第一講-光電效應(yīng)波粒二象性(原卷版)

第一講光電效應(yīng)波粒二象性知識梳理一、光電效應(yīng)及其規(guī)律1．光電效應(yīng)現(xiàn)象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)象稱為光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子叫光電子。2．光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件入射光的頻率大于或等于金屬的截止(極限)頻率。3．光電效應(yīng)規(guī)律(1)每種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率必須大于或等于這個截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。(2)光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9s。(4)當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比。二、愛因斯坦光電效應(yīng)方程1．光子說：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫作一個光子，光子的能量ε＝hν。2．逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值。3．最大初動能：發(fā)生光電效應(yīng)時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。4．光電效應(yīng)方程(1)表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。(2)物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能。三、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(yīng)、康普頓效應(yīng)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。四、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(yīng)，其波長λ＝eq\f(h,p)，p為運動物體的動量，h為普朗克常量?？键c一、光電效應(yīng)規(guī)律的理解1．對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋對應(yīng)規(guī)律對規(guī)律的解釋存在截止頻率νc電子從金屬表面逸出，必須克服金屬的逸出功W0，則入射光子的能量不能小于W0，對應(yīng)的頻率必須不小于νc＝eq\f(W0,h)，即截止頻率光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大，與入射光的強度無關(guān)電子吸收光子能量后，一部分用來克服金屬的逸出功，剩余部分表現(xiàn)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，W0是一定的，故光電子的最大初動能只隨入射光頻率的增大而增大，和光強無關(guān)光電效應(yīng)具有瞬時性光照射金屬時，電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間光較強時飽和電流較大對于同種頻率的光，光較強時，單位時間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(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．光電效應(yīng)圖像圖像名稱圖線形狀獲取信息最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率(極限頻率)νc：圖線與ν軸交點的橫坐標(biāo)②逸出功W0：圖線與Ek軸交點的縱坐標(biāo)的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量h：圖線的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點的橫坐標(biāo)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)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：圖線與橫軸的交點的橫坐標(biāo)②飽和電流：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飽和電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2例1、單色光B的頻率為單色光A的兩倍，用單色光A照射到某金屬表面時，從金屬表面逸出的光電子最大初動能為E1。用單色光B照射該金屬表面時，逸出的光電子最大初動能為E2，則該金屬的逸出功為()A．E2－E1 B．E2－2E1C．2E1－E2 D．eq\f(E1＋E2,2)例2、(多選)在做光電效應(yīng)的實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng)，實驗測得光電子的遏止電壓Uc與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示，由實驗圖線可求出()A．該金屬的截止頻率B．普朗克常量C．該金屬的逸出功D．單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)例3、研究光電效應(yīng)的電路圖如圖所示，關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是()A．