江苏版高考物理一轮复习第15章第1节光电效应波粒二象性课时学案

这是一份江苏版高考物理一轮复习第15章第1节光电效应波粒二象性课时学案，共30页。
光电效应 波粒二象性
一、黑体辐射与能量子
1．热辐射
(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度不同而有所不同。
2．黑体与黑体辐射
(1)黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体。
(2)黑体辐射：辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，如图所示。
3．普朗克能量子假说
当带电微粒辐射或吸收能量时，是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν。
二、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．光电效应的产生条件
入射光的频率大于或等于金属的截止频率。
3．光电效应的四个规律
(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能产生光电效应。
(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) 当入射光的频率大于或等于截止频率时，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。
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。
三、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＝eq \f(1,2)mev2。
四、光的波粒二象性与物质波
1．光的波粒二象性
(1)波动性：光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。
(2)粒子性：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＝eq \f(h,p)，p为运动物体的动量，h为普朗克常量。
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)原子中绝大部分是空的，原子核很小。(√)
(5)核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。(√)
(6)在玻尔模型中，原子的状态是不连续的。(√)
二、教材习题衍生
1．(黑体辐射的理解)关于热辐射，下列说法中正确的是( )
A．一般物体的热辐射强度只与物体的温度有关
B．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，所以黑体一定是黑的
C．一定温度下，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值
D．温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长增大的方向移动
C [一般物体的热辐射强度与温度有关之外，还与材料，表面状态等因素有关，故A错误；如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。但黑体可以向外辐射，不能说颜色是黑色的，故B错误；根据黑体辐射实验规律可得黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，故C正确；根据黑体辐射实验规律，黑体热辐射强度的极大值随温度的升高向波长较小的方向移动，故D错误。]
2．(光电效应及其规律)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．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
D．遏止电压的大小与入射光的频率成正比，与入射光的光强无关
A [根据光电效应实验得出的结论：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，故A正确，B错误；遏止电压的大小与入射光的频率有关但不成正比，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若低于截止频率，则没有光电流产生，故C、D错误。]
3．(光的波粒二象性与物质波)(2020·浙江卷)下列说法正确的是( )
A．质子的德布罗意波长与其动能成正比
B．天然放射的三种射线，穿透能力最强的是α射线
C．光电效应实验中的截止频率与入射光的频率有关
D．电子束穿过铝箔后的衍射图样说明电子具有波动性
D [由德布罗意波长λ＝eq \f(h,p)可知，质子的波长与动量成反比，而动量与动能关系为p＝eq \r(2mEk)，所以A项错误；天然放射的三种射线，穿透能力最强的是γ射线，B项错误；光电效应实验中的截止频率是指使金属恰好发生光电效应时入射光的频率，即hν＝W，只与金属的逸出功W有关，C项错误；衍射是波的特性，所以电子束穿过铝箔的衍射图样说明电子具有波动性，D项正确。]
黑体辐射与能量子
1．(黑体辐射规律的理解)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知，下列说法错误的是( )
A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加
B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加
C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
