第1節(jié)光電效應(yīng)波粒二象性

第十五章原子物理第1節(jié)光電效應(yīng)波粒二象性目錄CONTENT立足“四層”·夯基礎(chǔ)著眼“四翼”·探考點鎖定“目標”·提素能020301Part01立足“四層”·夯基礎(chǔ)?一、光電效應(yīng)1.光電效應(yīng)現(xiàn)象：在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子稱為

光電子

?。2.光電效應(yīng)的四個規(guī)律（1）每種金屬都有一個

極限頻率

?。（2）光照射到金屬表面時，光電子的發(fā)射幾乎是

瞬時

?的。（3）光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光的

頻率

?增大而增大。（4）光電流的強度與入射光的

強度

?成正比。光電子

極限頻率

瞬時

頻率

強度

3.遏止電壓與截止頻率（1）遏止電壓Uc：使光電流減小到零的反向電壓。（2）截止頻率νc：能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的

最小

?頻率叫作該種金屬的截止頻率（又叫極限頻率）。不同的金屬對應(yīng)著不同的極限頻率。最小

二、愛因斯坦光電效應(yīng)方程1.光子說在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光的能量子，簡稱光子，光子的能量ε＝

hν

?。其中h＝6.63×10－34J·s（稱為普朗克常量）。2.逸出功W0使電子脫離某種金屬所做功的

最小值

?。3.最大初動能發(fā)生光電效應(yīng)時，金屬表面上的

電子

?吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。hν

最小值

電子

4.愛因斯坦光電效應(yīng)方程（1）表達式：Ek＝hν－

W0

?。

W0

波動

粒子

波粒二象

?如圖所示，用紫光照射鋅板時，驗電器張開一個角度。判斷下列說法的正誤。（1）紫光照射鋅板時有光電子逸出。

（

√

）（2）增大入射光的強度時，逸出的光電子初動能增大。

（

×

）（3）用綠光照射鋅板時也一定能使驗電器張開一個角度。

（

×

）（4）換用紫外線照射時也一定能使驗電器張開一個角度。

（

√

）√××√Part02著眼“四翼”·探考點?考點一

光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用

[素養(yǎng)自修類]1.[光電效應(yīng)的規(guī)律]現(xiàn)用某一光電管進行光電效應(yīng)實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是（

）A.保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流不變B.入射光的頻率變高，飽和光電流變大C.入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D.保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生解析：C

根據(jù)光電效應(yīng)實驗得出的結(jié)論：保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大，故A、B錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知，入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大，故C正確；保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，若低于截止頻率，則沒有光電流產(chǎn)生，故D錯誤。2.[愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用]在光電效應(yīng)實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確的是（

）A.若νa＞νb，則一定有Ua＜UbB.若νa＞νb，則一定有Eka＜EkbC.若Ua＜Ub，則一定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，則一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb解析：C

設(shè)該金屬的逸出功為W0，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程有Ek＝hν－W0，同種金屬的W0不變，則逸出光電子的最大初動能隨ν的增大而增大，B項錯誤；又Ek＝eU，則最大初動能與遏止電壓成正比，C項正確；根據(jù)上述有eU＝hν－W0，遏止電壓U隨ν增大而增大，A項錯誤；又有hν－Ek＝W0，W0相同，D項錯誤。?1.光電效應(yīng)的兩條對應(yīng)關(guān)系入射光強度大→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→光電子的最大初動能大。2.光電效應(yīng)的三個重要關(guān)系式（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。3.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?？键c二

光電效應(yīng)圖像的理解和應(yīng)用

[互動共研類]光電效應(yīng)的三類圖像圖像名稱圖線形狀獲取的信息最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像?（1）截止頻率（極限頻率）νc：橫軸截距；（2）逸出功W0：縱軸截距的絕對值W0＝｜－E｜＝E；（3）普朗克常量：圖像的斜率k＝h圖像名稱圖線形狀獲取的信息遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖像?（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：等于圖像的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke圖像名稱圖線形狀獲取的信息光電流I與電壓U的關(guān)系圖像（1）顏色（頻率ν）相同?（1）遏止電壓Uc：橫軸截距；（2）飽和光電流Im：光電流的最大值，而且照射光越強，Im越大；（3）最大初動能：Ek＝eUc（2）顏色（頻率ν）不同?（1）遏止電壓：Uc1＞Uc2（頻率ν越高，Uc越大）；（2）飽和光電流：光電流的最大值；（3）最大初動能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2【典例】

