2020版高考物理复习第十二章第1讲光电效应波粒二象性讲义（含解析）教科版 15页

光电效应波粒二象性五年高考(全国卷)命题分析五年常考热点五年未考重点光电效应20182017201620152卷17题3卷19题1卷35(1)1卷35(1)1.玻尔理论和能级跃迁2.原子物理与动量观点的结合波粒二象性及近代物理学史201520142卷35(1)2卷35(1)核反应与核能20182017201620143卷14题1卷17题、2卷15题2卷35(1)、3卷35(1)1卷35(1)1.考查方式：高考对本部分内容考查形式比较固定，一般比较单一的考查某个知识点，且知识点相对比较单一，题型为选择题和填空题.2.命题趋势：由于本部分内容涉及点较多，且已经改为必考内容，今后的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.第1讲　光电效应　波粒二象性一、光电效应及其规律1.光电效应现象在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子.2.光电效应的产生条件入射光的频率大于等于金属的极限频率.3.光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能产生光电效应.(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大.(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比.自测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，n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，若光的频率仍大于等于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C错误；根据hν＝mv2＋W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.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，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝hν.2.逸出功W：电子从金属中逸出所需做功的最小值.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.光电效应方程(1)表达式：hν＝mv2＋W或mv2＝hν－W.(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电子的最大初动能.自测2　(多选)如图1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的关系图像.普朗克常量为h，由图像可知(　　)图1A.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n答案　ABC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.自测3　(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，暗条纹处落下光子的概率小D.单个光子显示粒子性，大量光子显示波动性答案　CD命题点一　光电效应电路和光电效应方程的应用1.四点提醒(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.2.两条对应关系(1)光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；(2)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：hν＝mv2＋W.(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eU0.n(3)逸出功与极限频率的关系W＝hν0.例1　(2018·全国卷Ⅱ·17)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J.已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　)A.1×1014HzB.8×1014HzC.2×1015HzD.8×1015Hz答案　B解析　设单色光的最低频率为ν0，由Ek＝hν－W0知Ek＝hν1－W0,0＝hν0－W0，又知ν1＝整理得ν0＝－，解得ν0≈8×1014Hz.变式1　(多选)(2017·全国卷Ⅲ·19)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答案　BC解析　由爱因斯坦光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，由动能定理得，Ekm＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，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正确；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故选项D错误.例2　(2019·广东省中山一中、仲元中学等七校第一次模拟)如图2，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(　　)图2A.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n答案　C解析　根据爱因斯坦光电效应方程，有：－W＝Ekm＝eU0，因此若λ1＞λ2，则U1＜U2，故A错误；根据－W＝eU1；－W＝eU2，其中的W＝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－W＝Ekm可知入射光的波长与光电子的最大初动能不成正比，故D错误.变式2　(2018·山西省太原市三模)如图3，在研究光电效应的实验中，保持P的位置不变，用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转；改用另一频率的单色光b照射K，电流计的指针发生偏转，那么(　　)图3A.增加a的强度一定能使电流计的指针发生偏转B.用b照射时通过电流计的电流由d到cC.