B [黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，故A正确，B错误；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，反之，随着温度的降低，黑体辐射强度的极大值向波长较长的方向移动，故C、D正确。]
2．(黑体辐射规律的应用)(2020·江苏卷)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的，能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高，则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是( )
A．I增大，λ增大 B．I增大，λ减小
C．I减小，λ增大 D．I减小，λ减小
B [若人体温度升高，则人体的热辐射强度I变大，由ε＝hν，故对应的频率ν变大，由c＝λν知对应的波长λ变小，选项B正确。]
3．(能量的量子化理解与应用)(2022·江苏卷)光源通过电子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后( )
A．频率减小 B．波长减小
C．动量减小 D．速度减小
B [根据光子能量计算公式ε＝hν＝eq \f(hc,λ)可得λ＝eq \f(hc,ε)，光在真空中传播速度c不变，光子能量增加后频率增加、波长减小；又根据德布罗意波长公式λ＝eq \f(h,p)可知光子动量增加，故A、C、D错误，B正确。]
1．黑体辐射的实验规律
(1)对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，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。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图。
2．能量子
(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。
(3)发光功率与单个光子能量的关系：
发光功率P＝n·ε，其中n为单位时间发出的光子数目，ε为单个光子的能量。 光电效应规律和光电效应方程的应用
1. (光电效应的产生条件)如图所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K上时，电路中有光电流，则( )
A．若仅增大光照强度，电路中光电流一定增大
B．若仅将电源极性反接，电路中一定没有光电流
C．若仅换用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流
D．若仅将电路中滑动变阻器的滑片向右滑动，电路中光电流一定增大
A [题图中光电管加的是正向电压，若仅增大光照强度，电路中光电流一定增大，故A正确；若将电源极性反接，其电压值小于截止电压时仍有电流，故B错误；由题意，入射光的波长为λ0时，能发生光电效应，若换用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，入射光的频率减小，仍然可能发生光电效应，电路中可能有光电流，故C错误；若仅将电路中滑动变阻器的滑片向右滑动，光电管两端电压增大，如果已经达到饱和光电流，则光电流不会增大，故D错误。]
2. (光电效应现象的理解)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c
D．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。]
3．(光电效应规律的研究)(2023·南通模拟)如图甲所示，合上开关，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表示数不为零。调节滑动变阻器，发现当电压表示数小于0.60 V时，电流表示数仍不为零，当电压表示数大于或等于0.60 V时，电流表示数为零。把电路改为图乙，当电压表示数为2 V时，下列说法正确的是( )
甲 乙
A．逸出功为0.6 eV
B．逸出功为1.7 eV
C．电子到达阳极时的最大动能为2.6 eV
D．电子到达阳极时的最大动能为4.5 eV
C [光子能量hν＝2.5 eV的光照射阴极，电流表示数不为零，则能发生光电效应，当电压表示数大于或等于0.6 V时，电流表示数为零，则电子不能到达阳极，由动能定理eU＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)知，最大初动能Ekm＝eU＝0.6 eV，由光电效应方程hν＝Ekm＋W0知，W0＝1.9 eV，故AB错误；对图乙，当电压表示数为2 V时，电子到达阳极的最大动能E′km＝Ekm＋eU′＝0.6 eV＋2 eV＝2.6 eV，故C正确，D错误。]
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。
4．区分光电效应中的三组概念
(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。光子是因，光电子是果。
(2)光电子的动能与光电子的最大初动能。
(3)光电流和饱和光电流：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。
光电效应的图像问题
Uc-ν图像
1．对于钠和钙两种金属，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图所示。用h、e分别表示普朗克常量和电子电荷量，则( )
A．钠的逸出功大于钙的逸出功
B．图中直线的斜率为eq \f(h,e)
