2024年高考物理第一轮复习课件：第十五章 第1讲　光电效应　波粒二象性

这是一份2024年高考物理第一轮复习课件：第十五章 第1讲　光电效应　波粒二象性，共53页。PPT课件主要包含了光电子，极限频率，最小值，答案C，答案D等内容，欢迎下载使用。

【素养解读·评价要求】1．在原子结构方面，主要考查原子的核式结构、氢原子光谱和玻尔的原子理论，主要涉及粒子散射实验和原子核式结构模型的理解，根据定态跃迁条件分析氢原子能级等知识，本部分内容是促进学生物理观念、科学思维、科学探究精神等学科核心素养提升的良好素材。2．在原子核方面，主要考查天然放射现象、原子核的组成、原子核的衰变、核能及核反应方程等，内容较多且较为分散。这部分内容也可能与动量、能量和电磁场相结合以计算题的形式进行综合考查。
3．在波粒二象性方面，主要考查光电效应，常结合光电效应方程、遏止电压、饱和电流、I-U图像等进行考查。4．由于涉及的考点较多，题型多为选择题，可能只考查一个考点，也可能涉及多个考点，试题难度不大。关注本章内容与其他章内容的关联，强化知识的综合运用能力。比如，原子物理与动量守恒、能量守恒、电磁场等相关内容的联系。
第1讲　光电效应　波粒二象性
[自主落实]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______。2．光电效应的四个规律(1)每种金属都有一个________。(2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是____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____增大而增大。(4)光电流的强度与入射光的____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____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不是连续的，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＝____。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______。
3．最大初动能发生光电效应时，金属表面上的____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－__。
三、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____性。2．粒子性：光电效应、康普顿效应说明光具有____性。3．光既具有____性，又具有____性，称为光的波粒二象性。四、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__的地方，暗条纹是光子到达概率__的地方，因此光波又叫概率波。
[自我诊断]一、判断题(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)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。( )(4)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。( )(5)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。( )
(6)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性。( )(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子具有波动性。( )
二、选择题1．根据爱因斯坦的“光子说”可知(　　)A．“光子说”本质就是牛顿的“微粒说”B．光的波长越大，光子的能量越小C．一束单色光的能量可以连续变化D．只有光子数很多时，光才具有粒子性
2．硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，下列表述正确的是 (　　)A．硅光电池是把光能转化为电能的一种装置B．硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出C．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关D．任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应
3．利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，对应的方法是让电子通过电场加速后，形成电子束照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样。如果加速电压为U，则下列说法正确的是 (　　)A．该实验说明了电子具有波动性B．加速电压U越大，物质波波长越长C．加速电压U越大，电子的衍射现象越明显D．若用相同动能的质子替代电子，衍射现象更明显
对光电效应规律的理解及其应用
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和金属材料的逸出功。(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．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。3．三个关系式(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。
【例1】　在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光的频率一定小于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c
[解析]　由于用单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，说明发生了光电效应，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，说明b光不能使阴极K发生光电效应，即a光的频率一定大于b光的频率；增加a光的强度可使单位时间内逸出光电子的数量增加，则通过电流计G的电流增大；因为b光不能使阴极K发生光电效应，所以即使增加b光的强度也不可能使电流计G的指针发生偏转；用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电子的方向由d到c，所以电流方向由c到d。综上选项B正确。
【例2】　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
[解析]　由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0，由动能定理得Ek＝eU，若用a、b单色光照射同种金属，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错误；因逸出功相同，有W0＝ hνa－Eka＝ hνb－ Ekb，故选项D错误。
【例3】　如图所示，有一束单色光入射到极限频率为ν0的金属板K上，具有最大初动能的某出射电子，沿垂直于平行板电容器极板的方向，从左侧极板上的小孔入射到两极板间的匀强电场后，到达右侧极板时速度刚好为零。已知电容器的电容为C，带电荷量为Q，极板间距为d，普朗克常量为h，电子电荷量的绝对值为e，不计电子的重力。关于电容器右侧极板的带电情况和入射光的频率ν，以下判断正确的是(　　)
(电源正、反接对比)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(　　)
A．逸出功为0.6 eVB．逸出功为1.7 eVC．电子到达阳极时的最大动能为2.6 eVD．电子到达阳极时的最大动能为4.5 eV
能Ekm＝eU＝0.6 eV，由光电效应方程hν＝Ekm＋W0知，W0＝1.9 eV，对图乙，当电压表示数为2 V时，电子到达阳极的最大动能Ekm′＝Ekm＋eU′＝0.6 eV＋2 eV＝2.6 eV，故C正确。
四类光电效应图像的对比
　对光电效应图像的理解和应用　　
【例4】　研究光电效应的电路图如图甲所示。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间的电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图乙所示。下列说法正确的是(　　)
A．甲光照射光电管发出光电子的初动能一定小于丙光照射光电管发出光电子的初动能B．单位时间内甲光照射光电管发出的光电子数比乙光的少C．用强度相同的甲、丙两束光照射该光电管，则单位时间内逸出的光电子数相等D．对于不同种金属，若照射光的频率不变，则逸出光电子的最大初动能与金属的逸出功为线性关系
入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，光电流越强，所以B错误；对甲、丙两束不同频率的光来说，光强相同时单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等，由于丙光的光子频率较高，每个光子的能量较大，单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数就较少，单位时间内发出的光电子数就较少，所以C错误；对于不同金属，若照射光的频率不变，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W知，Ek与金属的逸出功为线性关系，所以D正确。
【例5】　(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(　　)
[解析]　根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子到达A极时动能的最大值Ekm＝eU＋hν－hν截止，可知 图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上的截距越小，因ν1<ν2，则图像C正确，A、B、D错误。
【例6】　某金属在光的照射下发生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像如图所示。由图像可知，下列结论错误的是(　　)A．该金属的逸出功等于hν0B．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hν0D．入射光的频率为3ν0时，产生的光电子的最大初动能为2hν0
【例7】　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]　虽然入射光强度不同，但光的频率相同，所以遏止电压相同，又因为入射光强度大时，单位时间逸出的光电子数多，饱和电流大，所以选项C正确。
对光的波粒二象性的理解
　对波粒二象性、物质波的理解　　
【例8】　1927年戴维孙和汤姆孙分别完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。如图所示的是该实验装置的简化图，下列说法错误的是(　　)
A．亮条纹是电子到达概率大的地方B．该实验说明物质波理论是正确的C．该实验再次说明光子具有波动性D．该实验说明实物粒子具有波动性[解析]　亮条纹处到达的电子多，概率大，故A正确；该实验证明电子具有波动性，与光子具有波动性无关，从而验证了物质波理论正确性，故B、D正确，C错误。
【例9】　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．用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于该金属的截止频率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短，这个现象称为康普顿效应
[解析]　光电效应中，金属板向外发射的电子叫光电子，光子是光能量子的简称，A错误；用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于该金属的截止频率，B正确；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，D错误。
【例10】　实物粒子和光都具有波粒二象性。下列事实中突出体现粒子性的是(　　)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]　干涉和衍射体现的是波动性，A、C错误；β射线在云室中留下清晰的径迹，体现的是粒子性，B正确；电子显微镜利用电子束衍射工作，体现的是波动性，D错误。
【例11】　2017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＝1×10－9 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 JC．10－15 J D．10－12 J[解析]　光子的能量E＝hν，c＝λν，联立解得E≈2×10－18 J，B项正确。[答案]　B