2022届高三物理一轮复习 微专题23 波粒二象性及光电效应（全国通用）

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微专题23 波粒二象性及光电效应解决目标及考点：光电效应相关波粒二象性【例题1】利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为ν1的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则（　　）A.用紫外线照射，电流表中不一定有电流通过B.用红外线照射，电流表中一定无电流通过C.用频率为ν1的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头移到A端，电流表中一定无电流通过D.用频率为ν1的可见光照射K，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变【例题1】【答案】D【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射，电流表中一定有电流通过，选项A错误；因不知阴极K的极限频率，所以用红外线照射时，可能发生光电效应，电流表中可能有电流通过，选项B错误；由于发生了光电效应，即使A、K间的电压UAK=0，电流表中也有电流通过，选项C错误；当滑动变阻器的滑动触头向B端移动时，阳极吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当所有的光电子都到达阳极时，电流达到最大，即饱和电流，若在移动前，电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，选项D正确。【例题2】光电效应实验装置示意图如图所示.用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应.换用同样频率为ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在K、A之间就形成了使光电子减速的电场.逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电荷量)（　　）A.U＝－     B.U＝－    C.U＝2hν－W     D.U＝－【例题2】【答案】B【解析】由题意知，一个电子吸收一个光子不能发生光电效应，换用同样频率为ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应，即吸收的光子能量为nhν(n＝2，3，4…)由光电效应方程可知：nhν＝W＋mv2(n＝2，3，4…) ①在减速电场中由动能定理得－eU＝0－mv2 ②联立①②得：U＝－(n＝2，3，4…)，选项B正确.一、光电效应规律1.光电效应现象在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子.2.光电效应的产生条件入射光的频率大于等于金属的极限频率.3.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等于这个极限频率才能产生光电效应.(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10－9 s.(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比.4.光电效应方程(1)表达式：hν＝Ek＋W0或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电子的最大初动能.         逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值.         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的动能的最大值.5.三个关系式(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＝hνc.二、波粒二象性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.考点： 光电效应现象【例题3】(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（　　）A.保持入射光的频率不变，入射光的光强度变大，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.保持入射光的光强度不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生【例题3】【答案】AC【解析】在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大饱和光电流越大，因此A正确，B错误；根据Ek＝hν－W0可知，对于同一光电管，逸出功W0不变，入射光频率变高，光电子的最大初动能Ek变大，因此C正确；由光电效应规律可知，当频率低于截止频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此D错误.1.四点提醒(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.(4)光电子不是光子，而是电子.2.两条对应关系(1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大.【例题4】(多选)下列说法中正确的是（　　）A.用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能大B.按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，但原子的能量增大C.光电子的最大初动能随入射光频率增大而增大D.在光照条件不变的情况下，对发射出来的光电子加上正向电压对光电子加速，所加电压不断增大，光电流也不断增大【例题4】【答案】BC【例题5】(多选)N为钨板，M为金属网，它们分别与电池的两极相连，各电池的电动势和极性如图所示，已知金属钨的逸出功为4.5 eV。现分别用不同能量的光子照射钨板(各光子的能量已在图上标出)，那么图中没有光电子到达金属网的是（　　）【例题5】【答案】AC【解析】C、D两选项中加反向电压，只要入射光子的能量hν≥W0+eU，就有光电子到达金属网，将各数值代入上式可知D选项中光电子能到达金属网，C选项中光电子不能到达金属网；A、B选项中加正向电压，只要入射光子能量大于逸出功，就有光电子到达金属网，可知B中光电子能到达金属网，A中光电子不能到达金属网。综上所述，A、C符合题意。考点： 光电效应方程的应用【例题6】在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示.