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文檔簡介
第55講光電效應(yīng)及波粒二象性
——劃重點(diǎn)之精細(xì)講義系列
篦座V航"
考點(diǎn)1普朗克黑體輻射理論
考點(diǎn)2光電效應(yīng)的理解
考點(diǎn)3光電效應(yīng)方程及圖象的理解
考點(diǎn)4氫原子光譜和波爾的原子模型
考點(diǎn)5光及實(shí)物粒子的波粒二象性
貴基楣的識勤軍疝
一.黑體與黑體輻射
1.黑體與黑體輻射
(1)黑體定義:一般物體在熱輻射的同時還會吸收和反射外界射來的電磁波.如果某種物體能夠
完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射,這種物體就叫作黑體,或稱絕對黑體。
(2)黑體輻射特點(diǎn):黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān).
2.能量子:
(1)定義:振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值£的整數(shù)倍.例如,可能是£或2£、
3e……這個不可再分的最小能量值e叫作能量子.這些能量子后來被叫作光子。
(2)公式:£=/",其中V是電磁波的頻率,力是一個常量,后人稱之為普朗克常量,其值為〃
=6.62607015X10-34J?s,通常取)=6.63X10-34J?s.
二.光電效應(yīng)及其規(guī)律
1.光電效應(yīng)現(xiàn)象
在光的照射下,金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象,發(fā)射出來的電子叫光電子.
2.光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件
入射光的頻率大于金屬的極限頻率(截止頻率).
3.光電效應(yīng)規(guī)律
(1)每種金屬都有一個極限頻率(截止頻率),入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光
電效應(yīng).
(2)光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān),只隨入射光頻率的增大而增大.
(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的,一般不超過10-9s.
(4)當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時,飽和光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比.
三.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,每一份叫做一個光子,光子的能量€=
2.逸出功Wo:電子從金屬中逸出所需做功的最小值.
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.
4.光電效應(yīng)方程
⑴表達(dá)式:%v=Ek+Wo或Ek=/iv-Wo.
(2)物理意義:金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是〃v,這些能量的一部分用來克服金屬
的逸出功Wo,剩下的表現(xiàn)為遞出后電子的最大初動能.
四.氫原子光譜
氫原子光譜線是最早被發(fā)現(xiàn)、研究的光譜線,這些光譜線可用一個統(tǒng)一的巴爾末公式表示:
1c/11、/、
I=RJ2r-^)(n=3,4,5,……)
說明:①巴耳末公式適用于可見光區(qū)的譜線;②凡0叫作里德伯常量,實(shí)驗(yàn)測得凡0=1.10義107m_,;
③“只能取不小于3的整數(shù),氫原子光譜的波長只能取分立值.
五.玻爾的原子模型
(1)玻爾理論
①軌道假設(shè):原子中的電子在庫侖引力的作用下,繞原子核做圓周運(yùn)動,電子繞核運(yùn)動的可能
軌道是不連續(xù)的;
②定態(tài)假設(shè):電子在不同的軌道上運(yùn)動時,原子處于不同的狀態(tài).因而具有不同的能量,即原
子的能量是不連續(xù)的.這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)稱為定態(tài),在各個定態(tài)中,處于基態(tài)的原子是
穩(wěn)定的,不向外輻射能量;
③躍遷假設(shè):原子從一個能量狀態(tài)向另一個能量狀態(tài)躍遷時要放出或吸收一定頻率的光子,光
子的能量等于這兩個狀態(tài)的能量差,即hv=Em—En.
(2)幾個概念
①能級:在玻爾理論中,原子各個狀態(tài)的能量值;
②基態(tài):原子能量最低的狀態(tài);
③激發(fā)態(tài):在原子能量狀態(tài)中除基態(tài)之外的其他能量較高的狀態(tài);
④量子數(shù):原子的狀態(tài)是不連續(xù)的,用于表示原子狀態(tài)的正整數(shù).
