適用于新高考新教材廣西專版2024屆高考物理一輪總復(fù)習(xí)第15章近代物理第1節(jié)光電效應(yīng)波粒二象性課件

第1節(jié)光電效應(yīng)波粒二象性第十五章內(nèi)容索引0102強基礎(chǔ)增分策略增素能精準(zhǔn)突破【課程標(biāo)準(zhǔn)】

1.通過實驗,了解光電效應(yīng)現(xiàn)象。能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。2.知道實物粒子具有波動性,了解微觀世界的量子化現(xiàn)象。體會量子論的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響。3.了解人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子核式結(jié)構(gòu)模型。通過對氫原子光譜的分析,了解原子的能級結(jié)構(gòu)。4.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程。5.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計意義。了解放射性同位素的應(yīng)用,知道射線的危害與防護。6.認識原子核的結(jié)合能,了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響【核心素養(yǎng)】

【試題情境】

生活實踐類霓虹燈、氖管、光譜儀、原子鐘、威耳遜云室、射線測厚儀、原子彈、反應(yīng)堆與核電站、太陽、氫彈、環(huán)流器裝置等學(xué)習(xí)探索類光電效應(yīng)現(xiàn)象、愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義、光的波粒二象性、原子的核式結(jié)構(gòu)模型、氫原子光譜、原子的能級結(jié)構(gòu)、原子核的組成、核反應(yīng)方程、放射性和原子核衰變、半衰期及其統(tǒng)計意義、放射性同位素的應(yīng)用、射線的危害與防護、原子核的結(jié)合能、核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)等【考向預(yù)測】

本章內(nèi)容屬于高考考查的熱點,題型一般為選擇題,可能與其他知識結(jié)合出計算題?？疾榈木唧w內(nèi)容主要包括以下幾點:①原子的能級躍遷;②原子核的衰變規(guī)律;③核反應(yīng)方程的書寫;④質(zhì)量虧損和核能的計算;⑤三種射線的特點及應(yīng)用;⑥光電效應(yīng)的規(guī)律及應(yīng)用等。還要注意學(xué)科內(nèi)的綜合問題,比如光電效應(yīng)與帶電粒子在電場和磁場中運動的綜合,核反應(yīng)與動量的綜合等強基礎(chǔ)增分策略一、光電效應(yīng)

不是特指可見光,也包括不可見光1.定義:在光的照射下,金屬中的

從表面逸出的現(xiàn)象(逸出的電子稱為光電子)。

2.產(chǎn)生條件:入射光的頻率

截止頻率。

電子大于或等于3.光電效應(yīng)規(guī)律(1)存在著飽和電流:對于一定顏色的光,入射光越強,單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)

。

(2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電子的能量只與入射光的

有關(guān),而與入射光的

無關(guān)。當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不發(fā)生光電效應(yīng)。

(3)光電效應(yīng)具有瞬時性:當(dāng)頻率超過截止頻率時,無論入射光怎樣微弱,在照到金屬時會立即產(chǎn)生光電流,即光電效應(yīng)幾乎是瞬時發(fā)生的。越多頻率強弱二、光子說及光電效應(yīng)方程1.光子說空間傳播的光是一份一份的,每一份叫一個光子,一個光子的能量為E=hν,其中h=6.63×10-34J·s,稱為普朗克常量。2.光電效應(yīng)方程(1)表達式:光電子的最大初動能Ek與入射光光子的能量hν和逸出功W0之間的關(guān)系:Ek=

。其

中逸出功是指使某種金屬原子中的電子脫離金屬所做功的

。

(2)物理意義:金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν,這些能量一部分用于克服金屬的

,剩下的表現(xiàn)為逸出電子的

。

由金屬本身決定,與入射光無關(guān)

hν-W0

最小值逸出功初動能三、光的波粒二象性與物質(zhì)波1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有

性。

(2)光電效應(yīng)說明光具有

性。

(3)光既具有波動性,又具有粒子性,稱為光的

性。

2.物質(zhì)波(1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達概率

的地方,暗條紋是光子到達概率

的地方,因此光波又叫概率波。

(2)物質(zhì)波:任何一個運動著的物體,小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應(yīng),其波長λ=

