高考物理系統(tǒng)性復習 (要點歸納+夯實基礎練) 第一節(jié) 光電效應和波粒二象性（附解析）

第一節(jié)光電效應和波粒二象性【要點歸納】一、黑體與黑體輻射1．黑體：是指能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體．2．黑體(1)定義：如果某種物體在任何溫度下能夠完全吸收射入的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是黑體．實際上黑體只是一種理想情況，如在一個空腔壁上開一個很小的孔，那么射入小孔的電磁波在空腔內表面發(fā)生多次反射和吸收，最終不能從空腔射出，這個小孔就形成一個絕對黑體，如圖所示．黑體看上去不一定是黑色的，只有當自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的；有些可看做黑體的物體，由于有較強的輻射，看起來還是很明亮，如太陽等一些發(fā)光物體也被當做黑體來處理．(2)黑體輻射的特點：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關．二、熱輻射(1)定義：物體在任何溫度下，都會發(fā)射電磁波，溫度不同，所發(fā)射的電磁波的頻率和強度也不同，物理學中把這種現(xiàn)象叫做熱輻射．例如：太陽、白熾燈中光的發(fā)射就屬于熱輻射．(2)特點：熱輻射強度按波長的分布情況隨物體的溫度而有所不同．用實驗來觀察熱輻射現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)熱輻射的光譜是連續(xù)光譜，并且輻射光譜的性質與溫度有關．在室溫下，大多數(shù)物體輻射不可見的紅外線，但當物體被加熱到500℃左右時，開始發(fā)出暗紅色的可見光．隨著溫度的不斷上升，輝光逐漸亮起來，而且波長較短的輻射越來越多．大約在1500℃時就變成明亮的白熾光．這說明同一物體在一定溫度下所輻射的能量，在不同光譜區(qū)域的分布是不均勻的，而且溫度越高光譜中能量最大的輻射相對應的頻率也最高．此外，在實驗中還發(fā)現(xiàn)：到一定溫度下，不同物體所輻射的光譜成分有顯著的不同．例如，將鋼加熱到約800℃時，就可以觀察到明亮的紅光，但在同一溫度下，熔化的水晶卻不輻射可見光，必須注意，熱輻射不一定要高溫，任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射．三、黑體輻射的實驗規(guī)律(1)一般材料的物體，輻射的電磁波除與溫度有關外，還與材料的種類及表面狀況有關．(2)黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，如圖所示．①隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加；②隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動．(3)一般物體的熱輻射和黑體輻射及其吸收、反射的特點熱輻射特點吸收、反射特點一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關，與材料的種類及表面狀態(tài)有關既吸收、又反射．其他能力與材料種類及入射波長等因素有關黑體輻射電磁波的強度按波長分布只與黑體的溫度有關完全吸收各種入射電磁波，不反射四、能量子1．定義：普朗克認為，帶電微粒輻射或者吸收能量時，只能輻射或吸收某個最小能量值的整數(shù)倍．即：能的輻射或者吸收只能是一份一份的．這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子．2．能量子大?。害牛絟ν，其中ν是電磁波的頻率，h是普朗克常量．h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)．3．能量的量子化在微觀世界中能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的．這種現(xiàn)象叫能量的量子化．五、粒子的波動性1．德布羅意波任何一個運動著的物體，都有一種波與它相對應，這種波叫物質波，也稱為德布羅意波．2．物質波的波長、頻率關系式：λ＝eq\f(h,p)，ν＝eq\f(ε,h).六、物質波的實驗驗證1．實驗探究思路：干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象．2．實驗驗證：1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實驗，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性．3．說明：(1)人們陸續(xù)證明了質子、中子以及原子、分子的波動性，對于這些粒子，德布羅意給出的ν＝eq\f(ε,h)和λ＝eq\f(h,p)關系同樣正確．(2)宏觀物體的質量比微觀粒子大得多，運動時的動量很大，對應的德布羅意波的波長很小，根本無法觀察到它的波動性．七、對物質波的認識與理解1．物質波的提出(1)1924年，法國巴黎大學的德布羅意，在論文中把光的波粒二象性推廣到了實物粒子，用類比的方法，從理論上預言了物質波的存在．(2)德布羅意認為：每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)系．并且指出其能量、動量跟它對應的頻率ν、波長λ的關系．ν＝eq\f(ε,h)，λ＝eq\f(h,p).2．物質波的意義：波粒二象性是微觀粒子的特殊規(guī)律，一切微觀粒子都存在波動性，宏觀的物體也存在波動性，但波長太小，無法觀測．3．