(3)氫原子的能級和軌道半徑
①氫原子的半徑公式:r?=n2ri(w=1,2,3?...),其中八為基態(tài)半徑,ri=O.53xlO-lom;
②氫原子的能級公式:及=去£1(〃=1,2,3,…),其中Ei為基態(tài)能量,£i=-13.6eV.
六、光的波粒二象性
1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性.
2.光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性.
3.光既具有波動性,又具有粒子性,稱為光的波粒二象性.
而考點(diǎn)剖析理重點(diǎn)
考點(diǎn)1:普朗克黑體輻射理論
1.黑體與黑體輻射
①一般物體都或多或少會反射各種波長的電磁波,因而其熱輻射情況既與溫度有關(guān),又與材料
種類及其表面狀況有關(guān),而黑體的熱輻射只與溫度有關(guān),可見只有黑體輻射反映的是物體本身熱輻
射與溫度的關(guān)系,所以在研究熱輻射規(guī)律時,人們特別注意對黑體輻射的研究.
②黑體全部吸收外來電磁波而不向外反射,但是向外輻射自身的電磁波.
③黑體指的是在任何溫度下都能全部吸收任何波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體,黑體本身也
能向外輻射電磁波,并非在任何溫度下都呈黑色,只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是
黑色.影響黑體輻射強(qiáng)度分布的唯一因素是黑體的溫度,與其他任何因素?zé)o關(guān)。
④黑體是一種理想模型,絕對的黑體實(shí)際上是不存在的,但可以用某裝置近似地代替.如圖所示,
如果在一個空腔壁上開一個小孔,那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會發(fā)生多次反射和吸收,最
終不能從空腔射出.這個小孔可近似成一個絕對黑體.
2.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
輻
射
強(qiáng)1700K
度
1500K
//;'300K
■I/111
寸小7土1100K
02Jim4gm波長
黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
甲
(1)任何溫度下黑體都會同時輻射各種波長的電磁波;
(2)隨著溫度的升高,黑體輻射不同波長的電磁波的強(qiáng)度都有所增加;
(3)隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動.
3.能量的量子化
在微觀世界中能量不能連續(xù)變化,只能取分立值,這種現(xiàn)象叫作能量的量子化.
物體在輻射或吸收能量的時候,只能從某一狀態(tài)“飛躍”地過渡到另一狀態(tài),而不可能停
留在不符合這些能量的任何一個中間狀態(tài)
在宏觀尺度內(nèi)研究物體的能量變化時,我們可以認(rèn)為物體的能量變化是連續(xù)的,不必考慮
量子化.
?_含
【考向1】(2024?湖北黃石?三模)維恩位移定律是熱輻射的基本定律之一,是指在一定溫度下,絕
對黑體的溫度與輻射強(qiáng)度最大值相對應(yīng)的波長7的乘積為一常數(shù)。公式表達(dá)為KTMh其中6=
2.898x10-3m-K,將太陽看作絕對黑體,測得其單色輻射度在4m=550nm處有極大值,由此計(jì)算
太陽表面溫度約為()
A.4800KB.5300K
C.5500KD.5573K
【答案】B
【詳解】根據(jù)題意,由維恩位移定律有
M=b
解得
T?5300K
故選B。
【考向2】人們認(rèn)識量子論的第一步始于對黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋,下圖畫出了7\、心兩種溫度
下黑體的輻射強(qiáng)度與其輻射光波長的關(guān)系,下列說法正確的是()
輻
射
強(qiáng)
度
B.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)
C.隨著溫度升高,波長短的輻射強(qiáng)度增大,波長長的輻射強(qiáng)度減小
D.愛因斯坦提出的能量子假說很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
【答案】B
【詳解】A.對于黑體輻射,溫度越高,輻射強(qiáng)度越強(qiáng),且極大值向著波長較短的方向移動,因此
根據(jù)圖像可知,71>72,故A錯誤;
B.黑體輻射隨著波長越短、溫度越高則輻射越強(qiáng),所以黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與