研究光電效應(yīng)的電路圖如圖甲所示。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，若照射光的頻率不變，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

答案

D?（1）【典例】中，若僅增大電源的電動勢，則電流表的示數(shù)一定增大嗎？解析

（1）不一定。當電流達到飽和電流時，電流表的示數(shù)就不再增大。（2）【典例】中，若僅將電源的正、負極對調(diào)，則電流表的示數(shù)一定為零嗎？解析

（2）不一定。正負極對調(diào)后，光電子做減速運動，電子若不能到達A極，則電流表的示數(shù)為零，否則就不為零。答案

見解析?1.[光電效應(yīng)的Ek－U圖像]（2021·江蘇高考）如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進行光電效應(yīng)探究，其截止頻率ν1＜ν2，保持入射光不變，則光電子到達A極時動能的最大值Ekm隨電壓U變化關(guān)系的圖像是（

）解析：C

光電管所加電壓為正向電壓，則根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知，光電子到達A極時動能的最大值Ekm＝Ue＋hν－h(huán)ν截止，可知Ekm－U圖像的斜率相同，均為e，截止頻率越大，則圖像在縱軸上的截距越小，因ν1＜ν2，則圖像C正確，A、B、D錯誤。2.[光電效應(yīng)的Uc－ν圖像]（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的實驗曲線，該實驗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)實驗測定了普朗克常量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

3.[光電效應(yīng)的I－U圖像]如圖甲所示為光電效應(yīng)實驗的電路圖，利用不同頻率的光進行光電效應(yīng)實驗，測得光電管兩極間所加電壓U與光電流I的關(guān)系如圖乙中a、b、c、d四條曲線所示。用νa、νb、νc、νd表示四種光的頻率，下列判斷正確的是

（

）A.νb＞νc＞νd＞νaB.νd＞νb＞νc＞νaC.νd＞νc＞νb＞νaD.νa＞νc＞νb＞νd

考點三

對波粒二象性、物質(zhì)波的理解

[素養(yǎng)自修類]1.[波粒二象性的理解]（2023·江蘇淮安模擬）如圖為科技小玩具光壓風車，用垂直于紙面向外的光照射抽成真空的玻璃罩內(nèi)白色和黑色風車葉片時，風車可以轉(zhuǎn)動，以下說法正確的是（

）A.只有用達到一定頻率光照射，才能使風車轉(zhuǎn)動B.俯視圖示風車是逆時針方向轉(zhuǎn)動C.該風車將光能轉(zhuǎn)化成電能D.該現(xiàn)象說明光具有波動性解析：B

光子打在黑色葉片上，光子被吸收，光子的速度幾乎減小到零，光子打在白色葉片上，光子幾乎被原速反彈回來，根據(jù)動量定理，光子對白色葉片的撞擊力大，對黑色葉片的撞擊力小，所以俯視圖示風車是逆時針方向轉(zhuǎn)動，與光頻率無關(guān)，A錯誤，B正確；該風車是將光能轉(zhuǎn)化為葉片的機械能，C錯誤；該現(xiàn)象說明光具有粒子性，D錯誤。2.[物質(zhì)波的理解]（2023·江蘇省前黃高級中學(xué)高三月考）如圖所示為證實電子波存在的實驗裝置，從F上出來的熱電子可認為初速度為零，所加的加速電壓U＝104V，電子質(zhì)量為m＝9.1×10－31kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，電子被加速后通過小孔K1和K2后入射到薄金箔上，發(fā)生衍射作用，結(jié)果在照相底片上形成同心圓明暗條紋，試計算（結(jié)果保留一位有效數(shù)字）。（1）電子經(jīng)加速后獲得的速度；

答案：（1）6.0×107m/s

（2）電子的德布羅意波長。

答案：（2）1.0×10－11m?對光的波粒二象性的理解從數(shù)量上看個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)為波動性從頻率上看頻率越低波動性越顯著，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)越強從傳播與作用上看光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)出粒子性波動性與粒子性的統(tǒng)一Part03鎖定“目標”·提素能?1.（2020·江蘇高考）“測溫槍”（學(xué)名“紅外線輻射測溫儀”）具有響應(yīng)快、非接觸和操作方便等優(yōu)點。它是根據(jù)黑體輻射規(guī)律設(shè)計出來的，能將接收到的人體熱輻射轉(zhuǎn)換成溫度顯示出來。若人體溫度升高，則人體熱輻射強度I及其極大值對應(yīng)的波長λ的變化情況是（