只增加b的强度一定能使通过电流计的电流增大D.a的波长一定小于b的波长答案　C解析　用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转，说明a光的频率小于阴极K的截止频率，增加a的强度也无法使电流计的指针发生偏转，A错误；电子运动方向从d到c，电流方向从c到d，B错误；只增加b的强度可以使光电流增大，使通过电流计的电流增大，C正确；b光能使阴极K发生光电效应，b光的频率大于阴极K的截止频率也就大于a光的频率，b的波长一定小于a的波长，D错误.n命题点二　光电效应图像图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标ν0②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压U0：图线与横轴的交点的横坐标②饱和光电流Im：光电流的最大值③最大初动能：Ek＝eU0颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压U01、U02②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eU01，Ek2＝eU02遏止电压U0与入射光频率ν的关系图线①极限频率ν0：图线与横轴的交点的横坐标②遏止电压U0：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)例3　(2018·广东省潮州市下学期综合测试)用如图4甲所示的装置研究光电效应现象.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)，下列说法中正确的是(　　)n图4A.普朗克常量为h＝B.仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大C.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的示数增大答案　A解析　根据hν＝mv2＋W可得，图线纵截距的绝对值等于金属的逸出功，即等于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a，那么普朗克常量为h＝，故A正确；根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能与照射光的频率有关，与光的强度无关，故B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C、D错误.变式3　(2018·河南省濮阳市第三次模拟)用如图5甲所示的电路研究光电效应中光电流与照射光的强弱、频率等物理量的关系.图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调，分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示，由图可知(　　)图5A.单色光a和c的频率相同，且a光更弱些，b光频率最大B.单色光a和c的频率相同，且a光更强些，b光频率最大C.单色光a和c的频率相同，且a光更弱些，b光频率最小D.单色光a和c的频率不同，且a光更强些，b光频率最小答案　Bn解析　a、c两单色光照射后遏止电压相同，根据Ekm＝eU0，可知产生的光电子最大初动能相等，则a、c两单色光的频率相等，光子能量相等，由于a光的饱和光电流较大，则a光的强度较大，单色光b照射后遏止电压较大，根据Ekm＝eU0，可知b光照射后产生的光电子最大初动能较大，根据光电效应方程hν＝mv2＋W得，b光的频率大于a光的频率，故A、C、D错误，B正确.变式4　(2018·广西桂林、百色和崇左市第三次联考)金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压U0与入射光频率ν的关系图像如图6所示.则由图像可知(　　)图6A.入射光频率越大，该金属的逸出功越大B.入射光的频率越大，则遏止电压越大(ν>ν0)C.由图可求出普朗克常量h＝D.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比答案　B解析　当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W＝hν0，逸出功与入射光频率无关，是由金属材料决定的，故A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W和eU0＝Ekm得：U0＝－，当入射光的频率大于等于极限频率时，入射光的频率越大，则遏止电压越大，故B正确；由U0＝－，知图线的斜率等于，由题图可以得出斜率的大小，则普朗克常量为h＝，故C错误；根据光电效应方程得Ekm＝hν－W，光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，不是成正比，故D错误．命题点三　光的波粒二象性和物质波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出粒子性.n4.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描述波动性的物理量——频率ν和波长λ.例4　(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答案　ACD解析　电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，说明电子是一种波，故A正确；β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹，可以说明β射线是一种粒子，故B错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，中子衍射说明中子是一种波，故C正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，利用了电子束的衍射现象，说明电子束是一种波，故D正确.变式5　下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是(　　)A.光的色散和光的干涉B.光的干涉和光的衍射C.泊松亮斑和光电效应D.光的反射和光电效应答案　C变式6　(多选)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7所示的是该实验装置的简化图，下列说法正确的是(　　)图7A.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　ABD变式7　(多选)(2019·甘肃省天水市调研)波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有(　　)A.光电效应现象揭示了光的粒子性B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性nC.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释D.动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波的波长也相等答案　AB1.有一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使金属产生光电效应的措施是(　　)A.改用频率更小的紫外线照射B.改用X射线照射C.改用强度更大的原紫外线照射D.延长原紫外线的照射时间答案　B2.(多选)光电效应实验中，下列表述正确的是(　　)A.光照时间越长，光电流越大B.入射光足够强就可以有光电流C.遏止电压与入射光的频率有关D.