任何一種頻率的光，只要照射時間足夠長，電流表就會有示數(shù)B．若電源電動勢足夠大，滑動變阻器滑片向右滑，電流表的示數(shù)能一直增大C．調(diào)換電源的正負(fù)極，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，電流表的示數(shù)可能變?yōu)榱鉊．光電效應(yīng)反映了光具有波動性例4、(多選)如圖甲為研究光電效應(yīng)的實驗裝置，用頻率為ν的單色光照射光電管的陰極K，得到光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系圖線如圖乙所示，已知電子電荷量的絕對值為e，普朗克常量為h，則()A．測量遏止電壓Uc時開關(guān)S應(yīng)扳向“1”B．只增大光照強度時，圖乙中Uc的值會增大C．只增大光照強度時，圖乙中I0的值會減小D．陰極K所用材料的極限頻率為eq\f(hν－eUc,h)課堂隨練訓(xùn)練1、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訓(xùn)練2、如圖所示為研究光電效應(yīng)的電路圖。開關(guān)閉合后，當(dāng)用波長為λ0的單色光照射光電管的陰極K時，電流表有示數(shù)。下列說法正確的是()A．若只讓滑片P向D端移動，則電流表的示數(shù)一定增大B．若只增加該單色光的強度，則電流表示數(shù)一定增大C．若改用波長小于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則陰極K的逸出功變大D．若改用波長大于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則電流表的示數(shù)一定為零訓(xùn)練3、(2022·蘇錫常鎮(zhèn)四市第二次調(diào)研)在探究光電效應(yīng)現(xiàn)象時，某同學(xué)分別用頻率為ν1、ν2的兩單色光照射密封真空管的鈉陰極，鈉陰極發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流，實驗得到了兩條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲、乙)，如圖2所示，已知U1＝2U2，ν1>ν2，普朗克常量用h表示。則以下說法正確的是()A．曲線甲為頻率為ν1的光照射時的圖像B．頻率為ν1的光在單位時間內(nèi)照射到鈉陰極的光子數(shù)多C．兩單色光的頻率之比為2∶1D．該金屬的逸出功為h(2ν2－ν1)訓(xùn)練4、(多選)如圖所示，甲、乙、丙、丁是關(guān)于光電效應(yīng)的四個圖像，以下說法正確的是()A．由圖甲可求得普朗克常量h＝eq\f(be,a)B．由圖乙可知虛線對應(yīng)金屬的逸出功比實線對應(yīng)金屬的逸出功小C．由圖丙可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大D．由圖丁可知電壓越高，則光電流越大考點二、光的波粒二象性與物質(zhì)波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)從頻率上看：頻率越低的光波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高的光粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，其穿透本領(lǐng)越強。(2)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)出粒子性。(3)波動性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量ε＝hν、光子的動量p＝eq\f(h,λ)也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的光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或波長λ。(4)理解光的波粒二象性時不可把光當(dāng)成宏觀概念中的波，也不可把光當(dāng)成宏觀概念中的粒子。2．物質(zhì)波(1)定義：每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系，這種波叫作物質(zhì)波，也叫德布羅意波。(2)物質(zhì)波的頻率ν＝eq\f(ε,h)；物質(zhì)波的波長λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)，h是普朗克常量。例1、(2022·上海師大附中高三學(xué)業(yè)考試)用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖(a)(b)(c)所示的圖像，則()A．圖像(a)表明光具有波動性B．圖像(c)表明光具有粒子性C．用紫外線觀察不到類似的圖像D．實驗表明光是一種概率波例2、我國初、高中學(xué)生及大學(xué)生近視眼率超過70%，現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上治療近視眼時，用激光“焊接”視網(wǎng)膜，所用激光的波長λ＝660nm，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光在真空中的傳播速度c＝3×108m/s，則該激光中每個光子的能量為()A．3.0×10－19J B．1.6×10－19JC．1.0×10－19J D．