黑體的溫度有關(guān),故B正確;
C.隨著溫度升高,各種波長的輻射強(qiáng)度均增大有增加,但輻射強(qiáng)度的極大值向著波長較短的方向
移動,故C錯誤;
D.普朗克提出了能量子假說并根據(jù)能量子假說很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,破除了“能量是
連續(xù)變化的“傳統(tǒng)觀念,故D錯誤。
故選B。
【考向3】關(guān)于熱輻射,下列說法正確的是()
A.只有高溫物體才輻射電磁波
B.物體輻射電磁波的情況只與溫度有關(guān)
C.黑體的熱輻射實(shí)質(zhì)上是電磁輻射
D.黑體不能完全吸收入射的各種波長的電磁波
【答案】C
【詳解】A.自然界任意物體都向外輻射電磁波,溫度越高,輻射電磁波的本領(lǐng)越強(qiáng),A錯誤;
B.一般物體輻射電磁波與溫度、表面情況、材料有關(guān),黑體輻射的電磁波只與溫度有關(guān),B錯誤;
C.黑體輻射的實(shí)質(zhì)是電磁輻射,C正確;
D.能完全吸收入射的各種波長的電磁波的理想物體叫作黑體,D錯誤。
故選C。
【考向4】(多選)下列有關(guān)黑體和黑體輻射的說法中正確的是()
A.黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射
B.能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫做黑體
C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布與它的溫度、材料的種類及表面狀況有關(guān)
D.黑體的溫度升高時可以輻射出任何頻率的電磁波(包括可見光和不可見光)
【答案】ABD
【詳解】A.黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射,故A正確;
B.能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體叫做黑體,故B正確;
C.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與它的溫度有關(guān),故C錯誤;
D.黑體輻射的強(qiáng)度與溫度有關(guān),溫度越高,黑體輻射的強(qiáng)度越大,隨著溫度升高,可以輻射出任
何頻率的電磁波,故D正確。
故選ABDo
而考點(diǎn)剖新理重點(diǎn)
考點(diǎn)2:光電效應(yīng)的理解
1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究
(1)光電管: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在受到光照時能夠發(fā)
射光電子,這個密封裝置叫作光電管,如圖甲,光電管的形狀可以是長方體也可以是球體,光電管
接在電路中相當(dāng)于一個光控開關(guān)。
(2)研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn):如圖乙所示,加在陰極K與陽極A之間電壓的大小可以調(diào)節(jié),電源
的正負(fù)極也可以對調(diào).
①a.正向電壓:當(dāng)Si閉合、S2斷開時,陽極A接在電源正極,陰極K接在電源負(fù)極,在陽極和
陰極之間的空間產(chǎn)生由陽極指向陰極的電場,光電管陰極產(chǎn)生的光電子受到指向陽極的電場力作用
而向陽極加速運(yùn)動,這時加在光電管上的電壓叫正向電壓;
b.反向電壓:當(dāng)Si斷開、S2閉合時,所加電壓為反向電壓,光電子向陽極做減速運(yùn)動
②調(diào)節(jié)電壓大小:當(dāng)滑動變阻器的滑片向右滑動時,加在光電管兩端的電壓(不管是正向電壓還
是反向電壓)增大,向左滑動時加在光電管兩端的電壓減小.
③測量光電流大小:有光電子從陰極K射出并能夠運(yùn)動到陽極A,光電管中會形成電流,這個電
流就叫光電流,電流表的示數(shù)就是光電流的大小.
(3)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論
①存在飽和電流7m:當(dāng)正向電壓U增加到一定值之后,光電流達(dá)到飽和值Im.這是因?yàn)閱挝粫r間
內(nèi)從陰極K射出的光電子全部到達(dá)陽極A.若單位時間內(nèi)從陰極K上逸出的光電子數(shù)目為“,則飽和
電流Im=ne,式中e為電子的電荷量.
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:入射光越強(qiáng),飽和電流越大,單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子越多,如圖甲所示.
