第一講 光電效應(yīng) 波粒二象性

開始逐點(diǎn)清(一)光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用(重難點(diǎn)疏通)010203目錄逐點(diǎn)清(二)光電效應(yīng)的圖像及應(yīng)用(重難點(diǎn)疏通)逐點(diǎn)清(三)對波粒二象性、物質(zhì)波的理解(基礎(chǔ)點(diǎn)速過)第十五章

原子物理第一講光電效應(yīng)波粒二象性|綱舉目張|·|精要回顧|

[微點(diǎn)判斷](1)光子和光電子都是實(shí)物粒子。

()(2)只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。

()(3)要想在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中測到光電流，入射光子的能量必須大于金屬的逸出功。

()(4)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比。

()(5)光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性。

()(6)德國物理學(xué)家普朗克提出了量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。()(7)美國物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)，證實(shí)了光的粒子性。

()××√×√×√|關(guān)鍵知能|·|升維學(xué)習(xí)|

逐點(diǎn)清(一)光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用(重難點(diǎn)疏通)1．與光電效應(yīng)有關(guān)的五組概念對比(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子。光子是因，光電子是果。(2)光電子的動能與光電子的最大初動能：只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功的情況，才具有最大初動能。(3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)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(gè)飽和值，這個(gè)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(qiáng)度與光子能量：入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量，而光子能量E＝hν。(5)光的強(qiáng)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(qiáng)，飽和光電流越大，但不是簡單的正比關(guān)系。2．光電效應(yīng)的研究思路(1)兩條線索(2)兩條對應(yīng)關(guān)系①入射光強(qiáng)度大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；②光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。3．光電效應(yīng)中三個(gè)重要關(guān)系(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動能Ek與遏止電壓Uc的關(guān)系：Ek＝eUc。(3)逸出功W0與極限頻率νc的關(guān)系：W0＝

hνc。題點(diǎn)1光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解1．像增強(qiáng)器是微光夜視儀的核心器件。像增強(qiáng)器的簡化原理如下：微光照射光電管陰極時(shí)，由于光電效應(yīng)而產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)過相同電壓加速，最后到達(dá)熒光屏上，引起熒光材料發(fā)光，形成圖像。根據(jù)以上信息和所學(xué)知識判斷下列說法正確的是

(

)A．射到光電管陰極的微光都能使陰極金屬發(fā)生光電效應(yīng)B．因?yàn)槭俏⒐?，所以發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象需要更長的時(shí)間C．同一種光使陰極發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生的光電子到達(dá)熒光屏?xí)r的動能都相等D．同一種光照射光電管，陰極材料的逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應(yīng)答案：D解析：只有當(dāng)hν>W0時(shí)，光電子才可以從金屬中逸出，即產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是微光的頻率要大于金屬的截止頻率，故A錯(cuò)誤；電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流幾乎是瞬時(shí)產(chǎn)生的，B錯(cuò)誤；同一種光使陰極發(fā)生光電效應(yīng)后，逸出光電子的最大初動能相等，但不一定所有光電子的初動能都相等，所以光電子最后到達(dá)熒光屏?xí)r的動能也不一定相等，故C錯(cuò)誤；同一種光照射光電管，陰極材料的逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應(yīng)，D正確。題點(diǎn)2光電效應(yīng)規(guī)律的研究2.(2023·昆山高三模擬)如圖所示為研究光電效應(yīng)的電路圖。開關(guān)閉合后，當(dāng)用波長為λ0的單色光照射光電管的陰極K時(shí)，電流表有示數(shù)。下列說法正確的是

(

)A．若只讓滑片P向D端移動，則電流表的示數(shù)一定增大B．若只增加該單色光的強(qiáng)度，則電流表示數(shù)一定增大C．若改用波長小于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則陰極K的逸出功變大D．若改用波長大于λ0的單色光照射光電管的陰極K，則電流表的示數(shù)一定為零答案：B

解析：電路所加電壓為正向電壓，如果電流達(dá)到飽和電流，增加電壓，電流也不會增大，故A錯(cuò)誤；只增加該單色光的強(qiáng)度，相同時(shí)間內(nèi)逸出的光子數(shù)增多，電流增大，故B正確；金屬的逸出功只與陰極材料有關(guān)，與入射光無關(guān)，故C錯(cuò)誤；改用波長大于λ0的單色光照射，雖然光子能量變小，但也有可能發(fā)生光電效應(yīng)，可能有光電流，故D錯(cuò)誤。答案：C逐點(diǎn)清(二)光電效應(yīng)的圖像及應(yīng)用(重難點(diǎn)疏通)

類型1

Ek-ν圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率(極限頻率)：橫軸截距②逸出功：縱軸截距的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h[答案]

D類型2

Uc-ν圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：橫軸截距②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即

h＝ke[例2]

(2022·河北高考)如圖是密立根于1916年發(fā)表的鈉金屬光電效應(yīng)的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實(shí)驗(yàn)曲線，該實(shí)驗(yàn)直接證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并且第一次利用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定了普朗克常量h。由圖像可知

(

)A．鈉的逸出功為hνcB．鈉的截止頻率為8.5×1014HzC．圖中直線的斜率為普朗克常量hD．遏止電壓Uc與入射光頻率ν成正比[答案]