C．在得到这两条直线时，必须保证入射光的光强相同
D．若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较高
B [根据Uce＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＝hν－W逸出功，即 Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(W逸出功,e)，则由图像可知钠的逸出功小于钙的逸出功，选项A错误；图中直线的斜率为eq \f(h,e)，选项B正确；在得到这两条直线时，与入射光的强度无关，选项C错误；根据eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＝hν－W逸出功，若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较低，选项D错误。]
2．(2023·江苏南京月考)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知( )
A．钠的逸出功为hνc
B．钠的截止频率为8.5×1014 Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量
D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
A [根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc＝Ekmax，根据光电效应方程有Ekmax＝hν－W0，结合图像可知，当Uc为0时，解得W0＝hνc，故A正确；钠的截止频率为νc，根据图像可知，截止频率小于8.5×1014 Hz，故B错误；结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc＝eq \f(hν,e)－eq \f(W0,e)。可知，图中直线的斜率表示eq \f(h,e)，故C错误；根据遏止电压与入射光的频率关系式可知，遏止电压与入射光频率成线性关系，不是成正比，故D错误。]
Ek-U图像
3. (2021·江苏卷)如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率ν1＜ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系的图像是( )
A B C D
C [由光电效应方程：hν＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＋W0，
又W0＝hν0，
光电子到达A极板过程，由动能定理：eU＝Ekm－eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)，
联立知，光电子到达A板时动能的最大值
Ekm＝eU＋hν－hν0，
可见Ekm-U图像的斜率为e，纵截距为hν－hν0。
由题知，1材料的截止频率小于2材料的截止频率，即ν1＜ν2，且入射光相同，则hν－hν1＞hν－hν2，可见用材料1和2进行光电效应实验得到的Ekm-U图线相互平行，且用材料1进行光电效应实验得到的Ekm-U图像的纵截距较大，故C正确，A、B、D错误。]
Ek-ν图像
4．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的关系图像，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＝eq \f(a,b)
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＝eq \f(b,a)，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。]
I-U图像
5．用图甲所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系，电流计G测得的光电流I随光电管两端电压U的变化如图乙所示，则( )
甲 乙
A．电压U增大，光电流I一定增大
B．通过电流计G的电流方向由c到d
C．用同频率的光照射K极，光电子的最大初动能与光的强弱有关
D．光电管两端电压U为零时一定不发生光电效应
B [由题图可知，该电压是正向电压，电子受到的电场力也增加，达到阳极的光电子数目增加，光电流增加；但当光电流达到饱和值时，它的大小就与电压的增加无关，故A错误；由题图甲可以看出，发生光电效应的光电子方向从d到c，因此通过电流计G的电流方向由c到d，故B正确；根据爱因斯坦光电方程Ekm＝hν－W可知，光电子的最大初动能只与频率有关，与光的强弱无关，故C错误；光电管两端电压U为零时，只要光的频率大于金属的极限频率，就有光电子从金属表面逸出，就能发生光电效应，故D错误。]
光的波粒二象性 物质波
1．(波粒二象性的理解与计算)(2022·苏北七市高三三模)著名物理学家汤姆孙曾在实验中让电子束通过电场加速后，通过多晶薄膜得到了如图所示衍射图样，已知电子质量为m＝9.1×10－31 kg，加速后电子速度v＝5.0×106 m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则( )
A．该图样说明了电子具有粒子性
B．该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm
C．加速电压越大，电子的物质波波长越大
D．使用电子束工作的电子显微镜中，加速电压越大，分辨本领越弱