,p為運動物體的動量,h為普朗克常量。

波動粒子波粒二象大小易錯辨析

(1)只要光照射的時間足夠長,任何金屬都能發(fā)生光電效應(yīng)。(

)(2)光電子就是光子。(

)(3)截止頻率越大的金屬材料逸出功越大。(

)(4)從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大,這種金屬的逸出功越小。(

)(5)入射光的頻率越大,逸出功越大。(

)××√××應(yīng)用提升1.(2022河南許昌期末)從古代的微粒說到托馬斯·楊和菲涅耳的光的波動說,從麥克斯韋的光的電磁理論到愛因斯坦的光子理論,人類對光的認識構(gòu)成了一部科學(xué)史詩。已知普朗克常量為h,光在真空中的速度、頻率和波長分別為c、ν和λ。根據(jù)愛因斯坦的光子理論,光子能量E等于(

)答案

B

2.光電管的原理圖如圖所示,已知當(dāng)有波長為λ0的光照到陰極K上時,電路中有光電流,則(

)A.若減小入射光強度,電路中可能沒有光電流B.若增加電路中電源電壓,電路中光電流可能先增大后不變C.若將電源極性反接,電路中一定沒有光電流產(chǎn)生D.若換用波長為λ1(λ1>λ0)的光照射陰極K,電路中一定沒有光電流答案

B解析

題目中說明已經(jīng)發(fā)生了光電效應(yīng),減小入射光強度,光電流減小,不可能沒有,選項A錯誤;增加電路中電源電壓,電路中光電流增大,當(dāng)達到飽和電流時光電流不再變化,選項B正確;若將電源極性反接,電路中不一定沒有光電流,只有當(dāng)U>Uc時才遏止住最大初動能的光電子,沒有電流產(chǎn)生,所以C錯誤;當(dāng)λ1>λ0時,可能入射光頻率仍然大于截止頻率,還可以發(fā)生光電效應(yīng),所以D錯誤。3.(多選)如圖所示,用導(dǎo)線把驗電器與鋅板相連接,已知紫外線的頻率大于鋅的截止頻率,當(dāng)用紫外線照射鋅板時,發(fā)生的現(xiàn)象是(

)A.有光子從鋅板逸出

B.有電子從鋅板逸出C.驗電器指針張開一個角度

D.鋅板帶負電答案

BC4.(2022江蘇無錫期中)下列實驗中,深入地揭示了光的粒子性的是(

)答案

A

解析

X射線被石墨散射后部分波長變長(即康普頓效應(yīng)),說明光子具有動量,深入地揭示了光的粒子性,故A正確;陰極射線通過多晶薄膜后得到的衍射圖樣,說明電子具有波動性,故B錯誤;轟擊金箔的α粒子中有少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn),說明占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分物質(zhì)集中在很小的空間范圍,進而揭示了原子具有核式結(jié)構(gòu),故C錯誤;氫原子發(fā)射的光經(jīng)三棱鏡分光后,呈現(xiàn)線狀譜,揭示了氫原子具有分立能級的特征,故D錯誤。5.(人教版教材選擇性必修第三冊P77習(xí)題改編)鋁的逸出功是4.2eV,現(xiàn)在將波長為200nm的光照射鋁的表面(結(jié)果保留一位小數(shù))。(1)求光電子的最大初動能。(2)求遏止電壓。答案

(1)2.0eV

(2)2.0V解析

(1)Ek=-W0=2.0

eV。(2)由-eUc=0-Ek,解得Uc=2.0

V。增素能精準(zhǔn)突破考點一光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用[師生共研]一、與光電效應(yīng)有關(guān)的概念對比1.光子與光電子:光子不帶電;光電子是光電效應(yīng)時發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)是電子。2.光電子的初動能與光電子的最大初動能:光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能。3.光電流和飽和光電流:金屬板飛出的光電子到達陽極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個飽和值,這個飽和值是飽和光電流。在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。4.入射光強度與光子能量:入射光強度是指單位時間內(nèi)照射到單位面積上的總能量,與光子的能量和單位時間內(nèi)光子的數(shù)目有關(guān)。5.光的強度與飽和光電流:頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng),入射光越強,飽和光電流越大。二、對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋

