第十六章 第1講　光電效應(yīng)　波粒二象性

1【課標要求】1.了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型。通過對氫原子光譜的分析,了解原子的能級結(jié)構(gòu)。2.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程。3.了解放射性和原子核的衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計意義。了解放射性同位素的應(yīng)用,知道射線的危害與防護。4.認識原子核的結(jié)合能,了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。5.了解人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程。6.通過實驗,了解光電效應(yīng)現(xiàn)象。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。7.知道實物粒子具有波動性,了解微觀世界的量子化特征。體會量子論的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響?！究记榉治觥抗怆娦?yīng)2024·黑吉遼卷·T8、2024·浙江1月選考卷·T11、2024·海南卷·T8、2023·浙江1月選考卷·T15、2022·河北卷·T4能級躍遷、光子的動量2024·貴州卷·T8、2024·重慶卷·T8、2024·江蘇卷·T5、2024·江西卷·T2、2024·安徽卷·T1、2024·浙江6月選考卷·T10、2023·遼寧卷·T6、2023·山東卷·T1、2023·新課標卷·T16、2023·湖北卷·T1、2023·浙江1月選考卷·T15、2023·海南卷·T10、2023·江蘇卷·T14、2023·浙江1月選考卷·T11、2022·廣東卷·T5、2022·浙江6月選考卷·T7、2022·北京卷·T1、2022·重慶卷·T6黑體輻射、原子的核式結(jié)2024·浙江1月選考卷·T14、2024·新課標卷·T17、2024·湖南卷·T1、2023·浙江6月選考卷·T15、2022·浙江1月選考卷·T162構(gòu)、物質(zhì)波原子核的衰變、半衰期2024·山東卷·T1、2024·廣西卷·T4、2024·北京卷·T1、2024·浙江6月選考卷·T4、2023·浙江1月選考卷·T9、2023·浙江6月選考卷·T5、2023·海南卷·T1、2022·全國甲卷·T17、2022·山東卷·T1、2022·浙江6月選考卷·T14核反應(yīng)、核能2024·福建卷·T1、2024·浙江1月選考卷·T7、2024·江蘇卷·T3、2024·全國甲卷·T14、2024·湖北卷·T2、2024·河北卷·T1、2024·廣東卷·T2、2024·甘肅卷·T1、2024·海南卷·T2、2023·全國甲卷·T15、2023·全國乙卷·T16、2023·湖南卷·T1、2022·浙江1月選考卷·T14、2022·湖北卷·T1、2022·遼寧卷·T2第1講光電效應(yīng)波粒二象性如圖為用紫外線燈照射鋅板的實驗現(xiàn)象。試分析:(1)看到的現(xiàn)象是什么?說明了什么?(2)光電子是光子還是電子?(3)入射光的頻率低于金屬的截止頻率時,還能使金屬發(fā)生光電效應(yīng)嗎?(4)光照強度與光子數(shù)之間有什么關(guān)系?每個光子的能量由誰決定?**1.(2024·湖南卷,1)量子技術(shù)是當前物理學(xué)應(yīng)用研究的熱點,下列關(guān)于量子論的說法正確的是()[A]普朗克認為黑體輻射的能量是連續(xù)的[B]光電效應(yīng)實驗中,紅光照射可以讓電子從某金屬表面逸出,若改用紫光照射也可以讓電子從該金屬表面逸出[C]康普頓研究石墨對X射線散射時,發(fā)現(xiàn)散射后僅有波長小于原波長的射線成分[D]德布羅意認為質(zhì)子具有波動性,而電子不具有波動性【答案】B32.(2025·內(nèi)蒙古高考適應(yīng)性考試)(多選)如圖,不帶電的鋅板經(jīng)紫外線短暫照射后,其前面的試探電荷q受到了斥力,則()[A]q帶正電[B]q遠離鋅板時,電勢能減小[C]可推斷鋅原子核發(fā)生了β衰變[D]用導(dǎo)線連接鋅板前、后表面,q受到的斥力將消失【答案】AB4【答案】反射輻射較短整數(shù)倍Ek=hν-W0動量波動性考點一光電效應(yīng)的規(guī)律及應(yīng)用1.“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。