高中物理選修3-5第十七章第58講 光的粒子性 光的波動(dòng)性

1、第58講光的粒子性光的波動(dòng)性考情 剖析(注：考綱要求及變化中代表了解和認(rèn)識(shí)，代表理解和應(yīng)用；命題難度中的A代表容易，B代表中等，C代表難)考查內(nèi)容考綱要求及變化考查年份考查形式考查詳情考試層級(jí)命題難度光電效應(yīng)10年11年12年選擇考查光電效應(yīng)的遏止電壓與飽和電流的相關(guān)知識(shí)填空考查光電效應(yīng)現(xiàn)象規(guī)律及光電效應(yīng)方程計(jì)算考查光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件填空考查氫原子能量與其電子離核距離的關(guān)系及利用愛因斯坦光電效應(yīng)方程求電子速度計(jì)算以光電子照射金屬發(fā)生光電效應(yīng)為背景，考查光子逸出時(shí)的動(dòng)量及金屬的逸出功的計(jì)算重點(diǎn)A或B光的波粒二象性 物質(zhì)波09年計(jì)算考查德布羅意波長公式的應(yīng)用非重點(diǎn)A普朗克能量子假說 黑體和黑體輻射

2、11年選擇考查黑體輻射規(guī)律非重點(diǎn)A小結(jié)及預(yù)測(cè)1.小結(jié)：光電效應(yīng)考查形式多樣，側(cè)重考查對(duì)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)及光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件；光的波粒二象性以計(jì)算題形式進(jìn)行考查，側(cè)重考查光的波粒二象性的現(xiàn)象；黑體和黑體輻射以選擇題形式進(jìn)行考查，考查黑體輻射的規(guī)律2預(yù)測(cè)：光電效應(yīng)在10、11、12年均有所考查，預(yù)計(jì)14年考查的可能性很大，而針對(duì)其余的知識(shí)點(diǎn)，預(yù)計(jì)14年會(huì)考查其中的某一知識(shí)點(diǎn)3復(fù)習(xí)建議：建議復(fù)習(xí)時(shí)重視光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件及其公式的應(yīng)用，了解光的波粒二象性和物質(zhì)波，了解普朗克公式和黑體輻射的含義. 知識(shí) 整合一、黑體輻射1熱輻射：我們周圍的一切物體都在輻射_，這種輻射與物體的_有關(guān)，所以叫做熱輻射2黑

3、體：如果某種物體能夠完全吸收入射光的各種波長的電磁波而不發(fā)生_，這種物體就是_，簡(jiǎn)稱黑體3能量子的計(jì)算公式是：hh，其是_，h是_，是_，c是_二、光電效應(yīng)1光電效應(yīng)在光(包括不可見光)的照射下從物體表面發(fā)射出電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，發(fā)射出的電子常稱為_2光電效應(yīng)的規(guī)律(1)每種金屬都存在極限頻率，只有入射光頻率_，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無關(guān)，而隨入射光的_增大而增大(3)從入射光照向金屬到光電子發(fā)射幾乎是_的，一般不超過109 s.(4)飽和光電流與入射光_成正比3光電效應(yīng)與電磁波理論的矛盾(1)光的能量與頻率有關(guān)，而不像波動(dòng)理論中應(yīng)由_決定(2)電子吸收光的能量

4、是_完成的，而不像波動(dòng)理論所預(yù)計(jì)的那樣可以逐漸積累4愛因斯坦的光子說在普朗克提出的電磁波的能量是不連續(xù)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出了_說，即空間傳播著的光是一份一份的，每一份叫一個(gè)光子，一個(gè)光子的能量為Eh，為光的頻率三、光的波粒二象性1光電效應(yīng)說明光具有_性，同時(shí)光還具有_性，即光具有波粒二象性2大量光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律表現(xiàn)出光的_性，單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出光的_性3光的波長越長，_越明顯，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；光的越率越高，_越明顯，穿透本領(lǐng)越強(qiáng)四、德布羅意波任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體，都有一種波與之對(duì)應(yīng)，其波長為_宏觀物體也存在波動(dòng)性，只是波長太短，難以觀測(cè)1光電效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生條件(1)要使金屬發(fā)射光電

