專(zhuān)題74光電效應(yīng)與波粒二象性 （解析版）

專(zhuān)題74光電效應(yīng)與波粒二象性專(zhuān)題導(dǎo)航目錄TOC\o"1-3"\h\u?？键c(diǎn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 1考點(diǎn)拓展練習(xí) 5常考點(diǎn)歸納?？键c(diǎn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)【典例1】（多選）如圖所示為研究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)電路，電源的兩個(gè)電極分別與接線柱c、d連接．用一定頻率的單色光a照射光電管時(shí)，靈敏電流計(jì)G的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的單色光b照射該光電管時(shí)，靈敏電流計(jì)G的指針不偏轉(zhuǎn)．下列說(shuō)法正確的是（）A．a(chǎn)光的頻率一定大于b光的頻率 B．電源正極可能與接線柱c連接 C．用b光照射光電管時(shí)，一定沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng) D．若增加b光的強(qiáng)度，則靈敏電流計(jì)G的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) E．若靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則電流方向一定是由e→G→f解：AB、由于電源的接法不知道，所以有兩種情況：①c接負(fù)極，d接正極：用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計(jì)G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，知a光頻率大于金屬的極限頻率。用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時(shí)，電流計(jì)G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，知b光的頻率小于金屬的極限頻率，所以a光的頻率一定大于b光的頻率。②c接正極，d接負(fù)極：用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計(jì)G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，知a光產(chǎn)生的光電子能到達(dá)負(fù)極d端。用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時(shí)，電流計(jì)G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有兩種可能的情況，情況一：b光不能產(chǎn)生光電子，情況二：b光產(chǎn)生的光電子不能到達(dá)負(fù)極d端，所以a光產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能大，所以a光的頻率一定大于b光的頻率。故A、B正確。C、由以上的分析可知，不能判斷出用b光照射光電管時(shí)，一定沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng)，故C錯(cuò)誤。D、若增加b光的強(qiáng)度，并不改變b光產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能，靈敏電流計(jì)G的指針不偏轉(zhuǎn)，故D錯(cuò)誤。E、電流的方向與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反，若靈敏電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則電流方向一定是由e→G→f，故E正確。【典例2】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X射線照射 B．改用紅外線照射 C．延長(zhǎng)該紫外線的照射時(shí)間 D．改用強(qiáng)度更大的紫外線照射解：用一束紫外線照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，知紫外線的頻率小于金屬的極限頻率，要能發(fā)生光電效應(yīng)，需改用頻率更大的光照射（如X射線）。能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度和照射時(shí)間無(wú)關(guān)。故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。【技巧點(diǎn)撥】一．光電效應(yīng)的典型規(guī)律（1）截止頻率ν0=W0/h，截止頻率與材料有關(guān)。（2）僅當(dāng)入射光頻率ν>ν0（截止頻率）時(shí)才發(fā)生光電效應(yīng)，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)（3）當(dāng)hν0<W0時(shí)，電子不能脫離金屬，因而沒(méi)有光電流產(chǎn)生。（4）光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，幾乎立即就有光電子逸出。二．四類(lèi)圖象圖象名稱(chēng)圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc②逸出功：圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點(diǎn)②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動(dòng)能：Ekm＝eUc顏色不同時(shí)，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動(dòng)能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2=遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點(diǎn)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量的乘積，即h＝ke.