2.“兩條”關(guān)系5(1)光的強度大→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→產(chǎn)生光電子的最大初動能大→遏止電壓大。3.“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(3)逸出功與極限頻率的關(guān)系:W0=hνc。[例1]【光電效應(yīng)的規(guī)律】(2024·黑吉遼卷,8)(多選)X射線光電子能譜儀是利用X光照射材料表面激發(fā)出光電子,并對光電子進行分析的科研儀器,用某一頻率的X光照射某種金屬表面,逸出了光電子,若增加此X光的強度,則()[A]該金屬逸出功增大[B]X光的光子能量不變[C]逸出的光電子最大初動能增大[D]單位時間逸出的光電子數(shù)增多【答案】BD【解析】金屬的逸出功是金屬自身的固有屬性,僅與金屬自身有關(guān),增加此X光的強度,該金屬逸出功不變,故A錯誤;根據(jù)光子能量公式ε=hν可知,增加此X光的強度,X光的光子能量不變,根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,可知逸出的光電子最大初動能不變,故B正確,C錯誤;增加此X光的強度,單位時間照射到金屬表面的光子變多,則單位時間逸出的光電子數(shù)增多,故D正確。[例2]【光電效應(yīng)的電路分析】(2024·海南卷,8)利用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng),單刀雙擲開關(guān)S接1,用頻率為ν1的光照射光電管,調(diào)節(jié)滑動變阻器,使電流表的示數(shù)剛好為0,此時電壓表的示數(shù)為U1,已知電子電荷量為e,普朗克常量為h,下列說法正確的是()[A]其他條件不變,增大光強,電壓表示數(shù)增大[B]改用頻率比ν1更大的光照射,調(diào)整電流表的示數(shù)為零,此時電壓表示數(shù)仍為U1[C]其他條件不變,使開關(guān)S接2,電流表示數(shù)仍為零6[D]光電管陰極材料的截止頻率【答案】D【解析】由題圖可知,當開關(guān)S接1時,光電管兩端所加電壓是反向電壓,由eU1=Ek,Ek=hν1-W0可得,eU1=hν1-W0,其他條件不變時,增大光強,電壓表的示數(shù)不變,A錯誤;若改用頻率比ν1更大的光照射時,由于金屬的逸出功不變,可得遏止電壓變大,即調(diào)整電流表的示數(shù)為零,此時電壓表示數(shù)大于U1,B錯誤;其他條件不變時,當開關(guān)S接2時,光電管兩端所加電壓是正向電壓,且hν1>W0,電流表示數(shù)不為零,C錯誤;由eU1=hν1-W0,W0=hνc可得,光電管陰極材料的截止頻率為正確?？键c二光電效應(yīng)的圖像光電效應(yīng)的四類圖像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(1)極限頻率νc:圖線與ν軸交點的橫坐標。(2)逸出功W0:圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值,即W0=|-E|=E。(3)普朗克常量h:圖線的斜率,即k=h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系(1)極限頻率νc:圖線與橫軸交點的橫坐標。(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。(4)逸出功W0:圖線與Uc軸交點的縱坐標的絕對值與電荷量的乘積,即W0=eUm顏色不同時,光電流與電壓的關(guān)系(1)遏止電壓Uc1、Uc2。(2)飽和電流。(3)最大初動能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2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:圖線與橫軸交點的橫坐標。(2)飽和電流Im1、Im2:光電流的最大值。(3)最大初動能Ek=eUc7[例3]【Ek-ν圖像】(2025·江蘇鹽城階段練習(xí))某同學(xué)在研究某金屬的光電效應(yīng)現(xiàn)象時,發(fā)現(xiàn)該金屬逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示。若圖線在橫、縱坐標軸上的截距分別為a和-b,已知電子所帶電荷量為e,由圖線可以得到()[A]該金屬的逸出功為a[B]截止頻率為b[C]普朗克常量為[D]當入射光的頻率為2a時,逸出光電子的最大初動能為b【答案】D【解析】根據(jù)Ek=hν-W0,并結(jié)合圖像得W0=b,h故A、B、C錯誤;當入射光的頻率為2a時,逸出光電子的最大初動能為Ek=hν-W0·2a-b=b,故D正確。