②光電子具有初動能:當(dāng)電壓。減小到零時,光電流/并沒有減小至零,也就是說電子仍然能
夠自發(fā)地運(yùn)動到陽極4,這就表明從陰極K逸出的光電子具有初動能.
③存在遏止電壓:反向電壓為上時,恰好能阻止所有的光電子運(yùn)動到陽極A,使光電流減小到
零,這個反向電壓叫遏止電壓.利用動能定理來確定光電子的最大初速度%和遏止電壓的關(guān)系為
工機(jī)=e。,.在用相同頻率、不同強(qiáng)度的光去照射陰極K時,得到的/-U曲線如圖甲所示.這說明
2
相同頻率、不同強(qiáng)度的光所產(chǎn)生的光電子的最大初動能(遏止電壓)是相同的.
Uc/V或EJJ
/
相同頻率、不同強(qiáng)度不同頻率的光照射陽極
的光照射陰極
甲乙
④存在截止頻率(極限頻率):當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值Vc時,光電流消失,這表明已經(jīng)沒
有光電子了,Vc稱為截止頻率或極限頻率.這就是說,當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不發(fā)生光電效
應(yīng),如圖乙所示.截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān).
2.對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋
對應(yīng)規(guī)律對規(guī)律的產(chǎn)生的解釋
電子吸收光子能量后,一部分克服原子核引力做功,剩余部分轉(zhuǎn)化
光電子的最大初動能隨著為光電子的初動能,只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大
入射光頻率的增大而增初動能,對于確定的金屬,逸出功Wo是一定的,故光電子的最大
大,與入射光強(qiáng)度無關(guān)初動能只隨入射光的頻率增大而增大,但并不是正比關(guān)系,而是線
性關(guān)系。
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
光電效應(yīng)具有瞬時性
要能量積累的過程,發(fā)生的時間一般不超過109s
光較強(qiáng)時,包含的光子數(shù)較多,照射金屬時產(chǎn)生的光電子較多,因
光較強(qiáng)時飽和電流大
而飽和電流較大
入射光的頻率必須大于截任何一種金屬都有一個截止頻率,入射光頻率必須大于這個頻率才
止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)能讓電子逸出。
3.光電效應(yīng)中的幾個概念比較
(1)光子與光電子
光子指光在空間傳播時的每一份能量,光子不帶電;光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來
的電子,其本質(zhì)是電子.
(2)光電子的動能與光電子的最大初動能
光照射到金屬表面時,電子吸收光子的全部能量,可能向各個方向運(yùn)動,需克服原子核和其他
原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時,
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)光的強(qiáng)弱與飽和光電流
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.
△劃重點(diǎn)(?)
(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)能否發(fā)生光電效應(yīng),不取決于光的強(qiáng)度,而是取決于光的頻率.只要照射光的頻率大于該金
屬的極限頻率,無論照射光強(qiáng)弱,均能發(fā)生光電效應(yīng)
(3)加正向電壓的目的:放大實(shí)驗(yàn)效果。光束照在陰極K,電路中電流很小,加正向電壓后,大量
電子在電場力的作用下向陽極運(yùn)動,形成較大電流。
(4)光電流的方向從陽極A流向陰極K,跟兩端電壓是正向電壓還是反向電壓無關(guān).
(5)入射光的強(qiáng)度是指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量;入射光的強(qiáng)度等于單位
時間內(nèi)照射到單位面積上的光子的能量與光子數(shù)的乘積:①同種光子,數(shù)量越多,光強(qiáng)越大.②不同
光子的光強(qiáng)相同時,光子的頻率越大,單個光子的能量越大,光子數(shù)量越少。
(6)金屬越活潑,逸出功越小,越容易發(fā)生光電效應(yīng).