實驗規(guī)律理解存在截止頻率νc電子從金屬表面逸出,首先需要克服金屬原子核的引力做功W0,要使入射光子能量不小于W0,對應(yīng)的頻率νc=,即截止頻率光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大,與入射光強度無關(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)化為光電子的初動能,只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動能,對于確定的金屬,W0是一定的,故光電子的最大初動能只隨入射光頻率的增大而增大具有瞬時性光照射金屬時,電子吸收一個光子的能量后,動能立即增大,不需要能量積累的過程入射光越強,飽和光電流越大入射光越強,單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多,因而飽和光電流越大三、光電管上加正向與反向電壓情況分析(1)光電管加正向電壓時的情況①P右移時,參與導(dǎo)電的光電子數(shù)增加;②P移到某一位置時,所有逸出的光電子恰好都參與了導(dǎo)電,光電流恰好達到最大值;③P再右移時,光電流不再增大。(2)光電管加反向電壓時的情況①P右移時,參與導(dǎo)電的光電子數(shù)減少;②P移到某一位置時,所有逸出的光電子恰好都不參與導(dǎo)電,光電流恰好為0,此時光電管兩端加的電壓為遏止電壓;③P再右移時,光電流始終為0?！镜淅黄啤康淅?.如圖所示,有一束單色光入射到截止頻率為ν0的金屬板K上,具有最大初動能的某出射電子,沿垂直于平行板電容器極板的方向,從左側(cè)極板上的小孔入射到兩極板間的勻強電場,到達右側(cè)極板時速度剛好為零。已知電容器的電容為C,所帶電荷量為Q,極板間距為d,普朗克常量為h,電子電荷量的絕對值為e,不計電子的重力。關(guān)于電容器右側(cè)極板的帶電情況和入射光的頻率ν,以下判斷正確的是(

)思維點撥

根據(jù)電容的定義式求出兩板間電壓

,電子在兩板間運動時,根據(jù)動能定理得-eU=0-Ek,求出最大初動能。由W0=hν0計算出金屬的逸出功,根據(jù)光電效應(yīng)方程hν-W0=Ek求出入射光的頻率。答案

C解析

電子在電容器里面減速運動,受到向左的電場力的作用,所以電場強度方向向右,電容器右側(cè)的極板帶負電。一束單色光入射到截止頻率為ν0的金屬板K上,射出電子的最大初動能為Ek,hν-W0=Ek,hν0=W0,電子在電容器中減速運動,由動能定理得-eU=0-Ek,電容器兩極板間的電勢差為U=,根據(jù)以上各式,解得ν=ν0+,故選項C正確,選項A、B、D錯誤?？碱}點睛

考點考向點睛光電效應(yīng)光電效應(yīng)方程規(guī)律:正確理解光電效應(yīng)中的能量關(guān)系和光子、截止頻率、逸出功等概念是解決問題的關(guān)鍵方法:據(jù)光電效應(yīng)方程hν=W0+Ek及動能定理列方程分析素養(yǎng)點撥

解決本類問題主要是抓好兩個過程,一個是電子從金屬板逸出過程,根據(jù)光電效應(yīng)方程列式,另一個是電子在兩板間減速運動過程,根據(jù)動能定理列式。【對點演練】1.(2022北京昌平期末)激光制冷技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由分子動理論可知,分子或原子運動越劇烈,物體溫度越高。激光制冷的原理就是利用大量光子(光子說認為光是一份一份的,每一份為一個光子)阻礙原子運動,使其減速,從而降低物體的溫度。如圖所示,某時刻一個原子位于Oxyz坐標(biāo)系的原點,兩束完全相同的激光,沿x軸從相反的方向?qū)υ舆M行照射。根據(jù)多普勒效應(yīng),當(dāng)原子迎著光束的方向運動時,其接收到的光的頻率會升高。當(dāng)原子接收到的光的頻率等于該原子的固有頻率時,原子吸收光子的概率最大。下列說法正確的是(

