2020届高考物理总复习波粒二象性原子结构与原子核课时1光电效应波粒二象性教师用书（含解析） 14页

课时1　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黑体辐射随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加。③黑体辐射随着温度的升高,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,这个不可再分的最小能量值叫作能量子。②能量子ε=hν,其中ν是指电磁波的频率,h称为普朗克常量,h=6.626×10-34J·s。(3)普朗克对黑体辐射现象的解释　　由于传统经典理论无法解释黑体辐射的实验规律,普朗克提出能量子假说。普朗克能量子的假说完美地解释了黑体辐射的实验规律。　　2.光电效应　　(1)定义:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。(2)光电子:从光电效应现象中发射出来的电子。(3)光电效应现象的实验规律①每种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于1.(2018江西宜春第一次调研)(多选)黑体辐射的实验规律如图所示,由图可知(　　)。A.随温度升高,各种波长的辐射强度都有增加B.随温度降低,各种波长的辐射强度都有增加C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动nD.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动答案　ACD2.(2019河南文昌质量调研)近年来,士兵在军事行动中都配带“红外夜视仪”,在夜间也能清楚地看见目标,主要是因为(　　)。A.“红外夜视仪”发射出强大的红外线,照射被视物体B.一切物体均在不停地辐射红外线C.一切高温物体均在不停地辐射红外线D.“红外夜视仪”发射出X射线,被照射物体受到激发而发出红外线答案　B3.(2019四川绵竹摸底考试)有一束紫外线照射某金属时不能发生光电效应,可能使该金属发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　B或等于这个极限频率才能产生光电效应。低于这个频率的光不能产生光电效应。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。(4)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。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a.表达式:Ek=hν-W0。b.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=12mev02。n　　3.光的波粒二象性　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。④光波是概率波,是大量光子的运动分布遵守波动规律,亮条纹就是光子到达概率大的地方,暗条纹就是光子到达概率小的地方。⑤光的干涉、衍射等现象说明光具有波动性,光电效应说明光具有粒子性,也就是光具有波粒二象性,光的波粒二象性与传统理论所指的波动性和粒子性是完全不同的,光是概率波,是指光子在传播的过程中的分布是不确定的,可以用波动规律来描述其在空间分布的概率。(2)物质波①1924年,法国物理学家德布罗意提出:任何运动着的物体都有一种波和它对应,这种波叫作物质波,也叫德布罗意波。②实物粒子也具有波动性,也是一种概率波,其波长λ=hp,其中h是普朗克常量。电子衍射现象证明了物质波的存在。4.(2018浙江嘉兴四校联考)入射光照到某金属表面时能发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,则下列说法中正确的是(　　)。A.从光照射到金属表面上到金属发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.逸出的光电子的最大初动能减小C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应答案　C5.(2019云南丽江第一次调研)(多选)光电效应实验的装置如图所示,则下列说法中正确的是(　　)。A.用紫外线照射锌板,验电器箔片张开B.用红色光照射锌板,验电器箔片张开C.发生光电效应时,锌板带的是负电荷D.发生光电效应时,使验电器箔片张开的是正电荷n答案　AD6.(2018江西吉安第二次模拟)关于物质的波粒二象性,下列说法中不正确的是(　　)。A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道C.