1.0×10－18J課堂隨練訓(xùn)練1、(多選)關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性，下列說法正確的是()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(dāng)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訓(xùn)練2、一個德布羅意波波長為λ1的中子和另一個德布羅意波波長為λ2的氘核同向正碰后結(jié)合成一個氚核，該氚核的德布羅意波波長為()A．eq\f(λ1λ2,λ1＋λ2) B．eq\f(λ1λ2,λ1－λ2)C．eq\f(λ1＋λ2,2) D．eq\f(λ1－λ2,2)同步訓(xùn)練1、(2021·遼寧高考)赫茲在研究電磁波的實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，接收電路的電極如果受到光照，就更容易產(chǎn)生電火花。此后許多物理學(xué)家相繼證實了這一現(xiàn)象，即照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。最初用量子觀點對該現(xiàn)象給予合理解釋的科學(xué)家是()A．玻爾 B．康普頓C．愛因斯坦 D．德布羅意2、下列說法錯誤的是()A．α射線能消除紡織過程產(chǎn)生的靜電B．γ射線可用于探測高鐵軌道是否有裂縫C．若質(zhì)子、電子具有相同動能，則它們的物質(zhì)波波長相等D．普朗克認(rèn)為黑體輻射的能量是不連續(xù)的3、(2021·高考河北卷，T3)普朗克常量h＝6.626×10－34J·s，光速為c，電子質(zhì)量為me，則eq\f(h,mec)在國際單位制下的單位是()A．J/s B．mC．J·m D．m/s4、在研究光電效應(yīng)實驗中，某金屬的逸出功為W，用波長為λ的單色光照射該金屬發(fā)生了光電效應(yīng)。已知普朗克常量為h，真空中光速為c，下列說法正確的是()A．光電子的最大初動能為eq\f(hc,λ)－WB．該金屬的截止頻率為eq\f(c,λ)C．若用波長為eq\f(λ,2)的單色光照射該金屬，則光電子的最大初動能變?yōu)樵瓉淼?倍D．若用波長為2λ的單色光照射該金屬，一定可以發(fā)生光電效應(yīng)5、(2019·北京高考)光電管是一種利用光產(chǎn)生電流的裝置，當(dāng)入射光照在管中金屬板上時，可能形成光電流。表中給出了6次實驗的結(jié)果。組次入射光子的能量/eV相對光強光電流大小/mA逸出光電子的最大動能/eV第一組1234.04.04.0弱中強2943600.90.90.9第二組4566.06.06.0弱中強2740552.92.92.9由表中數(shù)據(jù)得出的論斷中不正確的是()A．兩組實驗采用了不同頻率的入射光B．兩組實驗所用的金屬板材質(zhì)不同C．若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大動能為1.9eVD．若入射光子的能量為5.0eV，相對光強越強，光電流越大6、(2022·廣東省選擇考模擬)下表給出了幾種金屬的極限頻率，現(xiàn)用頻率為4.80×1014～5.10×1014Hz的橙光，分別照射這幾種金屬，可以發(fā)生光電效應(yīng)的是()金屬銫銣鈉鋅極限頻率/×1014Hz4.555.155.568.07A．銫 B．銣C．鈉 D．鋅7、(2022·北京豐臺區(qū)二模)用如圖所示的電路研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。實驗中移動滑動變阻器滑片可以改變K與A之間電壓的大小，閉合電鍵，電流表有示數(shù)。下列說法正確的是()A．向右移動滑片，電流表示數(shù)一定會一直增大B．僅增大入射光頻率，電流表示數(shù)一定增大C．僅增大入射光強度，電流表示數(shù)一定增大D．將電源正負(fù)極對調(diào)，電流表示數(shù)一定為零8、用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。閉合開關(guān)S，用頻率為ν的光照射光電管時發(fā)生了光電效應(yīng)。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應(yīng)時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，圖線與橫軸的交點坐標(biāo)為(a,0)，與縱軸的交點坐標(biāo)為(0，－b)。下列說法正確的是()A．普朗克常量為h＝eq\f(a,b)B．?dāng)嚅_開關(guān)S后，電流表G的示數(shù)不為零C．僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大D．保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變9、(多選)對于甲和乙兩種金屬，其遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系，如圖所示，用h和e分別表示普朗克常量和電子電荷量，則()A．兩圖線的斜率均為hB．甲的逸出功為ea，乙的逸出功為ebC．若這兩種金屬產(chǎn)生的光電子具有相同的最大初動能，則照射乙的入射光頻率較高D．若要兩種金屬都發(fā)生光電效應(yīng)，照射乙的入射光強度必須大于照射甲的入射光強度10、如圖所示，分別用波長為λ、2λ的光照射光電管的陰極K，對應(yīng)的遏止電壓之比為3∶1，則光電管的極限波長是()A．2λB．3λ C．4λD．6λ11、(多選)(2021·安徽省六校聯(lián)考)美國物理學(xué)家密立根通過測量金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率ν，由此算出普朗克常量h，并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較，以檢驗愛因斯坦方程式的正確性。已知電子電荷量為1.6×10－19C，普朗克常量為6.63×10－34J·s。若某次實驗中得到如圖所示的Uc－ν圖像，則