2021高考物理（选择性考试）人教版一轮学案：15.1光电效应　波粒二象性

 第十五章  近代物理学初步 第一节　光电效应　波粒二象性1.黑体辐射与能量子（1）黑体与黑体辐射.①黑体：是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体.②黑体辐射的实验规律.a.一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关.b.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.（a）随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加.（b）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.2.能量子（1）定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍.即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的.这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子.（2）能量子的大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s.2.光电效应及其规律（1）定义：在光的照射下从金属表面发射出电子的现象（发射出的电子称为光电子）.（2）产生条件：入射光的频率大于等于截止频率.（3）光电效应规律.①存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多.②存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关.当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应.③光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10－9 s.1.（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解析：增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积上的光子数增加，则光电流增大，故选项A正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光强度无关，故选项B错误；用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C错误；根据Ek＝hν－W0可知，增大入射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D正确.答案：AD1.基本物理量（1）光子的能量ε＝hν.（2）逸出功：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动能的最大值.2.光电效应方程（1）表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.（2）物理意义：金属中的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek.2.（多选）如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象.由图象可知（　　）A.该金属的逸出功等于EB.该金属的逸出功等于hν0C.入射光的频率为2ν0时，产生的电子的最大初动能为ED.入射光的频率为时，产生的电子的最大初动能为答案：ABC1.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.3.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：C  光是什么，光是一种物质，它既具有波动性又具有粒子性.这里的波是指电磁波、粒子是指光子，任何运动的物体具有粒子性的同时，也具有波动性，任何一个运动着的物体，都有一种波与之相伴随，其波长λ＝. 考点一  对光电效应的理解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.光子是光电效应的因，光电子是果.2.光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；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.光电子的初动能小于等于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.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.5.光的强度与饱和光电流饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系.　关于光电效应，下列说法正确的是（　　）A.极限频率越大的金属材料逸出功越大B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多[思维点拨]　（1）什么是逸出功？（2）如何理解极限频率v0？（3）光电子的最大初动能与入射光的强度有关吗？解析：由W0＝hν0可知A正确；照射光的频率大于极限频率才能发生光电效应，B错误；由Ek＝hν－W0可知C错误；入射光的强度一定时，频率越高，单个光子的能量hν越大，光子数越少，单位时间内逸出的光电子数就越少，D错误.答案：A 1.解决光电效应规律问题的技巧.光电效应实验规律可理解记忆：“放不放（光电子），看光限（入射光最低频率）；放多少（光电子），看光强；（光电子的）最大初动能（大小），看（入射光的）频率；要放瞬时放”.2.用光电管研究光电效应.（1）常见电路.　图甲　　　　　　　　图乙图甲是光电管正常工作的电路，图乙光电管加上了反向电压，可以研究光电管的反向截止电压、光电子的最大初动能等.（2）两条线索.①光电管加正向电压时，入射光强度大→光子数目多→产生的光电子多→光电流大.②光电管加反向电压时，光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→反向截止电压大.反向截止电压与光强无关.  考点二   光电效应的图象分析1.由Ek-ν图象可以得到的信息（1）极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc.（2）逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值E＝W0.（3）普朗克常量：图线的斜率k＝h.2.由I-U图象可以得到的信息（1）遏止电压Uc：图线与横轴的交点的绝对值.（2）饱和光电流Im：电流的最大值.（3）最大初动能：Ekm＝eUc.3.由Uc-ν图象可以得到的信息（1）截止频率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）.　从1907年起，美国物理学家密立根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Ucν的图象，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，以检验爱因斯坦方程的正确性.图中频率ν1、ν2，遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知，求：（1）普朗克常量h；（2）该金属的截止频率ν0.[思维点拨]　（1）试分析得出Uc与ν的关系式用到的公式：①最大初动能Ek与光的频率ν是什么关系？②最大初动能Ek与遏止电压Uc是什么关系？（2）Ucν图线与横轴交点的物理意义是什么？解析：根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及动能定理eUc＝Ek，得Uc＝ν－ν0，结合图象知k＝＝＝，解得普朗克常量h＝，该金属的截止频率ν0＝.