[例4]【Uc-ν圖像】(2022·河北卷,4)如圖是密立根于1916年發(fā)表的鈉金屬光電效應(yīng)的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實驗曲線,該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程,并且第一次利用光電效應(yīng)實驗測定了普朗克常量h。由圖像可知()[A]鈉的逸出功為hνc[B]鈉的截止頻率為8.5×1014Hz[C]圖中直線的斜率為普朗克常量h[D]遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比【答案】A8【解析】根據(jù)遏止電壓與最大初動能的關(guān)系有eUc=Ekmax,根據(jù)光電效應(yīng)方程有Ekmax=hν-W0,結(jié)合題圖像可知,當Uc為0時,解得W0=hνc,A正確;鈉的截止頻率為νc,根據(jù)圖像可知,截止頻率小于8.5×1014Hz,B錯誤;結(jié)合遏止電壓與光電效應(yīng)方程可解得可知題圖中直線的斜率表示,C錯誤;根據(jù)遏止電壓與入射光的頻率關(guān)系式可知,遏止電壓Uc與入射光頻率ν呈線性關(guān)系,不是成正比,D錯誤。[例5]【I-U圖像】(2024·廣東湛江二模)光伏發(fā)電是提供清潔能源的方式之一,光伏發(fā)電的原理是光電效應(yīng)。演示光電效應(yīng)的實驗裝置如圖甲所示,a、b、c三種光照射光電管得到的三條電流表與電壓表示數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖乙所示,下列說法正確的是()[A]若b光為綠光,則a光可能是紫光[B]a光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能一定小于b光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能[C]單位時間內(nèi)a光照射光電管發(fā)出的光電子比c光照射光電管發(fā)出的光電子少[D]若用強度相同的a、b光照射該光電管,則單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)相等【答案】B【解析】由光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0及eUc=Ek,解得eUc=hν-W0,即光束照射同一塊金屬時只要遏止電壓一樣,入射光的頻率就一樣,遏止電壓越大,入射光的頻率越大,可知a光和c光的頻率一樣,且均小于b光的頻率,若b光為綠光,則a光不可能是紫光,選項A錯誤;由題圖乙可知Uc1>Uc2,根據(jù)Ek=eUc可知,a光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能小于b光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能,選項B正確;對于a、c兩束頻率相同的光來說,入射光越強,單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多,則單位時間內(nèi)a光照射光電管發(fā)出的光電子比c光照射光電管發(fā)出的光電子多,選項C錯誤;對a、b兩束不同頻率的光來說,光強相同時單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子的總能量相等,因為b光的光子頻率較高,每個光子的能量較大,所以單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子數(shù)較少,即單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)較少,選項D錯誤。9考點三光的波粒二象性物質(zhì)波1.對光的波粒二象性的理解從數(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)出粒子性波動性與粒子性的統(tǒng)一由光子的能量ε=hν、光子的動量表達式p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λ2.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),,p為運動物體的動量,h為普朗克常量。