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- 2021-06-01 发布
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一、黑体辐射和量子
1.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。
2.实验规律:
随着温度升高,各种波长的电磁波辐射强度都增加,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
3.普朗克提出黑体辐射强度按波长分布的公式,理论与实验结果相符,但要求满足能量子假设。
4.能量子ε=hν,其中ν为电磁波频率,普朗克常量h=6.63×10–34 J·s。
二、光电效应
1.实验规律:
(1)每种金属都有一个发生光电效应的最小频率,称为截止频率或极限频率(νc)。
(2)入射光的频率不变时,入射光越强,饱和光电流越大。光电流的强度(单位时间内发射的光电子数)与入射光的强度成正比。
(3)入射光的频率不变时,存在一个使光电流减小到0的反向电压,即遏止电压(Uc)。表明光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强度无关。
(4)光照射到金属表面时,光电子的逸出几乎是瞬时的,精确测量为10–9 s。
2.爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν–W0
3.光电流与电压的关系图象(I–U图象)
(1)电压范围足够大时,电流的最大值为饱和光电流Im,图线与横轴交点的横坐标的绝对值为遏止电压Uc,光电子的最大初动能Ek=eUc。
(2)频率相同的入射光,遏止电压相同,饱和光电流与光照强度成正比。
(3)不同频率的入射光,遏止电压不同,入射光频率越大,遏止电压越大。
4.最大初动能与入射光频率的关系图象(Ek–ν图象)
(1)函数方程为Ek=hν–W0=hν–hνc。
(2)图线斜率等于普朗克常量h,横轴截距等于截止频率vc,纵轴截距绝对值E等于逸出功W0=hνc。
5.遏止电压与入射光频率的关系图象(Uc–ν图象)
(1)函数方程为Uc=ν–=ν–。
(2)图线斜率与电子电荷量的乘积等于普朗克常量h,横轴截距等于截止频率νc,纵轴截距的绝对值与电子电荷量的乘积等于逸出功。
三、波粒二象性
1.光的波粒二象性
(1)光的波动性:光的干涉、衍射、偏振现象。
(2)光的粒子性:光电效应、康普顿效应。
(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的波粒二象性。
2.康普顿效应
(1)光电效应表明光子具有能量;康普顿效应表明光子既具有能量,又具有动量。
(2)光子的动量p=。
3.粒子的波粒二象性
(1)德布罗意波(物质波):
频率ν=,波长λ=,其中ε为粒子能量,p为粒子动量,h为普朗克常量。
(2)验证和应用:电子的衍射实验,电子显微镜。
(3)光波和物质波都是概率波。
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增加
B.随温度降低,各种波长的辐射强度都增加
C.随温度升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.随温度降低,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
【参考答案】ACD
【详细解析】由图可知,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,ACD正确,B错误。
【名师点睛】类似黑体辐射实验规律的知识,其数学原理推导困难,一般不要求掌握,所应用的领域(冶炼金属)的现象又不常见,这就要求在了解相关历史背景、历史沿革的前提下,进行主动记忆。
1.关于黑体辐射的强度与波长的关系,如图所示正确的是
【答案】B
【解析】黑体辐射的强度与温度有关,温度越高,黑体辐射的强度越大,随着温度升高,黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,选B。
用一单色光照射某种金属,有光电子从金属表面逸出,如果
A.增大入射光的强度,光电子的最大初动能增大
B.减小入射光的强度,就可能没有光电子逸出了
C.增大入射光的频率,逸出的光电子数目一定增多
D.减小入射光的频率,就可能没有光电子逸出了
【参考答案】D
【名师点睛】光电效应问题的解题关键:(1)根据爱因斯坦光电效应方程分析光电子的最大初动能;(2)光强与光子数有关,光强与光电效应发生的次数有关,而与每次发生的光电效应无关。
1.用如图所示的装置演示光电效应,当用某种频率的光照射光电管时,闭合开关S,此时电流表A的读数为I,若改用更高频率的光照射光电管
A.断开开关S,则一定有电流流过电流表A
B.将滑动变阻器的触头c向b端移动,光电子到达阳极时的速度必将变小
C.只要电源的电压足够大,将滑动变阻器的触头c向a端移动,光电管中可能没有光电子产生
D.只要电源的电压足够大,将滑动变阻器的触头c向a端移动,电流表A读数可能为0
【答案】AD
【解析】原来电路中,光电管两端加反向电压,此时有光电流,若改用更高频率的光照射光电管,且断开开关S,光电子的最大初动能增大,且无反向电压的减速,光电子一定能到达阳极,有光电流产生,A正确;将滑动变阻器的触头c向b端移动,光电管两端的反向电压减小,光电子到达阳极的速度必将增大,B错误;改用更高频率的光照射光电管,光电管中一定有光电子产生,C错误;只要电源的电压足够大,将滑动变阻器的触头c向a端移动,使光电管两端的反向电压达到遏止电压,光电子就不能到达阳极,无法形成光电流,则电流表A的读数可能为0,D正确。
在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是
A.使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上会出现衍射图样
B.单个光子通过单缝后,底片上会出现完整的衍射图样