若该直线的斜率和纵截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出功可表示为________.【例题6】【答案】ek　－eb【解析】光电效应中，入射光子能量为hν，克服逸出功W0后多余的能量转化为电子动能，eUc＝hν－W0，整理得Uc＝ν－，斜率即＝k，所以普朗克常量h＝ek，截距为b，即eb＝－W0，所以逸出功W0＝－eb.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νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0＝|－E|＝E③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：光电流的最大值③最大初动能：Ek＝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遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①极限频率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荷量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)【例题7】用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流大小与照射光的强弱、频率等物理量的关系.图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调.分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示.由图可知（　　）A.单色光a和c的频率相同，但a更强些B.单色光a和c的频率相同，但a更弱些C.单色光b的频率小于a的频率D.改变电源的极性不可能有光电流产生【例题7】【答案】A【解析】由题图乙知，a、c的遏止电压相同，根据光电效应方程可知单色光a和c的频率相同，但a产生的光电流大，说明a光的强度大，选项A正确，B错误；b的遏止电压大于a、c的遏止电压，所以单色光b的频率大于a的频率，选项C错误；只要光的频率不变，改变电源的极性，仍可能有光电流产生，选项D错误.【例题8】(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5).由图可知（　　）A.该金属的截止频率为4.27×1014 HzB.该金属的截止频率为5.5×1014 HzC.该图线的斜率表示普朗克常量D.该金属的逸出功为0.5 eV【例题8】【答案】AC【解析】图线与横轴的交点为截止频率，A正确，B错误；由光电效应方程Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，C正确；该金属的逸出功为：W0＝hνc＝ eV≈1.77 eV，D错误.【例题9】（多选）用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图．则下列叙述正确的是（　　）A． 照射该光电管时a光使其逸出的光电子最大初动能大B． b光光子能量比a大C． 极限频率越大的金属材料逸出功越小D． 光电管是基于光电效应的光电转换器件，可使光信号转换成电信号【例题9】【答案】BD【解析】从遏制电压可以判断b的频率和能量比a的高，对应出来的最大初动能也是b的大，A错B对；对于金属来说，极限频率越大，金属的逸出功也越大，C错误。考点： 波粒二象性解释【例题10】下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是（　　）A.光的色散和光的干涉   B.光的干涉和光的衍射C.泊松亮斑和光电效应   D.光的反射和光电效应【例题10】【答案】C【例题11】(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 【例题11】【答案】AB1.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出粒子性.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.【例题12】（多选）对光的认识，以下说法正确的是（    ）A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的C．光表现出波动性时，不具有粒子性；光表现出粒子性时，不具有波动性D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在另外一些场合下，光的粒子性表现明显【例题12】【答案】ABD【解析】A，少数光子，表现粒子性；大量光子表现波动性；B，波粒二象性是光的根本属性，与光子之间的相互作用无关；C，光具有波粒二象性即既有波动性，又有粒子性；D，光具有波粒二象性，是指少数光子，表现粒子性；大量光子表现波动性，又可以理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在另外一些场合下，光的粒子性表现明显。【例题13】在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是（    ）A．使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上将会显示衍射图样B．单个光子通过单缝后，底片上也会出现完整的衍射图样C．光子通过狭缝的运动路线像水波一样起伏D．单个光子通过单缝后的运动情况具有随机性，大量光子通过单缝后的运动情况也呈现随机性【例题13】【答案】A【解析】A，光子一个个通过单缝，足够时间后，底片上中央到达的机会最多，其他地方机会较少，出现衍射现象。B，少量粒子表现为粒子性；C，光子通过狭缝的路线是随机的，与水波不一样；D，少量表现出随机性，大量表现出规律性。1.(多选)光电效应实验中，下列表述正确的是（　　）A.光照时间越长光电流越大B.入射光足够强就可以有光电流C.遏止电压与入射光的频率有关D.入射光频率大于极限频率时一定能产生光电子2.下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（　　）A.有的光是波，有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D.大量光子的行为往往显示出粒子性3.(多选)已知某金属发生光电效应的截止频率为νc，则（　　）A.当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B.当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνcC.当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大D.当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍4.