對物質波的理解(1)任何物體，小到電子、質子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故．(2)德布羅意波是一種概率波，粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配，不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波．(3)德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是物質波．八、光電效應1．光電效應：在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象，發(fā)射出來的電子叫做光電子．2．光電效應的實驗規(guī)律(1)存在著飽和電流．(2)存在著遏止電壓和截止頻率．(3)光電效應具有瞬時性．九、光電效應的實驗規(guī)律(1)光電效應現(xiàn)象：19世紀末赫茲用實驗驗證了麥克斯韋的電磁場理論，明確了光的電磁說，同時赫茲也最早發(fā)現(xiàn)了光電效應現(xiàn)象。如圖所示，用弧光燈照射鋅板，與鋅板相連的驗電器就帶正電，這說明鋅板在光的照射下發(fā)射了電子。(2)光電效應的實驗規(guī)律可以用如圖所示電路研究光電效應中光電流與照射光的強弱、光的顏色(頻率)等物理量間的關系。陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，陰極K在光照射時能夠發(fā)射電子。電源加在K與A之間的電壓大小可以調整，正負極也可以對調。當電源按圖示極性連接時，陽極A吸收陰極K發(fā)出的電子，在電路中形成光電流。(1)飽和電流Im的大小與入射光的強度成正比，也就是單位時間內逸出的光電子數(shù)目與入射光的強度成正比(見圖甲)．(2)光電子的最大初動能(或遏止電壓)與入射光線的強度無關(見圖甲，圖中Io1、Io2、Io3表示入射光強度)，而只與入射光的頻率有關．頻率越高，光電子的初動能就越大(見圖乙)．(3)頻率低于νc的入射光，無論光的強度多大，照射時間多長，都不能使光電子逸出(見圖丙)．(4)光的照射和光電子的逸出幾乎是同時的，在測量的精度范圍內(<10－9s)觀察不出這兩者間存在滯后現(xiàn)象．十、愛因斯坦的光電效應方程1．光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，這些能量子被稱為光子，頻率為ν的光的能量子為hν.2．光電效應方程(1)表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.(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逸出功，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek.十一、光電效應解釋中的疑難1．逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。用W0表示，不同金屬的逸出功不同。2．截止頻率νc方程Ek＝hν－W0表明，光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν存在線性關系(如圖所示)，與光強有關。圖中橫軸上的截距是截止頻率或極限頻率，縱軸上的截距是逸出功的負值，圖線的斜率為普朗克常量。十二、康普頓效應和光子的動量1．光的散射：光在介質中與物體微粒的相互使用，使光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象．2．康普頓效應：在光的散射中，除了與入射波長相同的成分外，還有波長更長的成分．3．康普頓效應的意義：康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面．4．光子的動量(1)表達式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應中，當入射光子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉移給電子，因此有些光子散射后波長變長．十三、光的波粒二象性光既具有波動性，又具有粒子性，光具有波粒二象性。光的波動性光的粒子性實驗基礎干涉、衍射光電效應、康普頓效應含義光的波動性是光子本身的一種屬性，它不同于宏觀的波，它是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律描述：(1)足夠能量的光(大量光子)在傳播時，表現(xiàn)出波的性質。(2)頻率低，波長長的光，波動性特征顯著。粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏觀概念的粒子，但也具有動量和能量。(1)當光同物質發(fā)生作用時，表現(xiàn)出粒子的性質。(2)少量或個別光子易顯示出光的粒子性。(3)頻率高，波長短的光，粒子性特征顯著。二象性(1)光子說并沒有否定波動性，E＝hν中，ν表示光的頻率，表示了波的特征。光既具有波動性，又具有粒子性，波動性和粒子性都是光的本身屬性，只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。(2)只有用波粒二象性，才能統(tǒng)一說明光的各種行為?！竞粚嵒A練】1．(2022?高考全國乙卷)一點光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10-7m的光，在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3×1014個。