答案：（1）　（2） 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，光频率大于这个截止频率才能发生光电效应.2.截止频率是发生光电效应的最小频率，对应着光的极限波长和金属的逸出功，即hν0＝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）.4.为能量守恒的一种表达式可以定性理解方程hν＝W0＋mv2的意义：即入射光子的能量一部分相当于转换在金属的逸出功上，剩余部分转化为光电子的动能.对某种金属来说W0为定值，因而光子频率ν决定了能否发生光电效应及光电子的初动能大小.每个光子的一份能量hν与一个光电子的动能mv2对应.  考点三  光的波粒二象性　物质波1.光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性，光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性.光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性.光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体.2.表现规律（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观象：频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强.（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：表示粒子性的粒子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.（5）理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子.3.物质波（1）定义：任何运动着的物体都有一种波与之对应，这种波叫作物质波，也叫德布罗意波.（2）物质波的波长：λ＝＝，h是普朗克常量.（3）德布罗意波也是概率波，衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方，但概率的大小受波动规律的支配.　（多选）关于光子和运动着的电子，下列叙述正确的是  （　　） A.光子和电子一样都是实物粒子B.光子和电子都能发生衍射现象C.光子和电子都具有波粒二象性D.光子具有波粒二象性，而电子只具有粒子性解析：光是传播着的电磁场，故A错误；根据物质波理论，一切运动的物体都具有波动性，故光子和电子都具有波粒二象性，都能发生衍射现象，B、C正确，D错误.答案：BC1.运用光子说对光电效应现象进行解释，可以得出的正确结论是   （　　）A.当光照时间增大为原来的2倍时，光电流的强度也增大为原来的2倍B.当入射光频率增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍C.当入射光波长增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍D.当入射光强度增大为原来的2倍时，单位时间内产生的光电子数目也增大为原来的2倍解析：根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，当入射光频率增大为原来的2倍时，产生光电子的最大初动能大于原来的两倍，与照射的时间无关，故A、B错误；根据爱因斯坦光电效应方程，Ek＝hν－W0＝－W0，当入射光波长增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能减小，故C错误；当入射光强度增大为原来的2倍时，单位时间内的光子数是原来的2倍，所以单位时间内产生的光电子数目也增大为原来的2倍，故D正确.答案：D2.（2019·中山联考）如图，实验中分别用波长为λ1、λ2的单色光照射光电管的阴极K.测得相应的遏止电压分别为U1和U2，设电子的质量为m，带电荷量为e，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　）A.若λ1>λ2，则U1>U2B.根据题述条件无法算出阴极K金属的极限频率C.用λ1照射时，光电子的最大初动能为eU1D.入射光的波长与光电子的最大初动能成正比解析：根据光电效应方程，则有：－W0＝Ekm＝eU0，因此若λ1>λ2，则U1<U2，故A错误；根据－W0＝eU1；－W0＝eU2，其中W0＝hν0，三式联立可求解h和ν0，选项B错误；用λ1照射时，光电子的最大初动能为eU1，选项C正确；根据－W0＝Ekm可知入射光的波长与光电子的最大初动能并非成正比，故D错误.答案：C3.（2019·郑州联考）当图甲所示光电效应实验中，分别用三束单色光照射到阴极K上测得光电流与电压的关系如图乙所示，Uc1、Uc2分别为蓝光和黄光的遏止电压.下列说法正确的是（　　）图甲　　　　　　　　　图乙　　A.强黄光照射形成的饱和电流较大，说明强黄光光子能量大于弱黄光光子能量B.强黄光照射形成的饱和电流较大，说明强黄光光子能量小于弱黄光光子能量C.Uc1>Uc2，说明黄光照射逸出的光电子的最大初动能大于蓝光照射逸出的光电子的最大初动能D.Uc1<Uc2，说明黄光照射逸出的光电子的最大初动能小于蓝光照射逸出的光电子的最大初动能解析：强黄光照射形成的饱和电流大于弱黄光的饱和电流，表明强黄光照射时单位时间发出的光电子数多.根据爱因斯坦的光子说，光子的能量满足：E＝hν，光子能量与光的频率相关，故强黄光和弱黄光光子能量相等，选项A、B错误；Uc1、Uc2分别为蓝光和黄光的遏止电压，满足：eUc＝Ekm，由于Uc1>Uc2，故黄光照射打出的光电子的最大初动能小于蓝光照射找出的光电子的最大初动能，选项D正确，C错误.答案：D4.（2019·南平模拟）用如图甲所示的装置研究光电效应现象，闭合电键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），下列说法中正确的是 （　　）图甲　　　　　　　　　　　图乙A.普朗克常量为h＝B.断开电键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的示数保持不变解析：根据Ekm＝hν－W0得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，等于b，当最大初动能为零时，入射光的频率等于截止频率，所以金属的截止频率为ν0＝a，那么普朗克常量为h＝，故A项错误；电键S断开后，因光电效应现象中，光电子存在最大初动能，因此电流表G的示数不为零，故B项正确；根据光电效应方程可知，入射光的频率与最大初动能有关，与光的强度无关，故C项错误；若保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，则光子数目减小，那么电流表G的示数会减小，故D项错误.答案：B5.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.该金属的极限频率约为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解析：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极限频率，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.答案：D6.1927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，下列说法不正确的是（　　）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答案：C7.用电子做双缝干涉实验，下面三幅图分别为100个、3 000个、7 000个左右的电子通过双缝后，在胶片上出现的干涉图样.该实验表明（　　）A.电子具有波动性，不具有粒子性B.电子具有粒子性，不具有波动性C.电子既有波动性又有粒子性D.电子到达胶片上不同位置的概率相同答案：C