)A.為使原子減速,所用激光的頻率應(yīng)等于原子的固有頻率B.為使原子減速,所用激光的頻率應(yīng)大于原子的固有頻率C.假設(shè)原子可以吸收光子,當(dāng)原子向x軸正方向運動時,a激光可使原子減速D.假設(shè)原子可以吸收光子,當(dāng)原子向x軸負方向運動時,a激光可使原子減速答案

D

解析

原子向著激光束運動時,由于多普勒效應(yīng),光子的頻率增加,而原來激光的光子的頻率剛好是略小于原子可吸收的頻率,此時由于多普勒效應(yīng)使得原子接收到的光的頻率等于該原子的固有頻率,剛好被原子吸收,原子發(fā)生躍遷,由于原子與激光束是相向運動的,原子的動量減小,動能減小,達到原子減速的目的,故A、B錯誤;當(dāng)原子向x軸正方向運動時,a激光的光子與原子碰撞之后,使原子躍遷,原子動量增大,動能增大,可使原子加速,故C錯誤;當(dāng)原子向x軸負方向運動時,a激光的光子與原子碰撞之后,使原子躍遷,原子動量減小,動能減小,可使原子減速,故D正確。2.(2022廣西河池期末)如圖所示,用一單色光照射光電管的陰極K,金屬材料K的逸出功為W0。調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P,當(dāng)靈敏電流計的示數(shù)恰好為零時,電壓表的示數(shù)為U。已知電子電荷量為e,普朗克常量為h,光在真空中的傳播速度為c,則該單色光的波長為(

)答案

A

解析

由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得Ekm=hν-W0,又Ekm=eU,c=νλ,3.我國中微子探測實驗利用光電管把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。如圖所示,A和K分別是光電管的陽極和陰極,加在A、K之間的電壓為U?，F(xiàn)用發(fā)光功率為P的激光器發(fā)出頻率為ν的光全部照射在K上,回路中形成電流。已知陰極K材料的逸出功為W0,普朗克常量為h,電子電荷量為e。(1)求光電子到達A時的最大動能Ekm。(2)若每入射N個光子會產(chǎn)生1個光電子,所有的光電子都能到達A,求回路的電流I。答案

(1)Ue+hν-W0

(2)解析

(1)根據(jù)光電效應(yīng)方程可知hν-W0=Ek0逸出的光電子在電場中加速向A運動,根據(jù)動能定理有eU=Ekm-Ek0聯(lián)立解得Ekm=eU+hν-W0?？键c二光電效應(yīng)四類圖像問題[名師破題]四類圖像

【典例突破】典例2.如圖甲所示是研究光電效應(yīng)的電路圖。某同學(xué)利用該裝置在不同實驗條件下得到了三條光電流I與A、K兩極之間的電壓UAK的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光),如圖乙所示。則下列說法正確的是(

)A.甲光照射光電管發(fā)出光電子的初動能一定小于丙光照射光電管發(fā)出光電子的初動能B.單位時間內(nèi)甲光照射光電管發(fā)出的光電子數(shù)比乙光的少C.用強度相同的甲、丙光照射該光電管,則單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)相等D.對于不同種金屬,若照射光頻率不變,則逸出光電子的最大初動能與金屬的逸出功為線性關(guān)系審題指導(dǎo)

關(guān)鍵詞句獲取信息甲光、乙光對應(yīng)的遏止電壓Uc1相同,與丙光對應(yīng)的遏止電壓Uc2不同,說明甲、乙光對應(yīng)光電子最大初動能相同,而丙光對應(yīng)光電子最大初動能與甲、乙光不同;甲、乙光對應(yīng)飽和光電流不同,說明入射光強度不同用強度相同的甲、丙光照射該光電管光強度相同是單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子的總能量相等,不同頻率的光單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子數(shù)不同對于不同種金屬,若照射光頻率不變不同金屬的逸出功不同;若照射光頻率不變,則光子的能量hν不變答案

D解析

當(dāng)光照射到K極時,如果入射光的頻率足夠大(大于K極金屬的截止頻率),就會從K極發(fā)出光電子。當(dāng)反向電壓增加到某一值時,電流表A中電流就會變?yōu)榱?此時