A類型3

I-U圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系圖線①遏止電壓Uc：橫軸截距②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ek＝eUc顏色不同時(shí)，光電流與電壓的關(guān)系圖線①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2[例3]紅外測溫儀的原理是：任何物體的溫度在高于絕對零度(－273℃)時(shí)都會向外發(fā)出紅外線，有一種額溫槍通過紅外線照射到溫度傳感器，發(fā)生光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，計(jì)算出溫度數(shù)據(jù)。已知人的體溫正常時(shí)能輻射波長為10μm的紅外線，如圖甲所示，用該紅外線照射光電管的陰極K時(shí)，電路中有光電流產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)得到的電流隨電壓變化的圖像如圖乙所示，已知h＝6.63×10－34J·s，e＝1.6×10－19C，則

(

)A．波長為10μm的紅外線在真空中的頻率為3×1014HzB．將圖甲的電源反接，一定不會產(chǎn)生電信號C．由圖乙數(shù)據(jù)可知，該光電管的陰極金屬逸出功約為0.1eVD．若人體溫度升高，則輻射紅外線的強(qiáng)度減弱，光電管轉(zhuǎn)換成的光電流減小[答案]

C[例4]在研究光電效應(yīng)中電子的發(fā)射情況與照射光的強(qiáng)弱、光的顏色的關(guān)系時(shí)，將a、b、c三束光照射到同一光電管的陰極上，得到的光電流與電壓的關(guān)系如圖所示，可知

(

)A．a(chǎn)光的頻率高于c光的頻率B．c光的頻率高于b光的頻率C．單位時(shí)間內(nèi)，c光入射的光子數(shù)大于b光入射的光子數(shù)D．a(chǎn)光照射時(shí)逸出光電子的最大初動能可能比b光照射時(shí)的大[答案]

C[解析]由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得Ek＝hν－W0，其中Ek＝eUc，可以看出遏止電壓與頻率呈線性關(guān)系，頻率越大，遏止電壓越大，所以由圖像可知，a光的頻率等于c光的頻率，c光的頻率低于b光的頻率，故A、B錯(cuò)誤；由圖可得，c光對應(yīng)飽和光電流大于b光對應(yīng)的飽和光電流，因?yàn)轱柡凸怆娏髟酱螅瑔挝粫r(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多，且逸出的光電子數(shù)等于入射的光子數(shù)，所以單位時(shí)間內(nèi)c光入射的光子數(shù)大于b光入射的光子數(shù)，故C正確；因?yàn)樽畲蟪鮿幽転镋k＝eUc，所以a光照射時(shí)逸出光電子的最大初動能一定比b光照射時(shí)的小，故D錯(cuò)誤。逐點(diǎn)清(三)對波粒二象性、物質(zhì)波的理解(基礎(chǔ)點(diǎn)速過)

粒子性與康普頓效應(yīng)1．實(shí)驗(yàn)表明：光子與速度不太大的電子碰撞發(fā)生散射時(shí)，光的波長會變大或者不變，這種現(xiàn)象叫康普頓散射，該過程遵循能量守恒定律和動量守恒定律。如果電子具有足夠大的初速度，以至于在散射過程中有能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，則該散射被稱為逆康普頓散射，這一現(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。關(guān)于上述逆康普頓散射，下列說法正確的是

(

)A．康普頓效應(yīng)說明光具有波動性B．若散射前的入射光照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則散射光照射該金屬時(shí)，光電子的最大初動能將變大C．散射后電子的速度一定變大D．散射后電子的能量一定變大答案：B解析：康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，故A錯(cuò)誤；根據(jù)題意，在逆康普頓散射中，能量從電子轉(zhuǎn)移到光子，所以，散射后電子的速度和能量變小，光子的能量變大，光子的頻率變大，故C、D錯(cuò)誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，h和W0為定值，ν越大，Ek越大，因此若散射前的入射光照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，則散射光照射該金屬時(shí)，光電子的最大初動能將變大，故B正確。

對粒子性與波動性的理解2．用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，把入射光減弱到可以認(rèn)為光源和感光膠片之間不可能同時(shí)有兩個(gè)光子存在，如圖所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片。這些照片說明

(

)A．光只有粒子性沒有波動性B．光只有波動性沒有粒子性C．少量光子的運(yùn)動顯示波動性，大量光子的運(yùn)動顯示粒子性D．少量光子的運(yùn)動顯示粒子性，大量光子的運(yùn)動顯示波動性答案：D解析：光具有波粒二象性，這些照片說明少量光子的運(yùn)動顯示粒子性，大量光子的運(yùn)動顯示波動性，故D正確。

對物質(zhì)波的理解3．(2022·浙江1月選考改編)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是近代證實(shí)物質(zhì)波存在的實(shí)驗(yàn)。如圖所示，電子槍持續(xù)發(fā)射的電子動量為1.2×10－23kg·m/s，然后讓它們通過雙縫打到屏上。已知電子質(zhì)量取9.1×10－31kg，普朗克常量取6.6×10－34J·s，下列說法正確的是

(

)A．發(fā)射電子的動能約為8.0×10－15JB．發(fā)射電子的物質(zhì)波波長約為4.5×10－11mC．只有成對電子分別同時(shí)通過雙縫才能發(fā)生干涉D．如果電子是一個(gè)一個(gè)發(fā)射的，仍能得到干涉圖樣答案：D

對波粒二象性的理解4．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法錯(cuò)誤的是

(

)A．光的頻率越高，光子的能量越大，粒子性越顯著B．光的波長越長，光的能量越小，波動性越顯著C．頻率高的光子不具有波動性，波長較長的光子不具有粒子性D．個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示粒子性，大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性答案：C解析：光具有