普朗克常量為h=6.63×10-34Js。R約為()A．1×102m B．3×102m C．6×102mD．9×102m【解析】一個光子的能量為E=hν，ν為光的頻率，光的波長與頻率有以下關系c=λν，光源每秒發(fā)出的光子的個數(shù)為，P為光源的功率，光子以球面波的形式傳播，那么以光源為原點的球面上的光子數(shù)相同，此時距光源的距離為R處，每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3×1014個，那么此處的球面的表面積為S=4πR2，則，聯(lián)立以上各式解得R≈3×102m，故選B?！敬鸢浮緽2．(2022?遼寧省名校聯(lián)盟高三(上)9月聯(lián)考)下列關于波粒二象性和原子物理知識，表述正確的是()A．普朗克大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子，預言實物粒子也具有波動性B．重核裂變的過程出現(xiàn)質量虧損，釋放能量C．天然放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們認識到原子是可以再分的D．的半衰期約為7億年，隨著地球環(huán)境的不斷變化，其半衰期可能變短【解析】A．德布羅意把光的波粒二象性推廣到實物粒子，預言實物粒子也具有波動性，故A錯誤；B．重核裂變的過程釋放能量，質量虧損，故B正確；C．天然放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們認識到原子核是可以再分的，故C錯誤；D．半衰期的長短是由原子核內部本身的因素決定的，與原子核所處的物理、化學狀態(tài)無關，所以隨地球環(huán)境的變化，其半衰期不變，故D錯誤。故選B?！敬鸢浮緽3．(2022?江蘇省海門中學高(下)期初考試)如圖為氫原子光譜，Hα、Hβ、Hγ、Hδ是其中的四條光譜線，下列說法正確的是()A．氫原子發(fā)射光譜屬于連續(xù)光譜B．該光譜是由氫原子核的躍遷產(chǎn)生C．Hδ譜線對應光子的動量最大D．Hα譜線對應光子的能量最大【解析】A．氫原子發(fā)射光譜屬于線狀譜。A錯誤；B．該光譜由氫原子核外電子的躍遷產(chǎn)生，B錯誤；C．光子動量為，Hδ譜線波長最短，所以Hδ譜線對應光子動量最大，C正確；D．光子的能量為，Hα譜線波長最長，頻率最小，所以光子能量最小，D錯誤。故選C?！敬鸢浮緾4．(2022?遼寧省部分重點中學協(xié)作體高三(下)模擬)光電管如圖所示，用某頻率的單色光照射密封在真空管中的左側極板，發(fā)生光電效應，經(jīng)過一段時間，A、B兩端電壓保持穩(wěn)定，下列說法正確的是()A．B端電勢高于A端電勢B．若僅增大單色光的光強，A、B兩端電壓增大C．若換頻率更小的單色光照射，A、B兩端電壓可能為零D．若換頻率更大的單色光照射，A、B兩端電壓減小【解析】A．B端電勢低于A端電勢，故A錯誤；B．僅增大單色光的光強，A、B兩端電壓不變，故B錯誤；C．換頻率更小的單色光照射，入射光頻率低于極限頻率時，可能不發(fā)生光電效應，A、B兩端可能電壓為零，故C正確；D．換頻率更大的單色光照射，A、B兩端電壓增大，故D錯誤。故選C?！敬鸢浮緾5．(2022?重慶市西南大學附屬中學高三(下)全真一)某光源發(fā)出的光由不同波長的光組成，不同波長光的強度如圖所示，表中給出了三種材料的極限波長，用該光源發(fā)出的光照射表中材料()材料鈉銅鉑極限波長(nm)541268196A．僅鈉能產(chǎn)生光電子 B．僅鈉、銅能產(chǎn)生光電子C．僅銅、鉑能產(chǎn)生光電子 D．都能產(chǎn)生光電子【解析】根據(jù)愛因斯坦光電效應方程可知，只有入射光頻率大于極限頻率才能發(fā)生光電效應，根據(jù)波長、波速和頻率的關系可知，只要光源的波長小于某金屬的極限波長，就有光電子逸出，該光源發(fā)出的光的波長都有小于鈉、銅、鉑三種金屬的極限波長，都能產(chǎn)生光電子，故選D。【答案】D6．(2022?銀川一中高三(下)一模)在研究光電效應規(guī)律的試驗中，用三束光分別照射同一光電管得到三條光電流和電壓的關系圖線如圖所示，則下列說法正確的是()A．光電子的最大初動能Ek甲=Ek丙<Ek乙B．光電子的最大初動能Ek甲=Ek丙>Ek乙C．三種光的頻率關系是D．三種光的頻率關系是【解析】AB．因為，由圖可知，甲、丙對應的遏止電壓相等且小于乙光對應的遏止電壓，所以，甲光對應的光電子最大初動能與丙光相等且小于乙光對應的光電子的最大初動能，A正確、B錯誤；CD．因為是同一光電管，且有，由圖可知，甲、丙光對應的遏止電壓相等且小于乙光對應的遏止電壓，所以，甲、丙光頻率相等且小于乙光的頻率，CD錯誤。故選A。【答案】A7．(2022?遼寧省沈陽市第二中學高三(下)二模)用不同波長的紫外線分別照射兩種不同金屬的表面都產(chǎn)生了光電效應，可得到光電子的最大初動能隨入射光波長的倒數(shù)變化的圖象(如圖中甲、乙所示)已知真空中的光速為c，下列說法正確的是()A．甲圖線代表的金屬極限頻率為B．要使乙圖線對應的金屬發(fā)生光電效應，入射光的波長需要大于C．甲圖線對應金屬的逸出功為hcaD．兩圖線的斜率均為h【解析】ACD．根據(jù)光電效應方程，知兩圖線的斜率均為hc，圖線與橫軸交點對應Ek=0，即，甲圖線與橫軸交點坐標為，又W0=hν0，所以甲圖線對應金屬的逸出功為W0=hca，甲圖線代表的金屬極限頻率ν0=ca，故C正確，AD錯誤；B．根據(jù)光電效應方程，知使乙圖線對應的金屬發(fā)生光電效應的極限波長為，根據(jù)光電效應產(chǎn)生的條件知入射光的波長小于極限波長λ乙時會發(fā)生光電效應現(xiàn)象，即要使乙圖線對應的金屬發(fā)生光電效應，入射光