(注：此時(shí)兩極之間接反向電壓)三．光的頻率與光強(qiáng)的區(qū)別四．光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)和研究思路(1)光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是金屬中的電子獲得能量后逸出金屬表面，從而使金屬帶上正電。(2)兩條研究線索：(3)兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系：光強(qiáng)大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大。五．光電效應(yīng)規(guī)律的“四點(diǎn)”理解(1).放不放光電子，看入射光的最低頻率.(2).放多少光電子，看光的強(qiáng)度.(3).光電子的最大初動(dòng)能大小，看入射光的頻率.(4).要放光電子，瞬時(shí)放.六．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)象證明光具有波動(dòng)性。(2)光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性。(3)光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，稱(chēng)為光的波粒二象性。2．物質(zhì)波(1)概率波：光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動(dòng)遵守波動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達(dá)概率大的地方，暗條紋是光子到達(dá)概率小的地方，因此光波又叫概率波。(2)物質(zhì)波：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都有一種波與它對(duì)應(yīng)，其波長(zhǎng)λ＝eq\f(h,p)，p為運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量，h為普朗克常量?！咀兪窖菥?】關(guān)于光電效應(yīng)現(xiàn)象，下列說(shuō)法中正確的是（）A．在光電效應(yīng)現(xiàn)象中，入射光的強(qiáng)度越大，光電子的最大初動(dòng)能越大 B．在光電效應(yīng)現(xiàn)象中，光電子的最大初動(dòng)能與照射光的頻率成正比 C．對(duì)于任何一種金屬都存在一個(gè)“最大波長(zhǎng)”，入射光的波長(zhǎng)必須小于此波長(zhǎng)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng) D．對(duì)于某種金屬，只要入射光的強(qiáng)度足夠大，就會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)解：AD、只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，當(dāng)入射頻率越高時(shí)，則光電子的最大初動(dòng)能越大，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。故AD錯(cuò)誤。B、根據(jù)光電效應(yīng)方程Ekm＝hv﹣W0，入射光的頻率越大，光電子的最大初動(dòng)能越大，但光電子的最大初動(dòng)能與照射光的頻率并不成正比。故B錯(cuò)誤C、只有入射光的頻率大于金屬的極限頻率，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，而頻率越高的，波長(zhǎng)越短。故C正確?！咀兪窖菥?】（多選）在做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)出了光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖所示，由實(shí)驗(yàn)圖象可求出（）A．該金屬的逸出功 B．光電流強(qiáng)度 C．單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù) D．普朗克常量解：根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν﹣W，任何一種金屬的逸出功W一定，說(shuō)明Ek隨ν的變化而變化，且是線性關(guān)系（與y＝ax+b類(lèi)似），直線的斜率等于普朗克常量，直線與橫軸的截距OA表示Ek＝0時(shí)的頻率ν0，即為金屬的極限頻率。由Ek＝hν﹣W，Ek＝0時(shí)有hν﹣W＝0，ν0＝，縱截距代表逸出功。故AD正確?？键c(diǎn)拓展練習(xí)1．用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象．所用光子能量為2.5eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)，電流表G的示數(shù)不為零；移動(dòng)變阻器的觸點(diǎn)c，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于0.7V時(shí)，電流表示數(shù)為0，則下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．光電管陰極的逸出功為1.8eV B．電鍵S斷開(kāi)后，有電流流過(guò)電流表G C．光電子的最大初動(dòng)能為0.7eV D．改用能量為1.5eV的光子照射，電流表G也有電流，但電流較小解：A、該裝置所加的電壓為反向電壓，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于0.7V時(shí)，電流表示數(shù)為0，知道光電子點(diǎn)的最大初動(dòng)能為0.7eV，根據(jù)光電效應(yīng)方程EKm＝hγ﹣W0，W0＝1.8eV．故A、C正確。B、電鍵S斷開(kāi)后，用光子能量為2.5eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)，有光電子逸出，則有電流流過(guò)電流表。故B正確。D、改用能量為1.5eV的光子照射，由于光電子的能量小于逸出功，不能發(fā)生光電效應(yīng)，無(wú)光電流。