C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏
D.单个光子通过单缝后打在底片上的情况呈现随机性,大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现规律性
【参考答案】AD
【详细解析】使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上中央到达的机会最多,其他地方机会较少,会出现衍射图样,A正确;单个光子通过单缝后,光子表现为粒子性,底片上只有一个光点,BC错误;单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现随机性,大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现规律性,所以少量光子体现粒子性,大量光子体现波动性,D正确。
【知识拓展】由,光子的频率(能量)越高,波长越小,越不容易发生干涉或衍射,波动性越不明显,表现为粒子性。
1.在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上.假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子
A.一定落在中央亮纹处 B.一定落在亮纹处
C.可能落在暗纹处 D.落在中央亮纹处的可能性最大
【答案】CD
【解析】根据光的概率波概念,对于一个光子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处,也可能落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,AB错误;CD正确。
1.在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔,小孔可看作黑体,由小孔的热辐射特征,就可以确定炉内的温度,如图所示,就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象,则下列说法正确的是
A.T1 >T2
B.T1νb,则一定有Uaνb,则一定有Eka>Ekb
C.若Uaνb,则一定有hνa–Eka>hνb–Ekb
11.(2017北京卷)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
12.(2016新课标全国Ⅰ卷)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
E.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
13.(2015新课标全国Ⅱ卷)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
E.光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关
14.(2015上海卷)
用很弱的光做单缝衍射实验,改变曝光时间,在胶片上出现的图像如图所示,该实验表明
A.光的本质是波
B.光的本质是粒子
C.光的能量在胶片上分布不均匀
D.光到达胶片上不同位置的概率相同
15.(2015江苏卷)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
C.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,它们的德布罗意波长也相等
1.AD【解析】不同温度的物体向外辐射的电磁波的波长范围是不相同的,温度越高向外辐射的能量中波长短的波越多,所以T1>T2,A正确,B错误;随温度的升高,相同波长的光辐射强度都会增加,同时最大辐射强度向左侧移动,即向波长较短的方向移动,C错误,D正确。
2.BD
3.AC【解析】光子的能量大于钨的逸出功时,才有光电子逸出,光子的能量要大于4.5 eV;加正向电压时,逸出的光电子一定能到达金属网处;加反向电压时,入射光子的能量hν≥W0+eU时,逸出的光电子才能到达金属网处。故BD中光电子能到达金属网处,AC中没有光电子到达金属网处,选AC。
4.ABC【解析】甲光、乙光的遏止电压相等,则甲、乙光的频率相等,甲光的光电流比乙光大,则甲光的光照强度比乙光大,A正确;由,甲、乙光的遏止电压小于丙光的遏止电压,则甲、乙光的频率小于丙光的频率大于乙光的频率,乙光的波长大于丙光的波长,B正确;同一种金属,截止频率是相同的,C正确;甲光对应的光电子最大初动能小于于丙光的光电子最大初动能,D错误。
5.AC【解析】由爱因斯坦光电效应方程有Ekm=hν–W=h(ν–νc),可知图线的横轴截距为金属的极限频率,νc=4.3×1014 Hz,A正确,B错误;图线的斜率表示普朗克常量,C正确;金属的逸出功W=hνc≈1.8 eV,D错误。
6.ABC【解析】光电子在光电管中减速,根据动能定理有–eU1=0–mv2,则用频率为ν1的光照射时,光电子的最大初速度v=,A正确;由爱因斯坦光电效应方程有hν1=eU1+W0,hν2=eU2+W0,得阴极K金属的逸出功W0=hν1–eU1,得h=,B正确,D错误;阴极K金属的极限频率νc==,C正确。
7.BCD【解析】声波是机械波,A错误;电磁波和物质波都是概率波,无线电波和光波都属于电磁波,BCD正确。
8.B【解析】可见光的光子的平均能量,能引起人的眼睛视觉效应的光子数,选B。
9.BD【解析】由粒子位置不确定量Δx与粒子动量不确定量Δp的不确定关系ΔxΔp≥可知,单缝越宽,位置不确定量Δx越大,动量不确定量Δp越小,所以光沿直线传播,A错误;B正确;单缝越窄,位置不确定量Δx越小,动量不确定量Δp越大,所以中央亮纹越宽,C错误,D正确。
10.BC【解析】由爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν–W0,又由动能定理有Ek=eUc,若νa>νb,则有Eka>Ekb,Ua>Ub,A错误,B正确;若Ua