波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的D.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性答案　D7.(2018贵州贵阳开学检测)近年来,数码相机几近家喻户晓,用来衡量数码相机性能的一个非常重要的指标就是像素,1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点,现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多,其原因可以理解为(　　)。A.光是一种粒子,它和物质的作用是一份一份的B.光的波动性是大量光子之间的相互作用引起的C.大量光子表现出光具有粒子性D.光具有波粒二象性,大量光子表现出光的波动性答案　D8.(2018四川德阳第二次模拟)(多选)关于波粒二象性,下列说法正确的是(　　)。A.光的波动性不是光子之间的相互作用引起的B.单个粒子的位置是不确定的,但在某点附近出现的概率大小可以由波动规律确定C.频率大的粒子表现粒子性,频率小的粒子表现波动性D.光既是宏观意义上的波又是宏观意义上的粒子答案　ABC1.(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.1×1014Hz　　　　　　B.8×1014HzC.2×1015HzD.8×1015Hz解析　由光电效应方程式Ek=hν-W0,可得W0=hν-Ek=hcλ-Ek。刚好发生光电效应的临界频率为ν0,则W0=hν0,代入数据可得ν0=8×1014Hz,B项正确。n答案　B2.(2017全国卷Ⅲ,19)(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Uaνb,则一定有Eka>EkbC.若Uaνb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb解析　光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eU=Ek,根据光电效应方程可知Ek=hν-W0,若νa>νb,则Eka>Ekb,Ua>Ub,A项错误,B项正确;若Uaλ0)的光照射阴极K,电路中一定没有光电流B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K,电路中一定有光电流C.增加电路中电源两极电压,电路中光电流一定增大D.若将电源极性反接,电路中一定没有光电流产生解析　当用波长为λ0的光照射阴极K时,电路中有光电流,只有换用频率更大,也就是用波长比λ0小的光照射阴极K时才一定有光电流,换用波长比λ0大的光时情况不确定,A项错误,B项正确。当光电流达到饱和时,增大两极电压,光电流不变,C项错误。若将电源极性反接,光电子做减速运动,若接近A极时还没有减速到零,电路中就可能有光电流产生,D项错误。答案　B变式1　当加在光电管两极间的正向电压足够高时,光电流将达到饱和值,若想增大饱和光电流,应采取的有效办法是(　　)。A.增大照射光的波长B.增大照射光的频率C.增大照射光的光照强度D.继续增大正向电压n解析　当某种频率的光照射到光电管的阴极时,发生光电效应所产生的光电子全部被正极的高电压吸引过去参加导电运动,这时光电流达到了饱和,再继续增大光电管的正向电压也不会再增加光电流了,D项错误;若想增大饱和光电流,有效的办法是增大照射光的光照强度,光照强度增大,产生光电子数目增加,饱和光电流将增大,C项正确;增大照射光的频率,将使光电子的最大初动能增大,若照射的光子数目不变,不能增多光电子的数量,饱和光电流不变,B项错误;增大照射光的波长,则照射光的频率减小,光子能量减小,将使光电子的最大初动能减小,甚至不能发生光电效应,A项错误。答案　C(1)正确理解金属的逸出功的概念,知道极限频率(或最大波长)存在的原因是解决光电效应问题的关键;光电效应是金属中的自由电子吸收了光子的能量后,其动能大到足以克服金属原子的引力而逃逸出金属表面,成为光电子的现象。(2)对一定的金属来说,逸出功是一定的,照射光的频率越大,光子的能量越大,从金属中逸出的光电子的最大初动能就越大;如果入射光子的频率较低,它的能量小于金属的逸出功,就不能产生光电效应,这就是存在极限频率的原因。(3)光电效应规律中“光电流的强度”,是在光电管两极间的电压一定的前提下的电流强弱,此时光电流的强度与入射光的强度成正比。注意:光电流大小与入射光的强度和光电管两极间的电压都有关,但光电流达到饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态)以后才与入射光的强度成正比。三认识光的波粒二象性　　光的波粒二象性的实质:波粒二象性中所说的波和粒子并不是经典物理学中所说的“波”和“粒子”。