|劃重點(diǎn),
一念
【考向5】(2024.福建漳州.三模)光電效應(yīng)在自動化控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如圖所示的光電控
制報(bào)警電路中,某一頻率的光束照射到光電管,光電管產(chǎn)生光電效應(yīng),與光電管連接的電路有電流,
電磁鐵產(chǎn)生磁場,會吸引報(bào)警電路中的開關(guān)斷開,從而實(shí)現(xiàn)自動控制。則()
光電管
電源
光電控制報(bào)警電路示意圖
A.任意頻率的光照射到光電管上,只要光照時間足夠長就能產(chǎn)生光電流
B.對于光電管來說,入射光波長必須大于某一極限值,才能產(chǎn)生光電效應(yīng)
C.該頻率的光照射光電管,光的強(qiáng)度越強(qiáng),單位時間內(nèi)逸出的電子數(shù)越少
D.當(dāng)物體從光源和光電管間通過時,擋住光束,使報(bào)警電路中的開關(guān)閉合
【答案】D
【詳解】AB.當(dāng)入射光的頻率大于金屬的截止頻率時就會有光電子從金屬中逸出,發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)
象,并且不需要時間的積累,瞬間就可以發(fā)生,故AB錯誤;
C.該頻率的光照射光電管,光的強(qiáng)度越強(qiáng),單位時間內(nèi)射到金屬表面上的光子數(shù)增大,單位時間
內(nèi)逸出的電子數(shù)增加,故C錯誤;
D.當(dāng)物體從光源和光電管間通過時,擋住光束,光電效應(yīng)現(xiàn)象消失,與光電管連接的電路沒有電
流,電磁鐵不產(chǎn)生磁場,報(bào)警電路中的開關(guān)閉合,故D正確。
故選D。
【考向6】(2024.廣東湛江.二模)光伏發(fā)電是提供清潔能源的方式之一,光伏發(fā)電的原理是光電效
應(yīng)。演示光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示,。、氏C三種光照射光電管得到的三條電流表與電壓表
示數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖乙所示,下列說法正確的是()
A.若人光為綠光,則。光可能是紫光
B.。光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能一定小于6光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能
C.單位時間內(nèi)。光照射光電管發(fā)出的光電子比c光照射光電管發(fā)出的光電子少
D.若用強(qiáng)度相同的a、6光照射該光電管,則單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)相等
【答案】B
【詳解】A.由光電效應(yīng)方程
E^=hv—Wo
及
eU=&
解得
eU=hv-Wo
即光束照射同一塊金屬時只要遏止電壓一樣,入射光的頻率就一樣,遏止電壓越大,入射光的頻率
越大,可知。光和c光的頻率一樣,且均小于。光的頻率,若。光為綠光,則。光不可能是紫光,
選項(xiàng)A錯誤;
B.由題圖乙可知
Ki>Uc2
根據(jù)Ek=e4可知,a光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動能小于匕光照射光電管發(fā)出光電子的最大
初動能,選項(xiàng)B正確;
C.對于a、c兩束頻率相同的光來說,入射光越強(qiáng),單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多,則單位時間
內(nèi)。光照射光電管發(fā)出的光電子比c光照射光電管發(fā)出的光電子多,選項(xiàng)C錯誤;
D.對服6兩束不同頻率的光來說,光強(qiáng)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,因?yàn)?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)較少,即單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)較少,選項(xiàng)D錯誤。
故選B。
【考向7】如圖所示為某實(shí)驗(yàn)小組研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路圖,照射光的頻率V大于光電管陰極
K的截止頻率叫,普朗克常數(shù)為〃,閉合電鍵,調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片,下列說法正確的是()
」'——電源
A.若發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)增大,電流表的示數(shù)減小,則電源的左側(cè)為正極
B.欲測量遏止電壓來計(jì)算光電子的最大初動能,電源左側(cè)應(yīng)是正極