5、子，入射光頻率必須大于金屬的極限頻率，反之，無論入射光強(qiáng)度多強(qiáng)，照射時(shí)間多長，都不發(fā)射光電子(2)逸出光電子最大初動(dòng)能隨入射光頻率增大而增大，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)2正確理解光電效應(yīng)方程(1)逸出功是指電子從金屬表面直接逸出需要克服原子核引力做功的最小值，電子從金屬中逸出消耗能將大于等于逸出功，而逸出光電子初動(dòng)能小于等于最大初動(dòng)能(2)逸出光電子最大初動(dòng)能隨入射光頻率增大而增大，但不是成正比關(guān)系(3)單位時(shí)間內(nèi)逸出光電子與單位時(shí)間入射光電子數(shù)成正比【典型例題1】 用一束紫外線照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是() A改用頻率更小的紫外線照射 B改用X射線照射 C改用強(qiáng)度

6、更大的原紫外線照射 D延長原紫外線的照射時(shí)間溫馨提示解答本題時(shí)應(yīng)理解能否使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)只由光的頻率決定，入射光頻率大于極限頻率記錄空間【變式訓(xùn)練1】 對(duì)光電效應(yīng)的解釋正確的是() A金屬鈉的每個(gè)電子可以吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的動(dòng)能足夠大時(shí)，就能逸出金屬 B如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時(shí)所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng) C發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)能就越大 D由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)入射光的最低頻率也不同1對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的解釋對(duì)應(yīng)規(guī)律對(duì)規(guī)律的產(chǎn)生的解釋存在極限頻率0電子從金屬表

7、面逸出，首先必須克服金屬原子核的引力做功W0，要使入射光子的能量不小于W0，對(duì)應(yīng)的頻率0，即極限頻率光電子的最大初動(dòng)能隨著入射光頻率的增大而增大，與入射光強(qiáng)度無關(guān)電子吸收光子能量后，一部分克服阻礙作用做功，剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動(dòng)能，只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動(dòng)能，對(duì)于確定的金屬，W0是一定的，故光電子的最大初動(dòng)能只隨入射光的頻率增大而增大具有瞬時(shí)性光照射金屬時(shí)，電子吸收一個(gè)光子的能量后，動(dòng)能立即增大，不需要能量積累的過程光較強(qiáng)時(shí)飽和電流大光較強(qiáng)時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多，因而飽和電流較大2Ek曲線(如圖所示)由Ek曲線可以得到的物理量(1)極限頻率：圖

8、線與軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)c.(2)逸出功：圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的值W0E.(3)普朗克常量：圖線的斜率kh.3解決光電效應(yīng)問題的兩條線索(1)光的頻率判斷能否發(fā)生光電效應(yīng)：入射光的頻率大于或等于金屬的極限頻率c，就能發(fā)生光電效應(yīng)求解光電子的最大初動(dòng)能：mvhW.求解極限頻率：c.光的頻率高E大光電子最大初動(dòng)能Ekm大(2)光的強(qiáng)度：在能產(chǎn)生光電效應(yīng)的情況下，光的強(qiáng)度大光子數(shù)目多產(chǎn)生光電子多光電流大(3)兩條線索的關(guān)系照射光光電子【典型例題2】如圖所示，當(dāng)電鍵S斷開時(shí)，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零合上電鍵，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60 V時(shí)，電流

9、表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零(1)求此時(shí)光電子的最大初動(dòng)能的大小(2)求該陰極材料的逸出功溫馨提示解答本題時(shí)應(yīng)對(duì)光電子的最大初動(dòng)能有正確的理解，綜合應(yīng)用動(dòng)能定理和光電效應(yīng)方程易解本題記錄空間【變式訓(xùn)練2】 某同學(xué)采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來研究光電效應(yīng)現(xiàn)象當(dāng)用某單色光照射光電管的陰極K時(shí)，會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象現(xiàn)分別用頻率為1和2的單色光照射陰極，測(cè)量到反向遏止電壓分別為U1和U2，設(shè)電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，則下列關(guān)系式不正確的是() A用頻率為1的光照射時(shí)，光電子的最大初速度vm B陰極K金屬的逸出功W0h1eU1 C陰極K金屬的極限頻率c D普朗克常量h

10、對(duì)光的波粒二象性的進(jìn)一步說明光既有波動(dòng)性，又有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機(jī)的統(tǒng)一體，其表現(xiàn)規(guī)律為：(1)從數(shù)量上看：個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性(2)從頻率上看：頻率越低波動(dòng)性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)(3)從傳播與作用上看：光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性(4)波動(dòng)性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量Eh，光子的動(dòng)量p表達(dá)式也可以看出，光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量頻率和波長.(5)