波粒二象性中所说的波是一种概率波,是指光子在空间出现的概率可以用波动规律来描述,只对于大量光子才有意义;波粒二象性中所说的粒子,是指光子是不连续的,是一份一份的,每一份具有的能量为hν。例3　对光的认识,下列说法不正确的是(　　)。A.个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的C.大量光子表现出波动性时,就不具有粒子性,少量光子表现出粒子性时,就不再具有波动性D.光的波粒二象性应理解为:在某种情况下光的波动性表现明显,在另外某种情况下,光的粒子性表现得明显解析　个别光子的行为往往表现出来的是粒子性,而大量光子表现出来的是波动性,A项正确。光的波动性是光子本身特有的属性,并不是光子之间的相互作用引起的,B项正确。光的波粒二象性是指光在某种情况n下光的波动性表现得明显,但不是没有粒子性,只是粒子性不明显;反之,在另外某种情况下,光的粒子性表现得明显,波动性不明显,故C项错误,D项正确。答案　C(1)从数量上看:个别光子的行为往往表现为粒子性;大量光子的行为往往表现为波动性。(2)从频率上看:频率高的光子容易表现出粒子性;频率低的光子容易表现出波动性。　　(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p=hλ表示式也可以看出,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,由以上两式和波速公式c=λν还可以得出E=pc。　　光电效应图象问题图象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νc②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0=|-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Uc:图线与横轴的交点②饱和光电流Im:光电流的最大值③最大初动能:Ek=eUc颜色不同时,光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流n③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①极限频率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)　　例4　用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流大小与照射光的强弱、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(　　)。A.单色光a和c的频率相同,但a更强些B.单色光a和c的频率相同,但a更弱些C.单色光b的频率小于a的频率D.改变电源的极性不可能有光电流产生解析　由图乙知,a、c的遏止电压相同,根据光电效应方程可知单色光a和c的频率相同,但a产生的光电流大,说明a光的强度大,A项正确,B项错误;b的遏止电压大于a、c的遏止电压,所以单色光b的频率大于a的频率,C项错误;只要光的频率不变,改变电源的极性,仍可能有光电流产生,D项错误。答案　A变式2　(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点横坐标为4.7×1014Hz,与纵轴的交点纵坐标为0.5eV)。由图可知(　　)。A.该金属的截止频率为4.7×1014HzB.该金属的截止频率为6.0×1014HzC.该图线的斜率表示普朗克常量nD.该金属的逸出功为0.5eV解析　图线与横轴的交点表示截止频率,A项正确,B项错误;由光电效应方程Ek=hν-W0,可知图线的斜率为普朗克常量,C项正确;该金属的逸出功W0=hνc=6.63×10-34×4.7×10141.6×10-19eV≈1.95eV,D项错误。答案　AC见《高效训练》P1251.(2018河北保定12月模拟)如图所示,弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器铝箔有张角,则该实验(　　)。A.只能证明光具有波动性B.只能证明光具有粒子性C.只能证明光能够发生衍射D.证明了光具有波粒二象性解析　弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性,验电器铝箔有张角,说明锌板发生了光电效应,证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,D项正确。答案　D2.(2018甘肃兰州第一期质检)在用光电管研究光电效应的实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能发生光电效应。对于这两个过程,下列四个物理量中,一定相同的是(　　)。A.遏止电压B.相同时间内逸出的光电子数C.光电子的最大初动能D.