高考物理一轮复习第12章近代物理初步第1节光电效应波粒二象性学案

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第1节 光电效应 波粒二象性[高考导航]考点内容要求高考(全国卷)三年命题情况对照分析202020192018命题分析光电效应Ⅰ卷Ⅰ·T19：核反应方程卷Ⅱ·T18：氘核的聚变反应卷Ⅲ·T19：核反应方程卷Ⅰ·T14：原子结构与玻尔理论卷Ⅱ·T15：爱因斯坦质能方程、核能的计算卷Ⅱ·T17：光电效应及其规律卷Ⅲ·T14：爱因斯坦质能方程、核能的计算1.高考对本章内容的考查一般为单一的某个知识点，且题型为选择题、填空题，难度中等或中等偏下。2．命题热点为光电效应规律、原子跃迁、原子核的衰变规律、核反应方程及核能的计算等。3．今后命题将向着多个考点融合的方向发展，且以选择题的形式考查。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核心素养物理观念：光电效应、氢原子光谱、原子的核式结构、氢原子的能级结构、半衰期、原子核的衰变、核能(如2020年全国卷Ⅲ·T19)。科学思维：能用氢原子能级结构和能级公式解释氢原子跃迁现象。理解爱因斯坦质能方程，能够利用爱因斯坦质能方程求解核能问题。科学探究：探究光电效应的规律、α粒子散射实验。科学态度与责任：光谱分析、射线的应用、核电站。第1节　光电效应　波粒二象性一、光电效应1．光电效应现象：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子。2．光电效应的四个规律(1)每种金属都有一个极限频率。(2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的。(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大。(4)光电流的强度与入射光的强度成正比。3．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作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。二、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，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34 J·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时所具有的动能的最大值。4．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。三、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。一、思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)1．光子说中的光子，指的是光电子。 (×)2．只要光足够强，照射时间足够长，就一定能发生光电效应。 (×)3．极限频率越大的金属材料逸出功越大。 (√)4．波动性和粒子性是完全对立的，这两种属性不可能兼有。 (×)5．逸出功的大小与入射光无关。  (√)6．光电子的最大初动能与入射光的频率一定成正比。 (×)二、走进教材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(　　)A．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．(粤教版选修3－5P40T2改编)(多选)下列说法中正确的是(　　)A．光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说B．在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方C．光的双缝干涉实验中，大量光子打在光屏上的落点是有规律的，暗纹处落下光子的概率小D．单个光子具有粒子性，大量光子具有波动性[答案]　CD3．(人教版选修3－5P36T2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[答案]　AD 光电效应规律和光电效应方程的应用　1．对光电效应的四点提醒(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。2．两条分析线索(1)(2)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。　(2020·西南名校联盟开学考试)如图所示是研究光电效应的电路图，对于某金属，用绿光照射时，电流表指针发生偏转。则以下说法正确的是(　　)A．将滑动变阻器的滑片向右移动，电流表的示数一定增大B．如果改用紫光照射该金属，电流表无示数C．将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，电流表的示数一定增大D．将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器的滑片向右移动一些，电流表的示数可能不为零D　[将滑动变阻器的滑片向右移动，则A、K间的电压增大，若在滑动变阻器的滑片向右移动之前，A、K间的光电流已达到饱和光电流，则滑片移动后电流表的示数不变，故A项错误；紫光的频率比绿光的频率大，则改用紫光照射该金属时一定能发生光电效应，电流表一定有示数，故B项错误；将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，则光电子的最大初动能增加，但单位时间内照射到金属表面的光子数没有变化，因而单位时间内从金属表面逸出的光电子数不变，饱和光电流不会变化，则电流表的示数不一定增大，故C项错误；将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器滑片向右移动一些，若此时的电压仍小于遏止电压，则电流表有示数，故D项正确。]　(1)能否发生光电效应取决于光的频率(如果光的频率小于金属的极限频率，则不能发生光电效应)，不取决于光的强度。(2)光的强度决定饱和光电流的大小：光的强度越大，发射的光子数越多，打出的光电子数越多，饱和光电流越大。(3)光子的频率决定光电子的最大初动能，最大初动能又决定遏止电压。(4)逸出功由金属本身决定：与入射光的频率无关，但逸出功决定金属的极限频率。1．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光的波长一定大于b光的波长B．增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转C．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cD．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大D　[用一定频率的a单色光照射光电管时，电流计指针会发生偏转，知νa>ν0，a光的波长小于b光的波长，故A项错误；发生光电效应的条件：ν>ν0，增加b光的强度不能使电流计G的指针发生偏转，故B项错误；发生光电效应时，电子从光电管左端运动到右端，而电流的方向与电子定向移动的方向相反，所以流过电流计G的电流方向是c流向d，故C项错误；增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大，故D项正确。]2．(2018·全国卷Ⅱ)用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J。