C.若調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表的示數(shù)剛好為零,此時電壓表的示數(shù)應(yīng)等于小
e
D.若照射光的頻率增大為2v,則逸出的光電子最大初動能增大成
【答案】D
【詳解】A.若發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)增大,電流表的示數(shù)減小,說明電源的正負(fù)極與光電效應(yīng)產(chǎn)生的
電流方向相反,則電源的左側(cè)為負(fù)極,故A錯誤;
B.欲測量遏止電壓來計(jì)算光電子的最大初動能,應(yīng)使電源的正負(fù)極與光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流方向相
反,則電源的左側(cè)為負(fù)極,故B錯誤;
C.若調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表的示數(shù)剛好為零,則此時電壓表的示數(shù)為遏止電壓,根據(jù)愛因斯坦
的光電效應(yīng)方程可得
eUc^hv-W0
且
/iVg=I4/Q
則電壓表的示數(shù)為
_hv-hv0
c-e
故C錯誤;
D.根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程可得
E*k=hv—VVQ
且
hv0=%照射光的頻率為v時,此時逸出的光電子的最大初動能為
Eg=/w-八功若照射光的頻率增大為2V,則逸出的光電子最大初動能為
穌2=2hv-八為逸出的光電子最大初動能增大hv,故D正確;
故選D。
【考向81(2024.北京海淀.一模)同學(xué)們設(shè)計(jì)的一種光電煙霧報(bào)警器的結(jié)構(gòu)和原理如圖1和圖2所
示。光源S向外發(fā)射某一特定頻率的光,發(fā)生火情時有煙霧進(jìn)入報(bào)警器內(nèi),由于煙霧對光的散射作
用,會使部分光改變方向進(jìn)入光電管C從而發(fā)生光電效應(yīng),于是有電流輸入報(bào)警系統(tǒng),電流大于就
會觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。某次實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)滑動變阻器的滑片P處于圖2所示位置、煙霧濃度增大到“
時恰好報(bào)警。假設(shè)煙霧濃度越大,單位時間內(nèi)光電管接收到的光子個數(shù)越多。已知元電荷為e,下
列說法正確的是()
A.僅將圖2中電源的正負(fù)極反接,在煙霧濃度為〃時也可能觸發(fā)報(bào)警
B.為使煙霧濃度達(dá)到1.2〃時才觸發(fā)報(bào)警,可以僅將滑片P向左移動到合適的位置
C.單位時間內(nèi)進(jìn)入光電管的光子個數(shù)為如寸,一定會觸發(fā)報(bào)警
e
D.報(bào)警器恰好報(bào)警時,將圖2中的滑片P向右移動后,警報(bào)有可能會被解除
【答案】B
【詳解】A.圖2中光電管兩端加的是正向電壓,若正負(fù)極反接則光電管兩端加負(fù)向電壓,光照強(qiáng)
度一定時,根據(jù)光電流與電壓的關(guān)系,可知接正向電壓在單位時間內(nèi)會比接負(fù)向電壓有更多光電子
到達(dá)A極,所以反接后光電流會減小,在煙霧濃度為〃時無法觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。故A錯誤;
BD.為使煙霧濃度達(dá)到1.2”時才觸發(fā)報(bào)警,就是要降低煙霧報(bào)警器的靈敏度,煙霧濃度增加時,
單位時間內(nèi)光電管接收到的光子個數(shù)增多,則要減小從K極打到A極的光電子數(shù)占產(chǎn)生總光電子數(shù)
的比例,滑片P需要向左滑動到合適位置,減小兩極間的電壓,才能達(dá)到目的。而恰好報(bào)警時將滑
片P向右移動,會增大兩極間的電壓,只可能增強(qiáng)煙霧報(bào)警器的靈敏度或保持靈敏度不變,不可能
降低報(bào)警器的靈敏度,所以不會解除警報(bào)。故B正確,D錯誤;
C.單位時間內(nèi)進(jìn)入光電管的光子個數(shù)為"時,但是可能受到兩端電壓的限制,在陰極產(chǎn)生的光電子
e
不一定全部到達(dá)A極,所以不一定能讓報(bào)警系統(tǒng)的電流達(dá)到/。,不一定能觸發(fā)報(bào)警。故C錯誤。
故選Bo
【考向9](2024?陜西?一模)如圖所示,某種材料制成太陽能電池的主體部分由P型半導(dǎo)體和N型
半導(dǎo)體結(jié)合而成。當(dāng)太陽光照射到該材料上時,材料吸收光子發(fā)生光電效應(yīng),自由電子向N型一側(cè)
移動,從而在兩端形成電勢差。已知該材料至少需要吸收波長為4的綠光才能發(fā)生光電效應(yīng),普朗克
常量為力,光速為c,則下列說法正確的是()
太陽光
A.通過負(fù)載的電流方向從上至下
B.該材料的逸出功為?
