高考物理复习第十二章第1讲光电效应波粒二象性讲义（含解析）新人教版 9页

光电效应波粒二象性全国卷3年考情分析考点内容考纲要求三年考题201620172018光电效应Ⅰ卷ⅠT35(1)，光电效应卷ⅡT35(1)，核反应卷ⅢT35(1)，核反应和质能关系卷ⅠT17，质量亏损与核能的计算卷ⅡT15，动量守恒、衰变、质量亏损卷ⅢT19，光电效应方程卷ⅡT17，考查了光电效应卷ⅢT14，考查了核反应方程爱因斯坦光电效应方程Ⅰ氢原子光谱Ⅰ氢原子的能级结构、能级公式Ⅰ原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期Ⅰ放射性同位素Ⅰ核力、核反应方程Ⅰ结合能、质量亏损Ⅰ裂变反应和聚变反应、裂变反应堆Ⅰ射线的危害和防护Ⅰ第1讲　光电效应　波粒二象性[基础知识·填一填][知识点1]　光电效应　1．定义：在光的照射下从物体发射出　电子　的现象(发射出的电子称为光电子)．2．产生条件：入射光的频率　大于　极限频率．3．光电效应规律(1)存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．(2)存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关．当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应．(3)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10－9s.判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”．(1)光电效应中的“光”指的是可见光．(×)(2)只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应．(×)n(3)光子和光电子都是实物粒子．(×)[知识点2]　光电效应方程　1．基本物理量(1)光子的能量ε＝hν，其中h＝6.626×10－34J·s(称为普朗克常量)．(2)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的　最小值　.(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有动能的　最大值　.2．光电效应方程：Ek＝　hν－W0　.判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”．(1)入射光的强度相同，则入射光的频率一定相同．(×)(2)极限频率越大的金属其逸出功越大．(√)(3)从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小．(×)(4)入射光的频率越大，则金属的逸出功越大．(×)[知识点3]　光的波粒二象性与物质波　1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有　波动　性．(2)光电效应说明光具有　粒子　性．(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的　波粒二象　性．2．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，因此光波又叫概率波．(2)物质波：任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝　　，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”．(1)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性．(√)(2)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律．(×)(3)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性．(√)(4)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子具有波动性．(√),[教材挖掘·做一做]1．(人教版选修3－5P30演示实验改编)(多选)如图所示，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(　　)nA．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：BC2．(人教版选修3－5P36第2题改编)(多选)在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)A．增大入射光的强度，光电流增大B．减少入射光的强度，光电效应现象消失C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大解析：AD　[增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积上的光子数增加，则光电流将增大，故选项A正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光强度无关，故选项B错误．用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C错误；根据hν－W逸＝mv2可知，增大入射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D正确．]3．(人教版选修3－5P38图17.3－1改编)(多选)1927年戴维逊和革末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，下列说法正确的是(　　)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：ABD　[电子属于实物粒子，电子衍射实验说明电子具有波动性，说明物质波理论是正确的，与光的波动性无关，B、D正确，C错误；物质波也是概率波，亮条纹是电子到达概率大的地方，A正确．]n考点一　对光电效应的理解[考点解读]1．与光电效应有关的五组概念对比(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子．光子是光电效应的因，光电子是果．(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能．光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能．(3)光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量．(5)光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系．2．光电效应的研究思路(1)两条线索(2)两条对应关系→→→→→(3)三点提醒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．[典例赏析][典例1]　(2016·全国卷Ⅰ改编)(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是(　　)nA．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生[解析]　AC　[保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内光电子变多，饱和光电流变大，A对；据爱因斯坦光电效应方程mv＝hν－W0可知，入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和光电流不变，B错，C对；当hν＜W0时没有光电流产生，D错．][题组巩固]1．(多选)1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，其中关于光量子的理论成功的解释了光电效应现象．关于光电效应，下列说法正确的是(　　)A．当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应B．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比C．光电子的最大初动能与入射光的强度成正比D．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应解析：AD　[根据光电效应现象的实验规律，只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应，故A、D正确．根据光电效应方程，最大初动能与入射光频率为线性关系，但非正比关系，B错误；根据光电效应现象的实验规律，光电子的最大初动能与入射光强度无关，C错误．]2．(多选)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G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G的指针不发生偏转，那么(　　)A．