11、理解光的波粒二象性時(shí)不可把光當(dāng)成宏觀概念中的波，也不可把光當(dāng)成宏觀概念中的粒子【典型例題3】 在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是() A使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，如果時(shí)間足夠長，底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣 B單個(gè)光子通過單縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C光子通過單縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏 D單個(gè)光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性溫馨提示正確理解光的波粒二象性后易得本題正確答案記錄空間【變式訓(xùn)練3】 在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過單縫，那么該光子() A一定落在中央亮紋處

12、 B一定落在亮紋處 C可能落在暗紋處 D落在中央亮紋處的可能性最大 隨堂 演練1光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：對(duì)于某種金屬() A無論光強(qiáng)多強(qiáng)，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng) B無論光的頻率多低，只要光照時(shí)間足夠長就能產(chǎn)生光電效應(yīng) C超過極限頻率的入射光強(qiáng)度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越小 D超過極限頻率的入射光頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越大2.第2題圖黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，由圖可知() A隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加 B隨溫度降低，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加 C隨溫度升高，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng) D隨溫度降低，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方

13、向移動(dòng)3在中子衍射技術(shù)中，常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闊嶂凶拥牡虏剂_意波長與晶體中原子間距相近，已知中子質(zhì)量m1.67×1027 kg，普朗克常量h6.63×1034 J·s，可以估算德布羅意波長1.82×1010 m的熱中子動(dòng)能的數(shù)量級(jí)為() A1017 J B1019 J C1021 J D1024 J4(1)研究光電效應(yīng)的電路如圖所示，用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象中，正確的是()第4題圖(2)鈉金屬中的電子吸收光子

14、的能量，從金屬表面逸出，這就是光電子光電子從金屬表面逸出的過程中，其能量的大小_(選填“增大”、“減小”或“不變”)，原因是_5用不同頻率的光照射某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，測(cè)量金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率，得到Uc圖象如圖，根據(jù)圖象求出該金屬的截止頻率c_Hz，普朗克常量h_J·s.(已知電子電量e1.6×1019C)第5題圖6某種金屬的逸出功是3 eV，用波長為500 nm的綠光照射該金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)？用波長為400 nm的紫光照射能否發(fā)生光電效應(yīng)？光電子的最大初動(dòng)能是多少？7.第7題圖如圖所示，一光電管的陰極用極限波長05 000 Å的鈉制成用波長3 000

15、Å的紫外線照射陰極，光電管陽極A和陰極K之間的電勢(shì)差U2.1 V，飽和光電流的值(當(dāng)陰極K發(fā)射的電子全部到達(dá)陽極A時(shí)，電路中的電流達(dá)到最大值，稱為飽和光電流)I0.56 A.(1)求每秒鐘內(nèi)由K極發(fā)射的光電子數(shù)目；(2)求電子到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能；(3)如果電勢(shì)差U不變，而照射光的強(qiáng)度增到原來的三倍，此時(shí)電子到達(dá)A極時(shí)最大動(dòng)能是多大？(普朗克常量h6.63×1034 J·s)第58講光的粒子性光的波動(dòng)性知識(shí)整合基礎(chǔ)自測(cè)一、1.電磁波溫度2.反射絕對(duì)黑體3.頻率普朗克常量波長真空中的光速二、1.光電子2.(1)等于或大于極限頻率(2)頻率(3)瞬時(shí)(4)強(qiáng)度3.(1

16、)振幅(2)瞬時(shí)4.光子三、1.粒子波動(dòng)2.波動(dòng)粒子3.波動(dòng)性粒子性四、重點(diǎn)闡述【典型例題1】 用一束紫外線照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是() A改用頻率更小的紫外線照射 B改用X射線照射 C改用強(qiáng)度更大的原紫外線照射 D延長原紫外線的照射時(shí)間【答案】B【解析】 每一種金屬對(duì)應(yīng)一個(gè)極限頻率，低于極限頻率的光，無論照射時(shí)間有多長，光的強(qiáng)度有多大，都不能使金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，只要照射光的頻率大于極限頻率，就能產(chǎn)生光電效應(yīng)因?yàn)閄射線的頻率高于紫外線的頻率，所以改用X射線照射可能發(fā)生光電效應(yīng)，B選項(xiàng)正確變式訓(xùn)練1BD【解析】 按照愛因斯坦的光子說，光的能量是由光的頻率決定

