高考物理一轮复习第十二章近代物理初步第1课时波粒二象性学案新人教版

第十二章 近代物理初步

　　　　　　　　[定标——核心素养]　　　　　　　　　　　　　　　　　

[定位——主干知识]

1.光电效应　　　　　2.爱因斯坦光电效应方程

3．氢原子光谱  4.氢原子的能级结构、能级公式

5．原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期

6．放射性同位素  7.核力、核反应方程

8．结合能、质量亏损  9.裂变反应和聚变反应、裂变反应堆

10．射线的危害与防护

第1课时　波粒二象性

必备知识(一)　光电效应的理解

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．若增加电路中电源电压，电路中光电流一定增大

B．若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生

C．若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流

D．若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K时，电路中一定有光电流

2．[光电效应现象的理解]

(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

[系统归纳]

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。光子是因，光电子是果。

(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：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。

(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。

(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，而光子能量E＝hν。

(5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。

3．[光电效应规律的研究]

(多选)如图所示电路可研究光电效应规律。图中标有A和K的为光电管，其中A为阳极，K为阴极。理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V。现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是(　　)

A．光电管阴极材料的逸出功为4.5 eV

B．若增大入射光的强度，电流计的读数不为零

C．若用光子能量为12 eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能一定变大

D．若用光子能量为9.5 eV的光照射阴极K，同时把滑片P向左移动少许，电流计的读数一定不为零

[系统归纳]

光电效应的研究思路

(1)两条线索：

(2)两条对应关系：

入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；

光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。

[精解详析]

1．选D　光电流的强度与入射光的强度有关，当光越强时，光电子数目会增多，初始时电压增加光电流可能会增加，当达到饱和光电流后，再增大电压，光电流不会增大，故A错误；将电路中电源的极性反接，电子受到电场阻力，到达A极的数目会减小，则电路中电流会减小，甚至没有电流，故B错误；波长为λ1(λ1>λ0)的光的频率有可能大于极限频率，电路中可能有光电流，故C错误；波长为λ2(λ2<λ0)的光的频率一定大于极限频率，电路中一定有光电流，故D正确。

2．选AC　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；根据爱因斯坦光电效应方程得：入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故C正确；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若时光的频率低于截止频率，则没有光电流产生，故D错误。

3．选AC　由题给电路图可知，图中所加电压为反向减速电压，根据题意可知遏止电压为6 V，由Ek＝hν－W0＝eUc得W0＝4.5 eV，选项A正确；当电压达到遏止电压时，所有电子都不能到达A极，无论光强如何变化，电流计示数仍为零，选项B错误；若光子能量增大，根据光电效应方程，光电子的最大初动能一定变大，选项C正确；若用光子能量为9.5 eV的光照射阴极K，则遏止电压为5 V，滑片P向左移动少许，电流计的读数可能仍为零，选项D错误。

　　　必备知识(二)　爱因斯坦的光电效应方程　　　　　　　　　

1．[爱因斯坦光电效应方程的理解]

(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<Ub

B．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb

C．若Ua<Ub，则一定有Eka<Ekb

D．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb

[系统归纳]

爱因斯坦的光电效应方程的理解

(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．[爱因斯坦光电效应方程的应用]

(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 Hz

C．2×1015 Hz  D．8×1015 Hz

[系统归纳]

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，入射光频率不低于这个截止频率时才能发生光电效应。

(2)截止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(1 eV＝1.6×10－19 J)。

[精解详析]

1．选BC　设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误。

2．选B　设单色光的最低频率为ν0，由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν1－W,0＝hν0－W，又ν1＝，整理得ν0＝－，代入数据解得ν0≈8×1014 Hz。

　　　　　　　　　　　　　　　必备知识(三)　光电效应的图像

1．[光电效应的Ek­ν图像]

 (多选)在演示光电效应的实验中，某金属被光照射后产生了光电效应现象，实验测出了光电子的最大动能Ekm与入射光频率ν的关系，如图所示。由Ekmν图像可求出(　　)

A．该金属的逸出功

B．该金属的极限频率

C．单位时间内逸出的光电子数

D．普朗克常量

解析：选ABD　根据光电效应方程Ekm＝hν－W0＝hν－hν0知，图线的斜率表示普朗克常量，根据图线斜率可得出普朗克常量。横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率，此时的频率等于金属的极限频率，根据W0＝hν0可求出逸出功。单位时间内逸出的光电子数无法从图像中获知。故A、B、D正确，C错误。

2．[光电效应的Uc­ν图像]

(多选)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(　　)

A．普朗克常量可表示为

B．若更换材料再实验，得到的图线的k不改变，b改变

C．所用材料的逸出功可表示为eb

D．b由入射光决定，与所用材料无关

解析：选BC　根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，以及Ekm＝eUc，得：Uc＝－，图线的斜率k＝，解得普朗克常量h＝ke，故A错误；纵轴截距的绝对值b＝，解得逸出功W0＝eb，故C正确；b等于逸出功与电荷量的比值，而逸出功与材料有关，则b与材料有关，故D错误；更换材料再实验，由于逸出功变化，可知图线的斜率不改变，纵轴截距改变，故B正确。

3．[光电效应的I­U图像]

(2021·泰安质检)研究光电效应的电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中正确的是(　　)

解析：选C　光电效应中，入射光子能量为hν，克服逸出功W0后多余的能量转换为电子动能，设遏止电压为Uc，有eUc＝hν－W0，整理得Uc＝ν－，遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。入射光越强，饱和光电流越大，故选项C正确。

[系统归纳]

光电效应四类图像

　　　　　　　　　　　　　　必备知识(四)　对波粒二象性的理解

1．[波粒二象性的理解]

(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

解析：选ACD　干涉和衍射体现的是波动性，A、C正确；β射线在云室中留下清晰的径迹，体现的是粒子性，不能体现波动性，B错误；电子显微镜利用电子束衍射工作，体现的是波动性，D正确。

2．[光子的能量]

(2017·北京高考)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1 nm＝10－9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　)

A．10－21 J　　　　　　　 B．10－18 J

C．10－15 J  D．10－12 J

解析：选B　光子的能量E＝hν，c＝λν，联立解得E≈2×10－18 J，B项正确。

[系统归纳]

1．光的波粒二象性的认识

(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明了光具有波动性。

(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，即光具有波粒二象性。

2．对光的波粒二象性的理解