入射光频率大于极限频率时一定能产生光电子答案　CD解析　光电流的大小只与单位时间内通过单位面积的光电子数目有关，而与光照时间的长短无关，选项A错误；无论光照强度多大，光照时间多长，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应，故选项B错误；遏止电压即反向截止电压，eU0＝hν－W，与入射光的频率有关，超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大，则遏止电压越大，故选项C正确；无论光照强度多小，光照时间多短，只要光的频率大于极限频率就能产生光电效应，即一定能产生光电子，故选项D正确.3.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答案　C解析　光具有波粒二象性，故A错误；电子是组成原子的基本粒子，有确定的静止质量，是一种物质实体，速度可以低于光速，光子代表着一份能量，没有静止质量，速度永远是光速，故B错误；光的波长越长，波动性越明显，波长越短，其粒子性越显著，故C正确；大量光n子运动的规律表现出光的波动性，故D错误.4．(多选)已知某金属发生光电效应的截止频率为ν0，则(　　)A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0C．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大D．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍答案　AB解析　该金属的截止频率为ν0，则可知逸出功W＝hν0，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；由光电效应方程得Ek＝hν－W，将W＝hν0代入可知B正确，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答案　A解析　光的频率不变，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.6.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1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(　　)图1A.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答案　D解析　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.7.(多选)如图2甲所示为实验小组利用100多个电子通过双缝后的干涉图样，可以看出每一个电子都是一个点；如图乙所示为该小组利用70000多个电子通过双缝后的干涉图样，为明n暗相间的条纹.则对本实验的理解正确的是(　　)图2A.图甲体现了电子的粒子性B.图乙体现了电子的粒子性C.单个电子运动轨道是确定的D.图乙中暗条纹处仍有电子到达，只不过到达的概率小答案　AD解析　题图甲中的每一个电子都是一个点，说明少数电子体现粒子性.每个电子到达的位置不同，说明单个电子的运动轨道不确定，A正确，C错误；题图乙中明暗相间的条纹说明大量的电子表现为波动性，B错误；题图乙中暗条纹处仍有电子到达，只不过到达的概率小，D正确.8.(2018·湖南省益阳市4月调研)关于下列物理史实与物理现象，说法正确的是(　　)A.光电效应现象由德国物理学家赫兹发现，爱因斯坦对其做出了正确的解释B.只有入射光的频率低于截止频率，才会发生光电效应C.根据爱因斯坦的光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比D.光电效应现象证明光是一种波答案　A解析　1887年德国物理学家赫兹发现了光电效应现象，爱因斯坦对光电效应的实验规律做出了正确的解释，故A正确；每种金属都有一个截止频率，只有入射光的频率大于等于截止频率，才会发生光电效应，故B错误；由爱因斯坦的光电效应方程得Ek＝hν－W，光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比，故C错误；光电效应现象证明光具有粒子性，故D错误.9.(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，入射光的光照强度变大，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.保持入射光的光照强度不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生答案　AC解析　保持入射光的频率不变，因为饱和光电流与入射光的强度成正比，所以入射光的光照强度变大，饱和光电流变大，故A正确；饱和光电流的大小与入射光的强度有关，与入射光n的频率无关，故B错误；根据光电效应方程得Ekm＝hν－W，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，所以入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故C正确；如果入射光的频率小于极限频率将不会发生光电效应，不会有光电流产生，故D错误.10.(2019·河北省邢台市调研)如图3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(　　)图3A.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答案　D解析　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.11.(2018·安徽省宿州市一质检)某实验小组用如图4甲所示的电路研究a、b两种单色光的光电效应规律，通过实验得到的光电流I与电压U的关系如图乙所示.则(　　)图4nA.a、b两种光的频率νa<νbB.金属K对a、b两种光的逸出功Wa>WbC.a、b两种光照射出的光电子的最大初动能Eka>EkbD.a、b两种光对应的遏止电压Ua>Ub答案　A解析　单色光b照射后遏止电压较大，根据Ekm＝eU0知，b光照射后产生的光电子最大初动能较大，根据光电效应方程得Ekm＝hν－W，b光的频率大于a光的频率，故A正确，C、D错误；根据逸出功W＝hν0，可知同一金属的极限频率相同，故逸出功相同，故B错误.12.(2018·四川省第二次“联测促改”)如图5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(　　)图5A.B.C.D.答案　C解析　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＝h－W；用波长为的单色光照射时，Ekm＝3eU＝h－W；联立解得：W＝，故C正确，A、B、D错误.13.(2018·山西省孝义市第一次模拟)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6甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压U0与入射光频率ν，作出图乙所示的U0－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(　　)n图6A.h＝B.h＝C.h＝D.h＝答案　A解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W及动能定理eU0＝Ek，得U0＝ν－，所以图像的斜率k＝＝，则h＝，故A项正确．