【物理】2019届一轮复习人教版光电效应　波粒二象性学案（江苏专用） 16页

‎[高考导航]‎ 考点内容 要求 高考命题实况 高考战报 ‎2015‎ ‎2016‎ ‎2017‎ 氢原子光谱　氢原子的能级结构、能级公式 Ⅰ T12C(1)：光的波粒二象性 T12C(2)：核反应方程和核裂变的条件 T12C(3)：结合能与质量亏损 T12C(1)：衰变方程 T12C(3)：光子的能量、光电效应产生的条件 T12C(1)：比结合能曲线 T12C(2)：动量、德布罗意波 ‎3年7考 难度中等 保B必会 原子核的组成 Ⅰ 高频考点：①原子核、原子结构；‎ ‎②波粒二象性。‎ 创新区域：①基础知识联系现代科技；‎ ‎②结合现代科技问题并简单应用。‎ 原子核的衰变　半衰期 Ⅰ 放射性同位素　放射性的应用与防护 Ⅰ 核力与结合能　质量亏损 Ⅰ 核反应方程 Ⅰ 裂变反应　聚变反应　链式反应 Ⅰ 普朗克能量子假说　黑体和黑体辐射 Ⅰ 光电效应 Ⅰ 光的波粒二象性　物质波 Ⅰ 基础课1　光电效应　波粒二象性 知识排查 黑体和黑体辐射　普朗克能量子假说 ‎1.黑体与黑体辐射 ‎(1)黑体：是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。‎ ‎(2)黑体辐射的实验规律 ‎①一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。‎ ‎②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。‎ a.随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加。‎ b.随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。‎ ‎2.能量子 ‎(1)定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍。即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的。这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。‎ ‎(2)能量子的大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.63×10－34 J·s。‎ 光电效应 ‎1.定义 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。‎ ‎2.光电子 光电效应中发射出来的电子。‎ ‎3.研究光电效应的电路图(如图1)：‎ 图1‎ 其中A是阳极。K是阴极。‎ ‎4.光电效应规律 ‎(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应。低于这个频率的光不能产生光电效应。‎ ‎(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。‎ ‎(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s。‎ ‎(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。‎ 爱因斯坦光电效应方程 ‎1.光子说 在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s。(称为普朗克常量)‎ ‎2.逸出功W0‎ 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后所具有的动能的最大值。‎ ‎4.遏止电压与截止频率 ‎(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc。‎ ‎(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。‎ ‎5.爱因斯坦光电效应方程 ‎(1)表达式：Ek＝hν－W0。‎ ‎(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能Ek＝‎ mev2。‎ 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。‎ 小题速练 ‎1.思考判断 ‎(1)光子和光电子都是实物粒子。(　　)‎ ‎(2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。(　　)‎ ‎(3)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。(　　)‎ ‎(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。(　　)‎ ‎(5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。(　　)‎ ‎(6)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。(　　)‎ ‎(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性。(　　)‎ 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√‎ ‎2.[人教版选修3－5·P36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.减小入射光的强度，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　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。‎ 答案　AD ‎3.下列说法正确的是(　　)‎ 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　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，选项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，选项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，选项C错误。‎ 答案　B ‎　光电效应现象和光电效应方程的应用 ‎1.两条线索 ‎2.两条对应关系 →→→ →→ ‎3.定量分析时应抓住三个关系式 ‎(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。