逸出功解析　同一种单色光照射不同的金属,入射光的频率和光子能量一定相同,金属逸出功不同,D项错误;根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,最大初动能不同,则遏止电压不同,A、C两项错误;同一种单色光照射,入射光的强度相同,所以相同时间内逸出的光电子数相同,B项正确。答案　Bn3.(2019四川成都质量调研)关于物质波,下列说法中正确的是(　　)。A.速度相等的电子和质子,电子的波长大B.动能相等的电子和质子,电子的波长小C.动量相等的电子和中子,中子的波长小D.甲电子速度是乙电子速度的3倍,甲电子的波长也是乙电子的波长的3倍解析　由λ=hp可知,动量大的波长小。电子与质子的速度相等时,电子动量小,波长大。电子与质子动能相等时,由动量与动能的关系式p=2mEk可知,电子的动量小,波长大。动量相等的电子和中子,其波长应相等。如果甲电子的速度是乙电子的速度的三倍,甲的动量也是乙的动量的三倍,那么甲的波长应是乙的波长的13。答案　A4.(2018河北石家庄10月考试)某光源发出的光由不同波长的光组成,不同波长的光的强度如图所示,表中给出了一些材料的极限波长,用该光源发出的光照射表中材料(　　)。材料钠铜铂极限波长/nm541268196A.仅钠能产生光电子B.仅钠、铜能产生光电子C.仅铜、铂能产生光电子D.都能产生光电子解析　根据光电效应方程可知,只要光源的波长小于某金属的极限波长,就有光电子逸出,该光源发出的光的波长最小的小于100nm,小于钠、铜、铂三个的极限波长,所以钠、铜、铂都能产生光电子,D项正确。答案　D5.(2019四川德阳质量检测)(多选)下列关于光的波粒二象性的说法中正确的是(　　)。A.光显示粒子性时是分立而不连续的,无波动性;光显示波动性时是连续而不分立的,无粒子性B.光的频率越高,其粒子性越明显;光的频率越低,其波动性越明显C.光的波动性可以看作是大量光子运动的规律D.频率大的电磁波更容易发生光电效应n解析　我们既不能把光看成宏观现象中的波,也不能把光看成宏观现象中的粒子,光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性,A项错误;光的波动性和粒子性都与光的频率有关,随着频率的增大,波动性减弱而粒子性增强,B项正确;大量光子表现出波动性,少量光子则表现出粒子性,C项正确;频率大的电磁波更容易发生光电效应而更不容易观察到干涉和衍射现象,D项正确。答案　BCD6.(2018河南洛阳开学考试)(多选)关于光电效应的产生以及现象,下列描述正确的是(　　)。A.逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大B.对某金属来说,入射光波长必须大于一极限值,才能产生光电效应C.产生光电效应时从金属表面逸出的所有光电子的动能都相同D.一束光照射到某种金属上不能发生光电效应,一定是入射光的光子能量太小解析　根据光电效应方程Ekm=hν-W0可知,逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,A项正确;由光电效应方程可知入射光波长必须小于一极限值,才能产生光电效应,B项错误;光电子的动能与入射光的频率和金属的种类以及逸出的方式有关,因此光电子的动能不一定都相同,C项错误;能否发生光电效应与入射光的强度无关,与入射光的光子频率、光子能量有关,D项正确。答案　AD7.(2019江西瑞金开学测试)(多选)用波长为λ和2λ的光照射同一种金属,分别产生的速度最快的光电子速度之比为2∶1,普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示,那么下列说法正确的有(　　)。A.该种金属的逸出功为hc3λB.该种金属的逸出功为hcλC.波长超过2λ的光都不能使该金属发生光电效应D.波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应　　解析　由hν=W+Ek知hcλ=W+12mv12,hc2λ=W+12mv22,又v1=2v2,所以W=hc3λ,光的波长小于或等于3λ时方能发生光电效应,故A、D项正确。答案　AD8.(2019山东青岛第一次模拟)(多选)一单色光照到某金属表面时,有光电子从金属表面逸出,下列说法中正确的是(　　)。A.无论增大照射光的频率还是增加照射光的强度,金属的逸出功都不变B.只延长照射光照射时间,光电子的最大初动能将增加C.只增大照射光的频率,光电子的最大初动能将增大D.只增大照射光的频率,光电子逸出所经历的时间将缩短n解析　增大照射光的频率,或增加照射光的强度,金属逸出功都将不变,它只与极限频率有关,A项正确;根据光电效应方程Ekm=hν-W0可知,光电子的最大初动能由照射光的频率和逸出功决定,只延长照射光照射时间,光电子的最大初动能将不变,B项错误;只增大照射光的频率,光电子的最大初动能将增大,C项正确;光电子逸出所经历的时间几乎是同时的,D项错误。答案　AC