,式中vc表示光電子的最大初速度,e為電子的電荷量,Uc為遏止電壓,由題圖乙可知丙光的最大初動能較大,故丙光的頻率較大,但丙光照射光電管發(fā)出光電子的初動能不一定比甲光照射光電管發(fā)出光電子的初動能大,所以A錯誤。對于甲、乙兩束頻率相同的光來說,入射光越強,單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多,所以B錯誤。對甲、丙兩束不同頻率的光來說,光強度相同是單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子的總能量相等,由于丙光的光子頻率較高,每個光子的能量較大,所以單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子數(shù)就較少,所以單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)就較少,因此C錯誤。對于不同金屬,若照射光頻率不變,根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,知Ek與金屬的逸出功為線性關(guān)系,D正確?？碱}點睛

考點考向點睛光電效應(yīng)光電效應(yīng)方程及圖像規(guī)律:明確光強度、飽和電流、逸出功、最大初動能、遏止電壓等概念及它們間的制約關(guān)系方法:由hν=W0+Ek和eUc=Ekm結(jié)合光電流決定因素分析素養(yǎng)點撥

解答光電效應(yīng)有關(guān)圖像問題的三個關(guān)鍵點(1)明確圖像的種類。(2)弄清圖線的縱軸、橫軸截距的物理意義。(3)選準(zhǔn)光電效應(yīng)的有關(guān)方程?！緦c演練】4.(多選)用如圖甲所示的電路研究光電效應(yīng)中光電流與入射光的強弱、頻率等物理量的關(guān)系。圖中A、K兩極間的電壓大小可調(diào),電源的正負極也可以對調(diào),分別用a、b、c三束單色光照射,調(diào)節(jié)A、K間的電壓U,得到光電流I與電壓U的關(guān)系如圖乙所示。則(

)A.由歐姆定律可知,圖甲中電壓表的示數(shù)為零時,電流表的示數(shù)也為零B.描繪圖乙縱軸右側(cè)部分的圖像時,直流電源的左側(cè)為正極C.單色光a和c的頻率相同,a光的強度比c光的大,b光的頻率最大D.若用a、b兩束單色光分別照射某種金屬,若b光恰能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng),則a光一定不能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)答案

CD解析

由題圖乙可知,電壓表示數(shù)為零時,仍有光電流,因為光電子有初動能,A項錯誤;描繪題圖乙縱軸右側(cè)部分的圖像時,光電管兩側(cè)應(yīng)加正向電壓,直流電源的右側(cè)為正極,B項錯誤;根據(jù)入射光的頻率越大,對應(yīng)的遏止電壓越大,知b光的頻率最大,a光、c光的遏止電壓相等,a光對應(yīng)的光電流大,因此a光子數(shù)多,那么a光的強度較強,C項正確;發(fā)生光電效應(yīng),入射光的頻率必須大于金屬的截止頻率,因為a光的頻率小于b光的頻率,b光恰能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng),則a光一定不能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng),D項正確。5.用金屬鈣做光電效應(yīng)實驗時,得到的光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示。用其他金屬做實驗,得到的Ekm-ν圖線也為直線。表中列出了幾種金屬的截止頻率和逸出功,下列判斷正確的是(

)金屬鎢鈣鈉截止頻率ν0/(1014

Hz)10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金屬鎢做實驗,得到的Ekm-ν圖線的斜率比圖中直線的斜率大B.如用金屬鎢做實驗,得到的Ekm-ν圖線的斜率比圖中直線的斜率小C.如用金屬鈉做實驗,得到的Ekm-ν圖線延長線與縱軸交點的坐標(biāo)為(0,-Ek2),則Ek2>Ek1D.如用金屬鈉做實驗,得到的Ekm-ν圖線延長線與縱軸交點的坐標(biāo)為(0,-Ek2),則Ek2<Ek1答案

D解析

根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν-W0=Ekm,整理得Ekm=hν-W0,Ekm-ν圖線的斜率等于普朗克常量h,因此各種不同金屬的Ekm-ν圖線的斜率相同,A、B錯誤;Ekm-ν圖線延長線與縱軸交點的坐標(biāo)絕對值等于逸出功,則Ek1=3.20

eV,Ek2=2.29

eV,因此Ek2<Ek1,C錯誤,D正確。6.(2022河北卷)下圖是密立根