已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　)A．1×1014 Hz B．8×1014 HzC．2×1015 Hz D．8×1015 HzB　[根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0＝h－hν0，代入数据解得ν0≈8×1014 Hz，B正确。]3．(多选)(2017·全国卷Ⅲ)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－EkbBC　[光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eU＝Ek，根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0，若νa＞νb，则Eka＞Ekb，Ua＞Ub，选项A错误，选项B正确；若Ua＜Ub，则Eka＜Ekb，选项C正确；由光电效应方程可得W0＝hν－Ek，则hνa－Eka＝hνb－Ekb，选项D错误。] 光电效应的图象　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　(2020·河南洛阳一模)用某金属研究光电效应规律时得到的光电流随电压变化的图象如图所示，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(　　)A．Ek1>Ek2B．单色光1和单色光2的频率之差为C．增大单色光1的强度，其遏止电压会增大D．单色光1的频率比单色光2的频率高B　[根据图象知单色光1的遏止电压小于单色光2的遏止电压，根据最大初动能和遏止电压的关系eU＝Ekm，可知Ek1<Ek2，A项错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W，有Ek1－Ek2＝hν1－hν2，所以单色光1和单色光2的频率之差为ν1－ν2＝，B项正确；遏止电压与最大初动能成正比，与光的强度无关，C项错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W，且Ek1<Ek2，可知单色光1的频率比单色光2的频率低，D项错误。]　对同一金属，光子的频率决定光电子的最大初动能，最大初动能又决定遏止电压。　光电效应的Ek­ν图象1．用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)。下列说法正确的是(　　)　甲　　　　　　　乙A．普朗克常量为h＝B．断开开关S后，电流表G的示数不为零C．仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大D．保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变B　[由Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h＝，故A错误；断开开关S后，仍有光电子产生，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的光电子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。]　光电效应的I ­U图象2.(多选)用甲、乙两种单色光照射同一金属做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示。已知普朗克常量为h，被照射金属的逸出功为W0，遏止电压为Uc，电子的电荷量为e。下列说法正确的是(　　)A．甲光的强度大于乙光的强度B．甲光的频率大于乙光的频率C．甲光照射时产生的光电子初动能均为eUcD．乙光的频率为AD　[根据光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判定甲光的强度较大，选项A正确；由光电效应方程mv2＝hν－W0，mv2＝Uce，结合题图可知，甲、乙的遏止电压相同，故甲、乙的频率相同，选项B错误；甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eUc, 选项C错误； 根据mv2＝hν－W0＝Uce，可得ν＝，选项D正确。]　光电效应的Uc­ν图象3．如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图象，则下列说法正确的是 (　　)A．图象的斜率为普朗克常量B．该金属的截止频率约为5.5×1014 HzC．由图象可得该金属的逸出功为0.5 eVD．由图象可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系D　[根据光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，又Ekm＝eUc，解得Uc＝－，可知图线的斜率k＝，故A项错误；当遏止电压为零时，入射光的频率等于金属的截止频率，大约为4.2×1014 Hz，故B项错误；图线的斜率k＝，则逸出功W0＝hν0＝keν0＝×4.2×1014 eV＝1.6 eV，故C项错误；根据光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，即eUc＝hν－W0，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，故D项正确。] 光的波粒二象性　物质波　1．(2019·朔州模拟)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C　[光既有波动性又有粒子性，故A项错误；光子不带电，没有静止质量，而电子带负电，有质量，故B项错误；光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著，故C项正确；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，故D项错误。]2．(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(　　)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ACD　[电子束具有波动性，通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，选项A正确；β射线在云室中高速运动时，径迹又细又直，表现出粒子性，不能体现波动性，选项B错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，体现出波动性，选项C正确；电子显微镜是利用电子束工作的，体现了波动性，选项D正确。]3．关于光电效应和康普顿效应的规律，下列说法正确的是(　　)A．光电效应中，金属板向外发射的光电子又可以叫作光子B．康普顿效应说明光具有波动性C．对于同种金属而言，遏止电压与入射光的频率无关D．石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长，这个现象称为康普顿效应D　[光电效应中，金属板向外发射的电子叫光电子，光子是光量子的简称，A错误；根据光电效应方程hν＝W0＋eUc可知，对于同种金属而言(逸出功一样)，入射光的频率越大，遏止电压也越大，即遏止电压与入射光的频率有关，C错误；在石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长的现象称为康普顿效应，康普顿效应说明光具有粒子性，B错误，D正确。]　对光的波粒二象性的理解(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。