故D錯(cuò)誤。2．關(guān)于光電效應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是（）A．極限頻率越大的金屬材料逸出功越大 B．只要光照射的時(shí)間足夠長(zhǎng)，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng) C．從金屬表面出來(lái)的光電子的最大初動(dòng)能越大，這種金屬的逸出功越小 D．入射光的光強(qiáng)一定時(shí)，頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多解：A、逸出功W＝hv0，知極限頻率越大，逸出功越大，故A正確。B、光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。故B錯(cuò)誤。C、根據(jù)光電效應(yīng)方程Ekm＝hγ﹣W0知，最大初動(dòng)能與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系，不會(huì)影響金屬的逸出功。故C錯(cuò)誤。D、入射光的光強(qiáng)一定時(shí)，頻率越高，光子的能量值越大，入射光中的光子的數(shù)目越少，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越少，故D錯(cuò)誤。3．某單色光照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下列措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是（）A．延長(zhǎng)光照時(shí)間 B．增大光的強(qiáng)度 C．換用波長(zhǎng)較短的光照射 D．換用頻率較低的光照射解：要使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，可以增大入射光的頻率（或減短入射光的波長(zhǎng)），延長(zhǎng)作用時(shí)間，增大光的強(qiáng)度都不會(huì)使金屬發(fā)生光電效應(yīng)，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確。4．用圖示裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，光陰極K與滑動(dòng)變阻器的中心抽頭c相連，當(dāng)滑動(dòng)頭P從a移到c的過(guò)程中，光電流始終為零。為了產(chǎn)生光電流，可采取的措施是（）A．增大入射光的強(qiáng)度 B．增大入射光的頻率 C．把P向a移動(dòng) D．把P從c向b移動(dòng)解：A、能否產(chǎn)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，增大入射光的強(qiáng)度，仍不能產(chǎn)生光電流。故A錯(cuò)誤。B、增大入射光的頻率，當(dāng)入射光的頻率大于金屬的極限頻率時(shí)，產(chǎn)生光電效應(yīng)，金屬有光電子發(fā)出，電路中能產(chǎn)生光電流。故B正確。C、把P向a移動(dòng)。P點(diǎn)電勢(shì)大于的c點(diǎn)電勢(shì)，光電管加上正向電壓，但不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，沒(méi)有光電流形成。故C錯(cuò)誤。D、把P從c向b移動(dòng)，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，沒(méi)有光電流形成。故D錯(cuò)誤。5．不同頻率的紫外光分別照射鎢和鋅的表面而產(chǎn)生光電效應(yīng)，可得到光電子的最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν變化的Ek﹣ν圖象。已知鎢的逸出功是3.28eV，鋅的逸出功是3.34eV，若將二者的圖線畫(huà)在同一個(gè)坐標(biāo)系中，以實(shí)線表示鎢、虛線表示鋅，則下圖中能正確反映這一過(guò)程的是（）A． B． C． D．解：由光電效應(yīng)方程知，對(duì)金屬鎢EK＝hv﹣3.28，對(duì)金屬鋅EK＝hv﹣3.34，所以圖象的斜率相同，圖線應(yīng)平行。又有W逸＝hv極，則圖線與橫軸的截距點(diǎn)越大，金屬的極限頻率越大，故A正確。6．2021年開(kāi)始實(shí)行的“十四五”規(guī)劃提出，把量子技術(shù)與人工智能和半導(dǎo)體一起列為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。技術(shù)方面，中國(guó)量子通信專(zhuān)利數(shù)超3000項(xiàng)，領(lǐng)先美國(guó)。在通往量子論的道路上，一大批物理學(xué)家做出了卓越的貢獻(xiàn)，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（）A．玻爾在1900年把能量子引入物理學(xué)，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念 B．德布羅意第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念 C．弗蘭克和赫茲利用電子轟擊汞原子，獲得了除光譜測(cè)量外用其他方法證實(shí)原子中分立能級(jí)存在的途徑，為能夠證明原子能量的量子化現(xiàn)象提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) D．普朗克大膽地把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，預(yù)言實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性解：A、普朗克在1900年把能量子引入物理學(xué)，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，故A錯(cuò)誤；B、玻爾第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念，故B錯(cuò)誤；C、弗蘭克和赫茲利用電子轟擊汞原子，獲得了除光譜測(cè)量外用其他方法證實(shí)原子中分立能級(jí)存在的途徑，為能夠證明原子能量的量子化現(xiàn)象提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，故C正確；D、德布羅意把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，預(yù)言實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，故D錯(cuò)誤。