[例6]【波粒二象性】關(guān)于光的波粒二象性,下列說法正確的是()[A]光既具有波動性,又具有粒子性,這是互相矛盾和對立的[B]光的波動性類似于機械波,光的粒子性類似于質(zhì)點[C]大量光子才具有波動性,個別光子只具有粒子性[D]由于光既具有波動性,又具有粒子性,無法只用其中一種去說明光的一切行為,只能認為光具有波粒二象性【答案】D【解析】光既具有粒子性,又具有波動性,大量的光子波動性比較明顯,個別光子粒子性比較明顯,并不矛盾和對立,故A、C錯誤;光是概率波,不同于機械波,光的粒子性也不同于質(zhì)點,即單個光子既具有粒子性也具有波動性,故B錯誤;由于光既具有波動性,又具有粒子性,即光的波動性與粒子性是光子本身的一種屬性,故無法只用其中一種去說明光的一切行為,只能認為光具有波粒二象性,故D正確。[例7]【物質(zhì)波】(2024·廣西開學(xué)考試)中科院暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”的探測成果在《自然》雜志上在線發(fā)表:宇宙空間中存在著質(zhì)量為m、動能為Ek的新物理粒子,科學(xué)家推測,它可能就是暗物質(zhì)。普朗克常量為h。根據(jù)以上信息,這種新物理粒子的物質(zhì)波的波長為()[A][B][C][D]【答案】D【解析】,新物理粒子的動量為p=mv,新物理粒子的動能為聯(lián)立解得故選D。(滿分:60分)對點1.光電效應(yīng)的規(guī)律及應(yīng)用1.(4分)(2024·湖南長沙期末)硅光電池是利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。下列關(guān)于光電效應(yīng)的說法正確的是()[A]光電效應(yīng)表明光具有波動性[B]只要光照足夠強,任何頻率的光都可以引起光電效應(yīng)[C]只要頻率足夠大,光照強度較弱的光也可以引起光電效應(yīng)[D]光電子的最大初動能與光的頻率成正比【答案】C【解析】光電效應(yīng)表明光具有粒子性,故A錯誤;低于極限頻率的光,光照足夠強也不可以引起光電效應(yīng),故B錯誤;只要光頻率大于金屬的極限頻率,光照強度較弱的光也可以引起光電效應(yīng),故C正確;由光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,知光電子的最大初動能與光的頻率不成正比,故D錯誤。2.(4分)(2024·四川宜賓三模)某科技小組用如圖所示的電路研究“光電效應(yīng)”現(xiàn)象,現(xiàn)用頻率為ν的紅光照射光電管,有光電子從K極逸出。下列說法正確的是()[A]使用藍光照射比紅光照射需要克服的逸出功更大[B]僅增大入射光的強度,從K極逃逸出的電子的最大初動能可能增大[C]當滑動變阻器的滑片從左向右滑動時,電流表示數(shù)可能先增大后保持不變[D]將電源正負極反接后當滑動變阻器的滑片從左向右滑動時,電流表示數(shù)不變【答案】C【解析】逸出功由金屬材料本身決定,金屬一定,逸出功一定,可知,使用藍光照射與紅光照射需要克服的逸出功相等,故A錯誤;根據(jù)光電效應(yīng)方程有Ekmax=hν-W0,光電子的最大初動能由入射光的頻率與逸出功共同決定,僅增大入射光的強度,從K極逃逸出的電子的最大初動能不變,故B錯誤;題圖中電壓為加速電壓,當滑動變阻器的滑片從左向右滑動時,加速電壓逐漸增大,電流逐漸增大,當達到飽和電流后,電流保持不變,即電流表示數(shù)可能先增大后保持不變,故C正確;將電源正負極反接后,所加電壓為減速電壓,當滑動變阻器的滑片從左向右滑動時,電流先減小,當電壓達到遏止電壓后,電流為0,即電流表示數(shù)先減小后不變,故D錯誤。3.(11分)(2024·江蘇無錫階段練習(xí))如圖所示,當開關(guān)S斷開時,用光子能量為2.5eV的一束光照射陰極K,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為0。合上開關(guān),調(diào)節(jié)滑動變阻器,發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.8V時,電流表讀數(shù)仍不為0;當電壓表讀數(shù)大于或等于0.8V時,電流表讀數(shù)為0。求:(計算結(jié)果用eV為單位)(1)此時光電子的最大初動能的大小;(2)該陰極材料的逸出功。【答案】(1)0.8eV(2)1.7eV【解析】(1)設(shè)用光子能量為2.5eV的光照射時,光電子的最大初動能為Ek,陰極材料逸出功為W0,當反向電壓達到U=0.80V時,具有最大初動能的光電子剛好達不到陽極,因此eU=Ek,解得Ek=0.8eV。