17、的，與光強(qiáng)無關(guān)，入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大但要使電子離開金屬須使電子具有足夠的動(dòng)能，而電子增加的動(dòng)能只能來源于照射光的光子能量，但電子只能吸收一個(gè)光子，不能吸收多個(gè)光子，否則即使光的頻率低，照射時(shí)間足夠長，也會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)電子從金屬逸出時(shí)只有從金屬表面外逃出的電子克服原子核的引力所做的功最小【典型例題2】如圖所示，當(dāng)電鍵S斷開時(shí)，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零合上電鍵，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零(1)求此時(shí)光電子的最大初動(dòng)能的大小

18、(2)求該陰極材料的逸出功【答案】(1)0.6 eV(2)1.9 eV【解析】 設(shè)用光子能量為2.5 eV的光照射時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能為Ek，陰極材料逸出功為W0，當(dāng)反向電壓達(dá)到U0.60 V以后，具有最大初動(dòng)能的光電子達(dá)不到陽極，因此eUEk由光電效應(yīng)方程得：EkhW0由以上兩式得：Ek0.6 eV，W01.9 eV.【點(diǎn)評(píng)】應(yīng)用光電效應(yīng)方程時(shí)的注意事項(xiàng)(1)每種金屬都有一個(gè)截止頻率，光頻率大于這個(gè)截止頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)(2)截止頻率是發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率，對(duì)應(yīng)著光的極限波長和金屬的逸出功，即h0hW0.(3)應(yīng)用光電效應(yīng)方程EkhW0時(shí)，注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1 eV1.6

19、×1019J)變式訓(xùn)練2C【解析】 當(dāng)用頻率為1的光照射光電管的陰極時(shí)，發(fā)生光電效應(yīng)，在U1作用下，具有最大初動(dòng)能的光電子也沒能到達(dá)陽極，則由動(dòng)能定理有EkmmveU1，則vm，選項(xiàng)A正確；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkmhW0知，當(dāng)用頻率為1的光照射時(shí)有W0h1Ekmh1eU1，選項(xiàng)B正確；用頻率分別為1和2的光照射時(shí)，有Ek1eU1h1W0，Ek2eU2h2W0，聯(lián)立可得h，選項(xiàng)D正確；由W0hc和W0h1eU1知，陰極K的極限頻率c1，代入h得c，顯然選項(xiàng)C錯(cuò)誤故不正確的是選項(xiàng)C.【典型例題3】 在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是() A使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，如果時(shí)

20、間足夠長，底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣 B單個(gè)光子通過單縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣 C光子通過單縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏 D單個(gè)光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性【答案】AD【解析】 根據(jù)光的波粒二象性易知，A、D正確，B、C錯(cuò)誤變式訓(xùn)練3CD【解析】根據(jù)光是概率波的理論，一個(gè)光子通過單縫落在何處，是不確定的，但落在中央明條紋區(qū)域的概率最大，也有可能落在其他亮條紋和暗條紋處，但落在暗條紋處的概率極小隨堂演練1.AD【解析】 本題考查對(duì)光電效應(yīng)的產(chǎn)生和規(guī)律的理解只有當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，且光電子的最大初動(dòng)能mv2h

21、W只取決于頻率，與光的強(qiáng)度無關(guān)A、D正確，B、C錯(cuò)誤2.ACD【解析】 由題圖可知，隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，且輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，上述變化都將反過來，故A、C、D正確，B錯(cuò)誤3.C【解析】 本題考查物質(zhì)波知識(shí)及數(shù)量級(jí)估算能力由得p，而EkJ4.0×1021J.4.(1)C(2)減小光電子從金屬表面逸出過程中要受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)【解析】 (1)由愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0和動(dòng)能定理eUc0Ek可得Uc，遏止電壓Uc與入射光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)無關(guān)由發(fā)生光電效應(yīng)的規(guī)律可知，光電流與光的強(qiáng)度有關(guān)，光越強(qiáng)，光電流越強(qiáng)，所以選項(xiàng)C正確(2)鈉金屬中的電子吸收光子的能量，從金屬表面逸出，由于光電子在從金屬表面逸出過程中，要受到金屬表面層中力的阻礙作用(或需要克服逸出功)，所以在光電子從金屬表面逸出的過程中，其能量減小5.5.0×10146.4×1034【解析】 光電子的最大初動(dòng)能Ek與遏止電Uc的關(guān)系為EkeUc