7．疫情期間，額溫槍?zhuān)t外測(cè)溫儀）成為重要的防疫裝備，其測(cè)溫原理是：任何物體都會(huì)向外發(fā)出紅外線，額溫槍通過(guò)紅外線照射到溫度傳感器，發(fā)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，間接得出溫度數(shù)據(jù)。已知人體溫正常時(shí)能輻射波長(zhǎng)為10μm的紅外光，如圖甲所示，用該紅外光照射光電管的陰極K時(shí)，電路中有光電流產(chǎn)生，該光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(zhǎng)10μm的紅外光在真空中的頻率為3×1014Hz B．由圖乙可知該光電管的陰極金屬逸出功約為0.5eV C．將圖甲中的電源反接，電流表的示數(shù)可能不為零 D．若人體溫度升高，則輻射紅外線的強(qiáng)度減弱，光電流減小解：A.波長(zhǎng)10um的紅外光在真空中的頻率為f＝，代入數(shù)據(jù)解得f＝3×1013Hz，故A錯(cuò)誤；B.由乙圖可知遏止電壓為UC＝2×10﹣2V，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν﹣W0，根據(jù)動(dòng)能定理得eUC＝Ek，兩式聯(lián)立代入數(shù)據(jù)解得W0＝0.1eV，故B錯(cuò)誤；C.將圖甲中的電源反接，根據(jù)乙圖，反向電壓低于遏止電壓，即低于0.02V時(shí)，電流表的示數(shù)不為零，故C正確；D.若人體溫度升高，則輻射紅外線的強(qiáng)度增大，逸出的光電子的個(gè)數(shù)增加，光電流增大，故D錯(cuò)誤。8．1921年，愛(ài)因斯坦因光電效應(yīng)的研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的研究推動(dòng)了量子力學(xué)的發(fā)展。如圖所示為研究光電效應(yīng)的裝置，當(dāng)分別利用波長(zhǎng)為2λ、λ的單色光照射鋅板時(shí)，從鋅板表面逸出的光電子的最大初速度之比為1：3，電流計(jì)的示數(shù)均不為零。已知單色光在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則（）A．鋅板的逸出功為 B．鋅板的極限頻率為 C．用波長(zhǎng)為2λ的光照射鋅板時(shí)，電流計(jì)的示數(shù)較大 D．用波長(zhǎng)為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時(shí)，二者遏止電壓之比為1：3解：AB.根據(jù)c＝λf和光電效應(yīng)方程可知＝﹣hν0，＝﹣hν0，且逸出功W0＝hν0，三式聯(lián)立可解得鋅板的極限頻率ν0＝，逸出功W0＝，故B正確，A錯(cuò)誤；C.因用兩種光照射都能發(fā)生光電效應(yīng)，但是兩種光的強(qiáng)度關(guān)系不確定，則單位時(shí)間逸出光電子的數(shù)量不確定，不能比較光電流的大小關(guān)系，故C錯(cuò)誤；D.用波長(zhǎng)為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時(shí)，因eUC＝Ek，因光電子最大初速度之比為1：3，則最大初動(dòng)能之比為1：9，則二者遏止電壓之比為1：9，故D錯(cuò)誤。9．（多選）如圖在研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)用一定頻率的A單色光照射光電管時(shí)，電流表指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而用另一頻率的B單色光照射時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)（）A．A光的頻率大于B光的頻率 B．B光的頻率大于A光的頻率 C．用A光照射光電管時(shí)流過(guò)電流表G的電流方向是a流向b D．用A光照射光電管時(shí)流過(guò)電流表G的電流方向是b流向a解：A、因?yàn)锳色光照射能發(fā)生光電效應(yīng)，B色光照射不能發(fā)生光電效應(yīng)，則A光的頻率大于B光的頻率。故A正確，B錯(cuò)誤。C、發(fā)出的光電子從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極，則流過(guò)電流表的電流方向?yàn)閍流向b。故C正確，D錯(cuò)誤。10．（多選）在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，飛飛同學(xué)用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲（甲光、乙光，丙光），如圖所示，則可判斷出（）A．甲光的頻率等于乙光的頻率 B．乙光的波長(zhǎng)大于丙光的波長(zhǎng) C．乙光對(duì)應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率 D．甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能小于丙光的光電子最大初動(dòng)能解：A、根據(jù)eU截＝hγ﹣W0可知入射光的頻率越高，對(duì)應(yīng)的截止電壓U截越大。甲光、乙光的截止電壓相等，所以甲光、乙光的頻率相等；故A正確。B、丙光的截止電壓大于乙光的截止電壓，所以丙光的頻率大于乙光的頻率，則乙光的波長(zhǎng)大于丙光的波長(zhǎng)；故B正確。C、丙的頻率最大，甲乙頻率相同，且均小于丙的頻率，故C錯(cuò)誤。D、丙光的截止電壓大于甲光的截止電壓，所以甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能小于丙光的光電子最大初動(dòng)能。故D正確。11．（多選）愛(ài)因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理