B [题图为电子束通过多晶薄膜的衍射图样，因为衍射是波所特有的现象，所以说明了电子具有波动性，A错误；德布罗意波长公式λ＝eq \f(h,p)，而动量p＝mv，两式联立得λ＝eq \f(h,mv)≈0.15 nm，B正确；德布罗意波长公式λ＝eq \f(h,p)，动量p＝eq \r(2mEk)＝eq \r(2meU)，两式联立得λ＝eq \f(h,\r(2meU))，加速电压越大，电子的波长越短，衍射现象就越不明显，分辨本领越强，CD错误。]
2．(光子数量与光的波粒二象性的关系)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
D [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。]
3．(物质波波长的计算)(2022·泰州等江苏7市高三第三次调研测试)如图所示，碳60是由60个碳原子组成的足球状分子，科研人员把一束碳60分子以2.0×102 m/s的速度射向光栅，结果在后面的屏上观察到条纹。已知一个碳原子质量为1.99×10－26 kg，普朗克常量为6.63×10－34 J·s，则该碳60分子的物质波波长约( )
A．1.7×10－10 m B．3.6×10－11 m
C．2.8×10－12m D．1.9×10－18 m
C [设一个碳原子的质量为m，碳60分子的动量为p＝60mv，根据德布罗意波长公式λ＝eq \f(h,p)，代入数据得λ≈2.8×10－12 m，故C正确，A、B、D错误。]
光的波粒二象性的规律
(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＝eq \f(h,λ)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。
课时分层作业(四十二) 光电效应 波粒二象性
题组一 黑体辐射与能量子
1．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与频率关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是( )
A B
C D
B [根据黑体辐射实验规律，黑体热辐射的强度与波长的关系为：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，则各种频率的辐射强度也都增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，即向频率较大的方向移动，分析图像，只有B项符合黑体辐射实验规律，故B项正确。]
2．在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长为λ，每个激光脉冲中的光子数目为n，已知普朗克常量为h，光速为c，则( )
A．用激光“焊接”视网膜是因为激光具有高度的相干性
B．激光的频率为eq \f(λ,c)
C．激光光子的动量为eq \f(λ,h)
D．每个激光脉冲的能量为nheq \f(c,λ)
D [用激光“焊接”剥落的视网膜利用了激光亮度高、能量高的特点，故A错误；根据c＝λν可知激光的频率为eq \f(c,λ)，故B错误；根据p＝eq \f(h,λ)得，激光光子的动量为eq \f(h,λ)，故C错误；根据ε＝hν和c＝λν可知，则单个光子的能量为heq \f(c,λ)，则每个激光脉冲的能量为nheq \f(c,λ)，故D正确。]
题组二 光电效应现象和方程的应用
3．如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度，下列说法正确的是( )
A．验电器带正电，锌板带负电
B．验电器带负电，锌板也带负电
C．若改用红光照射锌板，验电器的指针一定也会偏转
D．若改用同等强度频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针也会偏转
D [锌板在紫外线的照射下发生光电效应，射出带负电的光电子，这样锌板本身带的正电荷就会多于负电荷，所以锌板带正电；验电器通过导线和锌板连在一起，所以验电器自然也就带上了正电荷，故选项A、B错误；光电效应发生的条件是照射光的频率大于金属板的极限频率，照射光的频率越高，金属板越容易发生光电效应，红光的频率低于紫外线的频率，所以改用红光照射锌板时，不一定发生光电效应，验电器的指针不一定会偏转；若改用同等强度频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针一定会偏转，故选项D正确，C错误。]
4．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2hνc
C．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
A [该金属的截止频率为νc，则可知逸出功W0＝hνc，逸出功由金属材料的性质决定，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；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，将W0＝hνc代入可知B、D错误。]
5．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
A [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。]
题组三 光电效应图像的理解和应用
6．(2023·江苏南京市模拟)如图甲所示为研究光电效应的实验装置，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极。如图乙所示是用单色光1和单色光2分别照射同一阴极K时，得到的光电流随电压变化关系的图像，电子电荷量的绝对值为e，普朗克常量为h，真空中光速为c，则下列说法正确的有( )
甲 乙
A．在保持入射光不变的情况下向右移动滑片P可以增大饱和电流