‎ ‎(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。‎ ‎(3)逸出功与极限频率的关系：W0＝hν0。‎ ‎【例1】　如图2所示，1887年德国物理学家赫兹利用紫外线照射锌板后，发现与锌板连接的验电器箔片张开，关于这一现象，下列说法正确的是(　　)‎ 图2‎ A.验电器箔片张开，是因为箔片带负电 B.验电器箔片张开，是因为锌板得到了正电荷 C.紫外线灯功率增大，箔片张角也增大 D.换用红外线灯照射锌板，箔片也一定张开 解析　用紫外线照射锌板，可以从锌板上打出电子，锌板带正电，验电器的箔片张开，是因为箔片带正电，选项A、B错误；紫外线灯功率增大，即入射光的强度增大，则箔片上的带电荷量增大，箔片的张角也增大，选项C正确；换用红外线灯照射锌板，不一定会使锌板发生光电效应，即箔片不一定会张开，选项D错误。‎ 答案　C ‎【例2】　某一金属在一束绿光的照射下发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)‎ A.若改用红光照射也一定能发生光电效应 B.若增大绿光的照射强度，则逸出的光电子的最大初动能可能变大 C.若增大绿光的照射强度，则单位时间内逸出的光电子的数目一定增多 D.若改用紫光照射，则单位时间内逸出的光电子的数目一定增多 解析　用红光照射时，红光的频率小于绿光的频率，则不一定发生光电效应，故选项A错误；增大绿光的强度，逸出的光电子的最大初动能不变，单位时间内逸出的光电子数增加，故选项B错误，C正确；改用紫光照射，由于紫光的频率大于绿光的频率，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，则逸出的光电子的最大初动能增大，但是单位时间内逸出的光电子的数目不一定增多，故选项D错误。‎ 答案　C ‎　光电效应的四类图象分析 图象名称 图线形状 由图线直接(间接)‎ 得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ‎①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc ‎②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值 W0＝|－E|＝E ‎③普朗克常量：图线的斜率k＝h 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：图线与横轴的交点 ‎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、Uc2‎ ‎②饱和光电流 ‎③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2‎ 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ‎①截止频率νc：图线与横轴的交点 ‎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量的乘积，即h＝ke。(注：此时两极之间接反向电压)‎ ‎【例3】　(多选)图3甲是光电效应的实验装置图，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图象，下列说法正确的是(　　)‎ 图3‎ A.由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大 B.由图线①、②、③可知对某种确定的金属来说，其遏止电压只由入射光的频率决定 C.只要增大电压，光电流就会一直增大 D.不论哪种颜色的入射光，只要光足够强，就能发生光电效应 解析　由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，故选项A正确；根据光电效应方程知，Ekm＝hν－W0＝eUc ‎，可知入射光频率越大，最大初动能越大，遏止电压越大，可知对于确定的金属，遏止电压只与入射光的频率有关，故选项B正确；增大电压，当电压增大到一定值，光电流达到饱和电流，不再增大，故选项C错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，与入射光的强度无关，故选项D错误。‎ 答案　AB ‎【例4】　(多选)某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图象如图4所示。则由图象可知(　　)‎ 图4‎ A.该金属的逸出功等于hν0‎ B.遏止电压是确定的，与入射光的频率无关 C.入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0‎ D.入射光的频率为3ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0‎ 解析　当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W0＝hν0，故选项A正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0和－eUc＝0－Ekm得，Uc＝ν－，可知当入射光的频率大于极限频率时，遏止电压与入射光的频率成线性关系，故选项B错误；从图象上可知， 逸出功W0＝hν0。根据光电效应方程Ekm＝h·2ν0－W0＝hν0，故选项C正确；Ekm＝h·3ν0－W0＝2hν0，故选项D错误。‎ 答案　AC ‎　光的波粒二象性、物质波 光既具有粒子性，又具有波动性，对波粒二象性的理解 项目 内容 说明 光的粒 子性　‎ ‎(1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子性 ‎(‎ 粒子的含义是“不连续的”、“一份一份的”，光的粒子即光子 ‎2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性 光的波 动性　‎ ‎(1)足够能量的光在传播时，表现出波动的性质 ‎(2)光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述 光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的，光的波动性不同于宏观概念的波 波和粒子 的对立与 统一　　‎ 宏观世界：波和粒子是相互对立的概念 微观世界：波和粒子是统一的。光子说并未否定波动性，光子能量E＝hν＝，其中，ν和λ就是描述波的两个物理量 ‎【例5】　关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是(　　)‎ A.不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性 B.