(2)由光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,解得W0=1.7eV。對點2.光電效應(yīng)的圖像4.(4分)(2024·云南昆明期末)如圖甲所示,閉合開關(guān),通過調(diào)節(jié)入射光頻率和改變滑動變阻器的滑片位置,使得理想微安表的讀數(shù)剛好為0,得到理想電壓表的示數(shù)Ue隨著入射光頻率ν的變化圖像如圖乙所示。測得直線的斜率為k、橫截距為ν0,電子所帶電荷量的絕對值為e,則()[A]圖甲中a端為電源正極[B]K板的逸出功為kν0[C]普朗克常量為k[D]圖乙中縱截距的絕對值為kν0【答案】D【解析】由題意可知,光電管加反向電壓,則題圖甲中a端為電源負極,選項A錯誤;根據(jù)光電效應(yīng)方程可知即由圖像可知,,則K板的逸出功為W0=ekν0,普朗克常量為h=ke,題圖乙中縱截距的絕對值為kν0,選項D正確,B、C錯誤。5.(4分)(2024·江蘇南京期中)如圖甲所示,三個不同光源a、b、c照射光電管陰極K發(fā)生光電效應(yīng),測得電流隨電壓變化的圖像如圖乙所示。下列說法正確的是()[A]a、c光源頻率相同[B]a、c發(fā)光強度相同[C]b照射時K的逸出功減小[D]增大正向電壓,電流一直增大【答案】A【解析】根據(jù)eUc=Ekm=hν-W0,可知,入射光的頻率越高,對應(yīng)的遏止電壓Uc越大,由題圖乙可知,a光、c光的遏止電壓相等,所以a、c發(fā)出的光頻率相同,故A正確;同種頻率的光,光強越大,飽和電流越大,a光和c光的頻率相同,a光對應(yīng)的飽和電流大于c光對應(yīng)的飽和電流,所以a光的光強大于c光的光強,故B錯誤;K的逸出功僅與K的材料有關(guān),與照射光的頻率無關(guān),故C錯誤;隨著電壓的增大,電流達到飽和電流值后不再增大,故D錯誤。對點3.光的波粒二象性物質(zhì)波6.(4分)圖甲是用很弱的光做雙縫干涉實驗得到的不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上的照片。圖乙是1927年戴維森和G.P.湯姆孫分別完成的電子衍射實驗簡化圖,該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一。關(guān)于這兩個圖片,下列說法正確的是()[A]圖甲這些照片說明光只有粒子性沒有波動性[B]圖甲這些照片說明光只有波動性沒有粒子性[C]圖乙中該實驗再次說明光子具有波動性[D]圖乙中該實驗說明實物粒子具有波動性【答案】D【解析】光具有波粒二象性,題圖甲說明少量光子粒子性表現(xiàn)明顯,大量光子波動性表現(xiàn)明顯,故A、B錯誤;題圖乙是電子束的衍射實驗,證明實物粒子具有波動性,而不是光子,故C錯誤,D正確。7.(4分)一個德布羅意波長為λ1的中子和另一個德布羅意波長為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長為()[A][B][C][D]【答案】A【解析】中子的動量氘核的動量對撞后形成的氚核的動量p3=p2+p1,所以氚核的德布羅意波長為故A正確,B、C、D錯誤。8.(6分)(2024·四川眉山階段練習(xí))(多選)關(guān)于光電效應(yīng),下列說法正確的是()[A]在圖1的光電效應(yīng)實驗中,光電子從鋅板逸出,驗電器帶正電[B]圖2中光電子的最大初動能Ek甲=Ek丙<Ek乙,三種光的頻率關(guān)系是ν甲=ν丙>ν乙[C]由圖3可知鈉的逸出功小于鈣的逸出功[D]由圖4可知,若某一頻率的光可以使甲金屬發(fā)生光電效應(yīng),則一定也能使乙金屬發(fā)生光電效應(yīng)【答案】AC【解析】在題圖1的光電效應(yīng)實驗中,光電子從鋅板逸出,鋅板帶正電,故驗電器帶正電,故A正確;根據(jù)光電效應(yīng)方程和動能定理可得Ek=hν-W0,Ek=eUc,題圖2中甲、丙對應(yīng)的遏止電壓相等,乙的遏止電壓最大,則光電子的最大初動能Ek甲=Ek丙<Ek乙,甲、乙、丙三種光的頻率關(guān)系是ν甲=ν丙<ν乙,故B錯誤;根據(jù)由題圖3可知鈉的逸出功小于鈣的逸出功,故C正確;根據(jù)光電效應(yīng)方程可得Ek=hν-W0,由題圖4可知甲金屬的逸出功小于乙金屬的逸出功,則某一頻率的光可以使甲金屬發(fā)生光電效應(yīng),該光的頻率不一定大于乙金屬的截止頻率,所以不一定能使乙金屬發(fā)生光電效應(yīng),故D錯誤。9.(6分)(2022·浙江1月選考卷,16)(多選)電子雙縫干涉實驗是近