）A.I增大，λ增大B.I增大，λ減小C.I減小，λ增大D.I減小，λ減小解析：B

根據(jù)黑體輻射規(guī)律，可知隨溫度升高，各種波長的輻射強度都增大，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，故人體熱輻射強度I隨人體溫度的升高而增大，其極大值對應(yīng)的波長減小，B項正確。2.（2022·江蘇高考）上海光源通過電子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后（

）A.頻率減小B.波長減小C.動量減小D.速度減小

3.（2022·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＝6.63×10－34J·s。R約為（

）A.1×102mB.3×102mC.6×102mD.9×102m

4.（2023·江蘇鎮(zhèn)江高三開學(xué)考試）甲、乙兩種單色光通過同一雙縫干涉實驗裝置得到的干涉圖樣如圖所示，下列說法正確的是（

）A.同等條件下乙光比甲光衍射現(xiàn)象更明顯B.甲光光子的動量大于乙光C.兩束單色光照射同一種金屬均有光電子逸出，甲光照射后逸出的光電子最大初動能較小D.光強相同的甲乙兩光，甲光單位時間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)較少

5.（2023·江蘇鹽城二模）如圖所示，在光電效應(yīng)實驗中，小明用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線甲、乙、丙。下列說法正確的是（

）A.甲光的頻率比乙光的小B.乙光的波長比丙光的長C.甲、丙兩種光所產(chǎn)生光電子的最大初動能不同D.乙、丙兩種光照射該光電管陰極的截止頻率不同解析：A

根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程結(jié)合動能定理可知eUc＝Ek＝hν－W0，入射光的頻率越高，對應(yīng)的遏止電壓Uc越大，甲、丙光的頻率相等且比乙光的小，則甲、丙光的波長相等且比乙光的波長長，故A正確，B錯誤；甲、丙光的頻率相等，甲、丙兩種光所產(chǎn)生光電子的最大初動能相同，故C錯誤；光電管陰極的截止頻率與入射光無關(guān)，故D錯誤。6.（2023·江蘇連云港二模）2021年1月21日，科學(xué)家以高速電子束為“光源”利用冷凍電鏡首次“拍攝”到新冠病毒的3D影像，如圖所示。冷凍電鏡分辨率比光學(xué)顯微鏡高1000倍以上，可達0.2nm。不考慮相對論效應(yīng)，下列說法正確的是（

）A.冷凍電鏡的分辨率非常高，是由于電子的德布羅意波長長B.用高倍光學(xué)顯微鏡也能拍攝到新冠病毒的影像C.電子運動的速度越大，其德布羅意波的衍射能力越強D.若用相同動能的質(zhì)子代替電子，也能“拍攝”到新冠病毒的3D影像

7.

（2023·江蘇南通二模）在光電效應(yīng)實驗中，某同學(xué)用同一光電管在不同實驗條件下得到三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線（甲光、乙光、丙光），如圖所示。則（

）A.甲光的強度小于乙光的強度B.乙光的頻率大于丙光的頻率C.丙光照射時，逸出的所有光電子的物質(zhì)波波長都最短D.當電壓等于U0時，甲、乙光對應(yīng)的光電子的最大動能相等

8.用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖像如圖所示（直線與橫軸的交點坐標4.27，與縱軸交點坐標0.5）。由圖像可知下列錯誤的是（

）A.該金屬的截止頻率為4.27×1014HzB.該金屬的截止頻率為5.5×1014HzC.該圖像的斜率表示普朗克常量D.該金屬的逸出功約為1.8eV解析：B

由光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，題圖中橫軸的截距為該金屬的截止頻率，選項A正確，B錯誤；圖像的斜率表示普朗克常量h，選項C正確；該金屬的逸出功W0＝hν0＝6.63×10－34×4.27×1014

J≈1.8

eV，選項D正確。?9.（2023·江蘇省丹陽高級中學(xué)二模）某同學(xué)用如圖所示裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象，所用光源的功率相同，可輸出不同頻率的單色光，回路中的最大光電流為Im，假設(shè)發(fā)生光電效應(yīng)時一個光子能打出一個光電子，則下列最大光電流Im與光源頻率ν間的關(guān)系圖像正確的是（

）

10.（2023·江蘇鎮(zhèn)江二模）在探究光電效應(yīng)現(xiàn)象時，某同學(xué)分別用頻率為ν1、ν2的兩單色光照射密封真空管的鈉陰極，鈉陰極發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流，實驗得到了兩條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線（甲、乙），如圖所示，已知U1＝2U2，