用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则（　　）A.逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变B.逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小C.逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小D.光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了5.(多选)如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（　　）A.入射光太弱B.入射光波长太长C.光照时间短D.电源正、负极接反6.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（　　）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7.(多选)如图甲所示为实验小组利用100多个电子通过双缝后的干涉图样，可以看出每一个电子都是一个点；如图乙所示为该小组利用70 000多个电子通过双缝后的干涉图样，为明暗相间的条纹.则对本实验的理解正确的是（　　）A.图甲体现了电子的粒子性B.图乙体现了电子的粒子性C.单个电子运动轨道是确定的D.图乙中暗条纹处仍有电子到达，只不过到达的概率小8.用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示.下列说法中正确的是（　　）A.a光光子的频率大于b光光子的频率，a光的强度小于b光的强度B.a光光子的频率小于b光光子的频率，a光的强度小于b光的强度C.如果使b光的强度减半，则在任何电压下，b光产生的光电流强度一定比a光产生的光电流强度小D.另一个光电管加一定的正向电压，如果a光能使该光电管产生光电流，则b光一定能使该光电管产生光电流9.用如图所示的光电管研究光电效应，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光的频率不一定大于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D.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c10.(多选)按如图的方式连接电路，当用某种紫光照射光电管阴极K时，电路中的微安表有示数.则下列叙述正确的是（　　）A.如果仅将紫光换成黄光，则微安表一定没有示数B.如果仅将紫光换成紫外线，则微安表一定有示数C.仅将滑动变阻器的滑片向右滑动，则微安表的示数一定增大D.仅将滑动变阻器的滑片向左滑动，则微安表的示数可能不变1．(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参考答案1.【答案】CD【解析】光电流的大小只与单位时间流过单位面积的光电子数目有关，而与光照时间的长短无关，选项A错误；无论光照强度多强，光照时间多长，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应，故选项B错误；遏止电压即反向截止电压，eUc＝hν－W0，与入射光的频率有关，超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大，则遏止电压越大，故选项C正确；无论光照强度多弱，光照时间多短，只要光的频率大于极限频率就能产生光电效应，故选项D正确.2.【答案】C【解析】光具有波粒二象性，故A错误；电子是组成原子的基本粒子，有确定的静止质量，是一种物质实体，速度可以低于光速.光子代表着一份能量，没有静止质量，速度永远是光速，故B错误；光的波长越长，波动性越明显，波长越短，其粒子性越显著，故C正确；大量光子运动的规律表现出光的波动性，故D错误.3.【答案】AB【解析】该金属的截止频率为νc，则可知逸出功W0＝hνc，逸出功由金属自身的性质决定，与照射光的频率无关，因此C错误；由光电效应的实验规律可知A正确；由光电效应方程Ek＝hν－W0，将W0＝hνc代入可知B正确，D错误.4.【答案】A【解析】光的频率不变，表示光子能量不变，光的强度减弱，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；而减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选项A正确.5.【答案】BD【解析】入射光波长太长，入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应，故选项B正确；电路中电源反接，对光电管加了反向电压，即使该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，故选项D正确.6.【答案】D【解析】光具有波粒二象性，这些照片说明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D正确.7.【答案】AD【解析】题图甲中的每一个电子都是一个点，说明少数电子体现粒子性.每个电子到达的位置不同，说明单个电子的运动轨道不确定，A正确，C错误；题图乙中明暗相间的条纹说明大量的电子表现为波动性，B错误；题图乙中暗条纹处仍有电子到达，只不过到达的概率小，D正确.8.【答案】D【解析】由题图可知b光照射光电管时遏止电压大，使其逸出的光电子最大初动能大，所以b光的频率大，产生的光子的能量大.a光的饱和光电流大于b光的饱和光电流，故a光的强度大于b光的强度，故A、B错误；如果使b光的强度减半，则只是b光的饱和光电流减半，在特定的电压下，b光产生的光电流强度不一定比a光产生的光电流强度小，选项C错误；因b光的频率大于a光的频率，故另一个光电管加一定的正向电压，如果a光能使该光电管产生光电流，则b光一定能使该光电管产生光电流，选项D正确.9.【答案】B10.【答案】BD【解析】当换用黄光后，入射光的频率减小，但入射光的频率可能仍大于金属的极限频率，仍能发生光电效应，电路中可能有光电流，A错误；当换用紫外线后，入射光的频率增大，一定能产生光电效应，则微安表一定有示数，B正确；滑动变阻器的滑片向右滑动，则光电管两极间的电压增大，但电路中的光电流可能已经达到饱和值，保持不变，C错误；滑动变阻器的滑片向左滑动，则光电管两极间的电压减小，但电路中的光电流可能仍为饱和值，保持不变，D正确.【答案】BC【解析】由爱因斯坦光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，由动能定理得，Ekm＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同.当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝ hνa－ Eka＝ hνb－ Ekb，故选项D错误.