B．对应同一阴极K，光电子最大初动能与入射光的频率成正比
C．单色光1和单色光2的频率之差为eq \f(eUc2－eUc1,h)
D．单色光1的波长比单色光2的波长短
C [饱和电流由光照强度决定，故A错误；光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，Ek与入射光的频率ν不成正比，故B错误；由eUc＝Ek＝hν－W0可得，单色光1和单色光2的频率之差为Δν＝eq \f(eUc2－eUc1,h)，故C正确；由eUc＝Ek＝hν－W0可得，因Uc2>Uc1，所以ν2>ν1，即λ1>λ2，故D错误。]
7．爱因斯坦成功地解释了光电效应现象，提出了光子说，关于与光电效应有关的四个图像的说法正确的是( )
甲 乙
丙 丁
图甲为光电效应实验，图乙为光电流与电压的关系，图丙为金属的遏止电压U与入射光频率的关系，图丁为光电子最大初动能与入射光频率的关系。
A．如图甲装置，如果先让锌板带负电，再用紫外线照射锌板，则验电器的张角一定不变
B．根据图乙可知，黄光越强，光电流越大，说明光子的能量与光强有关
C．由图丙可知ν2为该金属的截止频率
D．由图丁可知E等于该金属的逸出功
D [如果先让锌板带负电，再用紫外线照射锌板时，由于光电效应激发出电子，锌板带电荷量减小，验电器的张角会变小，等锌板电荷量为零时，验电器就无法张开；如果紫外线继续照射锌板，就会使锌板带正电，验电器的张角又会增大，故A错误。由图乙可知，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，光子的能量只与光的频率有关，与光的强度无关，故B错误。对于某种金属材料，只有当入射光的频率大于某一频率时，电子才能从金属表面逸出，形成光电流，这一频率就称为截止频率；光电效应中截止频率由金属本身的材料决定，图丙中遏止电压为零时所对应的入射光的频率为截止频率，ν2对应的遏止电压不为零，故C错误。根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，知道丁图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D正确。]
题组四 光的波粒二象性和物质波
8．(2022·南京市盐城市高三二模)太阳帆飞行器是利用太阳光获得动力的一种航天器，其原理是光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量。若光子垂直太阳帆入射并反射，其波长为λ，普朗克常量为h，则对它的冲量大小为( )
A．eq \f(h,λ) B．eq \f(2h,λ)
C．eq \f(3h,λ) D．eq \f(4h,λ)
B [光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量，光子垂直太阳帆入射并反射，根据动量定理I＝Δp＝2eq \f(h,λ)，所以选B。]
9．下列说法不正确的是( )
A．光子不仅具有能量，也具有动量
B．光有时表现为波动性，有时表现为粒子性
C．运动的实物粒子也有波动性，波长与粒子动量的关系为λ＝eq \f(p,h)
D．光波和物质波，本质上都是概率波
C [光电效应表明光子具有能量，康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量，选项A正确；波粒二象性指光同时具有波和粒子的双重性质，有时表现为波动性，有时表现为粒子性，选项B正确；物质波的波长与粒子动量的关系应为λ＝eq \f(h,p)，选项C错误；光波中的光子和物质波中的实物粒子在空间出现的概率满足波动规律，因此二者均为概率波，选项D正确。]
10．一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10－7 m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量为h＝6.63×10－34 J·s。R约为( )
A．1×102 m B．3×102 m
C．6×102 m D．9×102 m
B [设每个光子的能量大小为ε，则有：
ε＝hν＝heq \f(c,λ)＝6.63×10－34×eq \f(3×108,6×10－7) J＝3.315×10－19 J
因为该光源辐射的功率为113 W，由W＝Pt可知，每秒向外辐射的能量为
W＝113×1 J＝113 J
即以光源为球心，每秒通过某球面的光子能量为113 J。故距离光源R处的球面满足数学公式：
3×1014×3.315×10－19×4πR2＝113
解得R≈300 m，故B正确，A、C、D错误。故选B。]
11．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时，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，将滑动变阻器滑片向右移动一些，电流表的读数可能不为零
D [将滑动变阻器滑片向右移动，电压虽然增大，但若已达到饱和光电流，则电流表的示数可能不变，故A错误。紫光的频率比绿光频率大，则改用紫光照射该金属时一定能发生光电效应，则电流表一定有示数，故B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，但单位时间内通过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正确。]
12.如图所示，用波长为λ0的单色光照射某金属，调节滑动变阻器，当电压表的示数为某值时，电流表的示数恰好减小为零；再用波长为eq \f(4λ0,5)的单色光重复上述实验，当电压表的示数增加到原来的3倍时，电流表的示数又恰好减小为零。已知普朗克常量为h，真空中光速为c。该金属的逸出功为( )
A．eq \f(5hc,4λ0) B．eq \f(hc,λ0)
