn)生光電效應，沒有光電流形成。故C錯誤。D、把P從c向b移動，不能產(chǎn)生光電效應，沒有光電流形成。故D錯誤。5．不同頻率的紫外光分別照射鎢和鋅的表面而產(chǎn)生光電效應，可得到光電子的最大初動能Ek隨入射光頻率ν變化的Ek﹣ν圖象。已知鎢的逸出功是3.28eV，鋅的逸出功是3.34eV，若將二者的圖線畫在同一個坐標系中，以實線表示鎢、虛線表示鋅，則下圖中能正確反映這一過程的是（）A． B． C． D．解：由光電效應方程知，對金屬鎢EK＝hv﹣3.28，對金屬鋅EK＝hv﹣3.34，所以圖象的斜率相同，圖線應平行。又有W逸＝hv極，則圖線與橫軸的截距點越大，金屬的極限頻率越大，故A正確。6．2021年開始實行的“十四五”規(guī)劃提出，把量子技術(shù)與人工智能和半導體一起列為重點研發(fā)對象。技術(shù)方面，中國量子通信專利數(shù)超3000項，領(lǐng)先美國。在通往量子論的道路上，一大批物理學家做出了卓越的貢獻，下列有關(guān)說法正確的是（）A．玻爾在1900年把能量子引入物理學，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念 B．德布羅意第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念 C．弗蘭克和赫茲利用電子轟擊汞原子，獲得了除光譜測量外用其他方法證實原子中分立能級存在的途徑，為能夠證明原子能量的量子化現(xiàn)象提供了實驗基礎 D．普朗克大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子，預言實物粒子也具有波動性解：A、普朗克在1900年把能量子引入物理學，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，故A錯誤；B、玻爾第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念，故B錯誤；C、弗蘭克和赫茲利用電子轟擊汞原子，獲得了除光譜測量外用其他方法證實原子中分立能級存在的途徑，為能夠證明原子能量的量子化現(xiàn)象提供了實驗基礎，故C正確；D、德布羅意把光的波粒二象性推廣到實物粒子，預言實物粒子也具有波動性，故D錯誤。7．疫情期間，額溫槍（紅外測溫儀）成為重要的防疫裝備，其測溫原理是：任何物體都會向外發(fā)出紅外線，額溫槍通過紅外線照射到溫度傳感器，發(fā)生光電效應，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，間接得出溫度數(shù)據(jù)。已知人體溫正常時能輻射波長為10μm的紅外光，如圖甲所示，用該紅外光照射光電管的陰極K時，電路中有光電流產(chǎn)生，該光電流隨電壓變化的圖像如圖乙所示，已知h＝6.63×10﹣34J?s，e＝1.6×10﹣19C，則（）A．波長10μm的紅外光在真空中的頻率為3×1014Hz B．由圖乙可知該光電管的陰極金屬逸出功約為0.5eV C．將圖甲中的電源反接，電流表的示數(shù)可能不為零 D．若人體溫度升高，則輻射紅外線的強度減弱，光電流減小解：A.波長10um的紅外光在真空中的頻率為f＝，代入數(shù)據(jù)解得f＝3×1013Hz，故A錯誤；B.由乙圖可知遏止電壓為UC＝2×10﹣2V，根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν﹣W0，根據(jù)動能定理得eUC＝Ek，兩式聯(lián)立代入數(shù)據(jù)解得W0＝0.1eV，故B錯誤；C.將圖甲中的電源反接，根據(jù)乙圖，反向電壓低于遏止電壓，即低于0.02V時，電流表的示數(shù)不為零，故C正確；D.若人體溫度升高，則輻射紅外線的強度增大，逸出的光電子的個數(shù)增加，光電流增大，故D錯誤。8．1921年，愛因斯坦因光電效應的研究而獲得諾貝爾物理學獎，他的研究推動了量子力學的發(fā)展。如圖所示為研究光電效應的裝置，當分別利用波長為2λ、λ的單色光照射鋅板時，從鋅板表面逸出的光電子的最大初速度之比為1：3，電流計的示數(shù)均不為零。已知單色光在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則（）A．鋅板的逸出功為 B．鋅板的極限頻率為 C．用波長為2λ的光照射鋅板時，電流計的示數(shù)較大 D．用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時，二者遏止電壓之比為1：3解：AB.根據(jù)c＝λf和光電效應方程可知＝﹣hν0，＝﹣hν0，且逸出功W0＝hν0，三式聯(lián)立可解得鋅板的極限頻率ν0＝，逸出功W0＝，故B正確，A錯誤；C.因用兩種光照射都能發(fā)生光電效應，但是兩種光的強度關(guān)系不確定，則單位時間逸出光電子的數(shù)量不確定，不能比較光電流的大小關(guān)系，故C錯誤；D.用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時，因eUC＝Ek，因光電子最大初速度之比為1：3，則最大初動能之比為1：9，則二者遏止電壓之比為1：9，故D錯誤。9．（多選）如圖在研究光電效應的實驗中，發(fā)現(xiàn)用一定頻率的A單色光照射光電管時，電流表指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的B單色光照射時不發(fā)生光電效應（）A．A光的頻率大于B光的頻率 B．B光的頻率大于A光的頻率 C．用A光照射光電管時流過電流表G的電流方向是a流向b D．用A光照射光電管時流過電流表G的電流方向是b流向a解：A、因為A色光照射能發(fā)生光電效應，B色光照射不能發(fā)生光電效應，則A光的頻率大于B光的頻率。故A正確，B錯誤。C、發(fā)出的光電子從陰極移動到陽極，則流過電流表的電流方向為a流向b。故C正確，D錯誤。10．（多選）在光電效應實驗中，飛飛同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲（甲光、乙光，丙光），如圖所示，則可判斷出（）A．甲光的頻率等于乙光的頻率 B．乙光的波長大于丙光的波長 C．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率 D．甲光對應的光電子最大初動能小于丙光的光電子最大初動能解：A、根據(jù)eU截＝hγ﹣W0可知入射光的頻率越高，對應的截止電壓U截越大。甲光、乙光的截止電壓相等，所以甲光、乙光的頻率相等；故A正確。B、丙光的截止電壓大于乙光的截止電壓，所以丙光的頻率大于乙光的頻率，則乙光的波長大于丙光的波長；故B正確。C、丙的頻率最大，甲乙頻率相同，且均小于丙的頻率，故C錯誤。D、丙光的截止電壓大于甲光的截止電壓，所以甲光對應的光電子最大初動能小于丙光的光電子最大初動能。故D正確。11．（多選）愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理