运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C.波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的 D.实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 解析　光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，大量光子运动的规律表现出光的波动性，而单个光子的运动表现出光的粒子性。光的波长越长，波动性越明显，光的频率越高，粒子性越明显。而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，不是不具有波粒二象性，选项D错误。‎ 答案　D ‎【例6】　如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们相等的物理量是(　　)‎ A.速度 B.动能 C.动量 D.总能量 解析　根据λ＝，知电子和中子的动量相等，选项C正确。‎ 答案　C ‎1.(2017·上海单科)光子的能量与其(　　)‎ A.频率成正比 B.波长成正比 C.速度成正比 D.速度平方成正比 解析　由E＝hν、c＝λν得E＝hν＝h，可见光子的能量与其频率成正比、与其波长成反比，选项A正确，B错误；由于任意能量的光子在真空中传播的速度都是相同的，故选项C、D错误。‎ 答案　A ‎2.[2015·江苏单科，12C(1)](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　光电效应说明光的粒子性，所以A正确；热中子束在晶体上产生衍射图样，即运动的实物粒子具有波的特性，即说明中子具有波动性，所以B正确；黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化，即黑体辐射是不连续的、一份一份的，所以黑体辐射用光的粒子性解释，即C错误；根据德布罗意波长公式λ＝，p2＝2mEk，又质子的质量大于电子的质量，所以动能相等的质子和电子，质子的德布罗意波波长较短，所以D错误。‎ 答案　AB ‎3.[2014·江苏单科，12C(1)]已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的(　　)‎ A.波长 B.频率 C.能量 D.动量 解析　由爱因斯坦光电效应方程hν＝W0＋mv，又由W0＝hν0，可得光电子的最大初动能mv＝hν－hν0，由于钙的截止频率大于钾的截止频率，所以钙逸出的光电子的最大初动能较小，因此它具有较小的能量、频率和动量，B、C、D错；又由c＝λf可知光电子频率较小时，波长较大，A对。‎ 答案　A ‎4.爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图5所示，其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是__________。‎ 图5‎ A.逸出功与ν有关 B.Ekm与入射光强度成正比 C.当ν<ν0时，会逸出光电子 D.图中直线的斜率与普朗克常量有关 解析　由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和W0＝hν0(W0为金属的逸出功)可得，Ek＝hν－hν0，可见图象的斜率表示普朗克常量，D正确；只有ν≥ν0时才会发生光电效应，C错误；金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错误；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错误。‎ 答案　D 活页作业 ‎(时间：30分钟)‎ 一、单项选择题 ‎1.(2017·扬州中学月考)下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中(如图)，符合黑体辐射实验规律的是(　　)‎ 解析　黑体辐射的强度随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都增加，另一方面辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动，所以选项A正确。‎ 答案　A ‎2.用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图1所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)‎ 图1‎ A.光只有粒子性没有波动性 B.光只有波动性没有粒子性 C.少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性 D.少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性 解析　由这些照片可以看出，少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性，故选项D正确。‎ 答案　D ‎3.频率为ν的光照射某金属时，产生光电子的最大初动能为Ekm。改为频率为2ν的光照射同一金属，所产生光电子的最大初动能为(h为普朗克常量)(　　)‎ A.Ekm－hν B.2Ekm C.Ekm＋hν D.Ekm＋2hν 解析　根据爱因斯坦光电效应方程得：Ekm＝hν－W0，若入射光频率变为2ν，则Ekm′＝h·2ν－W0＝2hν－(hν－Ekm)＝hν＋Ekm，故选C。‎ 答案　C ‎4.当具有5.0 eV的光子射到一金属表面时，从金属表面逸出的电子具有的最大初动能为1.5 eV，为了使这种金属产生光电效应，入射光子的能量必须不小于(　　)‎ A.1.5 eV B.2.5 eV C.3.5 eV D.5.0 eV 解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W，得逸出功W＝hν－Ek＝5.0 eV－1.5 eV＝3.5 eV，由光电效应产生的条件可知，入射光子的能量必须不小于逸出功，故C正确。‎ 答案　C ‎5.如图2所示为用某金属研究光电效应规律得到的光电流随电压变化关系的图象，用单色光1和单色光2分别照射该金属时，逸出的光电子的最大初动能分别为Ek1和Ek2，普朗克常量为h，则下列说法正确的是(　　)‎ 图2‎ A.Ek1>Ek2‎ B.单色光1的频率比单色光2的频率高 C.增大单色光1的强度，其遏止电压会增大 D.单色光1和单色光2的频率之差为 解析　由于Ek1＝e|Uc1|，Ek2＝e|Uc2|，所以Ek1W0判断钠、钾、铷能发生光电效应。‎ 答案　(1)　　(2)钠、钾、铷