C．eq \f(7hc,8λ0) D．eq \f(7hc,4λ0)
C [当电压表读数大于或等于U时，电流表读数为零，则遏止电压为U。根据光电效应方程，则光电子的最大初动能为：Ekm＝eU＝heq \f(c,λ0)－W0；用波长为eq \f(4λ0,5)的单色光照射时，Ekm＝3eU＝heq \f(c,\f(4,5)λ0)－W0；联立解得：W0＝eq \f(7hc,8λ0)，故C正确，A、B、D错误。]
13．(2023·南通中学模拟)从1907年起，美国物理学家密立根就开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν，作出图乙所示的Uc-ν的图像，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。已知电子的电荷量为e，则下列普朗克常量h的表达式正确的是( )
甲 乙
A．h＝eq \f(eUc2－Uc1,ν2－ν1) B．h＝eq \f(Uc2－Uc1,eν2－ν1)
C．h＝eq \f(ν2－ν1,eUc2－Uc1) D．h＝eq \f(eν2－ν1,Uc2－Uc1)
A [根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及动能定理eUc＝Ek，得Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(W0,e)，所以图像的斜率k＝eq \f(Uc2－Uc1,ν2－ν1)＝eq \f(h,e)，则h＝eq \f(eUc2－Uc1,ν2－ν1)，故A项正确。]
14．在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出( )
A．甲光的频率大于乙光的频率
B．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
C．乙光在水中的传播速度比丙光在水中传播的速度小
D．位于水面下同一深度的乙光和丙光组成的点光源照亮水面的面积乙光大
D [由于是同一光电管，因而不论对哪种光，金属的截止频率和逸出功相同，对于甲、乙两种光，遏止电压相同，由eUc＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＝hν－W0知两种光的频率相同，故A错误；丙光的遏止电压较大，对应的光电子的最大初动能较大，因而丙光的频率较高，波长较短，故B错误；根据折射率和频率的关系可知乙光折射率小于丙光折射率，故根据n＝eq \f(c,v)可知在某一介质中乙光的速度大于丙光的速度，故C错误；根据sin C＝eq \f(1,n)可知乙光发生全反射的临界角比丙光大，故乙光和丙光组成的点光源照亮水面的面积乙光大，所以D正确。]
15．(2021·江苏省新高考适应性考试)我国中微子探测实验利用光电管把光信号转换为电信号。如图所示，A和K分别是光电管的阳极和阴极，加在A、K之间的电压为U。现用发光功率为P的激光器发出频率为ν的光全部照射在K上，回路中形成电流。已知阴极K材料的逸出功为W0，普朗克常量为h，电子电荷量为e。
(1)求光电子到达A时的最大动能Ekm；
(2)若每入射N个光子会产生1个光电子，所有的光电子都能到达A，求回路的电流强度I。
[解析] (1)根据光电效应方程可知hν－W0＝Ek0
逸出的电子在电场中加速向A运动，根据动能定理Ue＝Ekm－Ek0
联立解得Ekm＝Ue＋hν－W0。
(2)每秒钟到达K极的光子数量为n，则nhν＝P
每秒钟逸出电子个数为a个，则a＝eq \f(n,N)
回路的电流强度I＝eq \f(q,t)＝ae
联立得I＝eq \f(Pe,Nhν)。
[答案] (1)Ue＋hν－W0 (2)eq \f(Pe,Nhν)
知能
模块
考点
内容
高考(江苏卷)五年命题情况对照分析
2018
2019
2020
2021年
适应考
2021
2022
命题分析
第1节
光电效应
波粒二象性
普朗克黑体辐射
T12：光电效应规律、光子的动量
T12：能量子
T12：黑体辐射、原子跃迁、动量守恒
T14：光电效应
T9：光电效应
高考命题有选择题、填空题、计算题。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。
光电效应
粒子的波动性
第2节
原子结构和原子核
原子的核式结构模型
T12：半衰期
T12：核反应方程、核聚变
T12：原子跃迁
T3：核反应方程
氢原子光谱和玻尔的原子模型
原子核的组成
放射元素的衰变
核力和结合能
核裂变和核聚变
核心
素养
物理观念：光电效应、氢原子光谱、原子跃迁、核能、质能方程。
科学思维：光电管、核能的计算方法。
科学探究：通过实验，了解光电效应现象。
科学态度与责任：光谱分析、射线的应用、核电站。
图像名称
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
Ekm＝hν－hν0
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|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
最大初动能Ek与电压U变化的关系图线
Ekm＝eU＋hν－W逸出功
①纵轴截距：hν－W逸出功
②斜率：e
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
Uce＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＝hν－W逸出功
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、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2