a光的频率一定大于b光的频率B．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大C．增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转nD．用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到c解析：AB　[由于用单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，说明发生了光电效应，而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，说明b光不能发生光电效应，即a光的频率一定大于b光的频率，A正确；增加a光的强度可使单位时间内逸出光电子的数量增加，则通过电流计G的电流增大，因为b光不能发生光电效应，所以即使增加b光的强度也不可能使电流计G的指针发生偏转，B正确，C错误；用a光照射光电管阴极K时，通过电流计G的电子的方向是由d到c，所以电流方向是由c到d，选项D错误，故选A、B.]考点二　光电效应方程及图象的理解[考点解读]1．三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0.(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止电压．(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc.2．四类图象图象名称图线形状读取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①截止频率(极限频率)：横轴截距②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：横轴截距②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大③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.颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压Uc：横轴截距②饱和光电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ekm＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2[典例赏析]n[典例2]　(2017·全国卷Ⅲ)(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb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νa＞νb，则一定有Ua＜UbB．若νa＞νb，则一定有Eka＞EkbC．若Ua＜Ub，则一定有Eka＜EkbD．若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb[解析]　BC　[光照射到同种金属上，同种金属的逸出功相同．若νa＞νb，据hν－W0＝Ek，得Eka＞Ekb，则B项正确．由hν－W0＝Ek＝eU，可知当νa＞νb时Ua＞Ub，则A项错误．若Ua＜Ub，说明Eka＜Ekb，则C项正确．由hν－Ek＝W0，而同一种金属W0相同，故D项错误．]　应用光电效应方程时的注意事项1．每种金属都有一个截止频率，入射光频率大于这个截止频率时才能发生光电效应．2．截止频率是发生光电效应的最小频率，对应着光的极限波长和金属的逸出功，即hνc＝h＝W0.3．应用光电效应方程Ek＝hν－W0时，注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1eV＝1.6×10－19J)．[题组巩固]1．(2018·全国卷Ⅱ)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J.已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.0×108m·s－1，能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　)A．1×1014Hz　　　　　B．8×1014HzC．2×1015HzD．8×1015Hz解析：B　[由光电效应方程式得：Ekm＝hν－W0①W0＝hν0②联立①②得：ν0＝ν－＝－＝8×1014Hz.]2．(多选)1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广，成功地解释了光电效应现象，提出了光子说．在给出与光电效应有关的四个图象中，下列说法正确的是(　　)nA．图1中，当紫外线照射锌板时，发现验电器指针发生了偏转，说明锌板带正电，验电器带负电B．图2中，从光电流与电压的关系图象中可以看出，电压相同时，光照越强，光电流越大，说明遏止电压和光的强度有关C．图3中，若电子电荷量用e表示，ν1、νc、U1已知，由Uc－ν图象可求得普朗克常量的表达式为h＝D．图4中，由光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象可知该金属的逸出功为E或hν0解析：CD　[用紫外线灯发出的紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故选项A错误；由题图可知电压相同时，光照越强，光电流越大，只能说明光电流强度与光的强度有关，遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故选项B错误；根据爱因斯坦光电效应方程Uce＝hν－W0，可知Uc＝ν－，图象Uc－ν的斜率表示，即＝，解得h＝，故选项C正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0，Ek－ν图线的纵轴截距的绝对值表示逸出功，则逸出功为E，当最大初动能为零，入射光的频率等于金属的极限频率，则金属的逸出功等于hν0，故选项D正确．]考点三　光的波粒二象性　物质波[考点解读]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，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象．(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：由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的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ν和波长λ.(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子．[典例赏析][典例3]　(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是n(　　)A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构解析：ACD　[电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，可以说明电子是一种波，故A正确；β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹，可以说明β射线是一种粒子，故B错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，中子衍射说明中子是一种波，故C正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，利用了电子束的衍射现象，说明电子束是一种波，故D正确．][题组巩固]1．下列说法中正确的是(　　)A．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性B．康普顿效应说明光子既有能量又有动量C．光是高速运动的微观粒子，单个光子不具有波粒二象性D．宏观物体的物质波波长非常小，极易观察到它的波动解析：B　[由德布罗意理论知，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，但仍具有波粒二象性，A、D错误；康普顿效应说明光子除了具有能量之外还有动量，B正确；波粒二象性是光子的特性，单个光子也具有波粒二象性，C错误．]2．(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：AB　[光电效应现象说明光具有粒子性，A对；衍射是波特有的特征，B对；黑体辐射可用光的粒子性解释，C错；由德布罗意波长公式λ＝可知λ＝，因电子和质子的质量不同，它们的波长也就不同，D错．]