C.用光強(qiáng)更強(qiáng)的紅光照射該材料,只要照射時間足夠長,也能產(chǎn)生光電效應(yīng)
D.用光強(qiáng)相同的紫光和藍(lán)光照射該材料,藍(lán)光照射時,通過負(fù)載的電流較小
【答案】B
【詳解】A.自由電子向N型一側(cè)移動,N型半導(dǎo)體聚集負(fù)電荷,電勢更低,則通過負(fù)載的電流方
向從下至上,故A錯誤;
B.發(fā)生光電效應(yīng)時極限波長與逸出功需滿足
%=九J
A
故B正確;
C.光電效應(yīng)是否發(fā)生與入射光的頻率有關(guān),與光照時間和光照強(qiáng)度無關(guān),紅光的頻率比綠光小,
故不能發(fā)生光電效應(yīng),故C錯誤;
D.用光強(qiáng)相同的紫光和藍(lán)光照射該材料,因?yàn)樗{(lán)光頻率較小,光子能量較小,故單位時間內(nèi)到達(dá)
金屬板的光子數(shù)目較多,產(chǎn)生的光電子較多,通過負(fù)載的電流較大,故D錯誤。
故選Bo
【考向10】(多選)(2024?浙江溫州.三模)如圖為某款條形碼掃描筆的工作原理圖,發(fā)光二極管
發(fā)出的光頻率為為。將掃描筆筆口打開,在條形碼上勻速移動,遇到黑色線條光幾乎全部被吸收;
遇到白色線條光被大量反射到光電管中的金屬表面(截止頻率0.8%),產(chǎn)生光電流,如果光電流大
于某個值,會使信號處理系統(tǒng)導(dǎo)通,將條形碼變成一個個脈沖電信號。下列說法正確的是()
A.掃描筆在條形碼上移動的速度會影響相鄰脈沖電信號的時間間隔
B.頻率為小的光照到光電管的金屬表面立即產(chǎn)生光電子
C.若發(fā)光二極管發(fā)出頻率為1.21/。的光,則一定無法識別條形碼
D.若發(fā)光二極管發(fā)出頻率為0.5%的光,掃描筆緩慢移動,也能正常識別條形碼
【答案】AB
【詳解】A.根據(jù)題意,掃描筆在條形碼上移動的速度越快,鄰脈沖電信號的時間間隔越短,故A
正確;
B.頻率為功的光照到光電管發(fā)生光電效應(yīng)是瞬間的,即立刻產(chǎn)生光電子,故B正確;
C.若發(fā)光二極管發(fā)出頻率為1.2%的光,大于截止頻率,可以產(chǎn)生光電流,可以正常識別條形碼,
故C錯誤;
D.若發(fā)光二極管發(fā)出頻率為0.5%的光,小于截止頻率,無法產(chǎn)生光電流,即無法正常識別條形碼,
故D錯誤。
故選ABo
,考點(diǎn)剖析理重點(diǎn)
考點(diǎn)3:光電效應(yīng)方程及圖象的理解
1.愛因斯坦光電效應(yīng)方程
Ek=hv—Wo
hv:光子的能量
W):逸出功,即從金屬表面直接飛出的光電子克服原子核引力所做的功.
Ek:光電子的最大初動能.
2.三類圖象
圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量
①圖像方程:Ek=hv-W0
最大初動能Ek與入射②橫軸截距:截止頻率V。
光頻率V的關(guān)系圖線/③縱軸截距的絕對值:逸出功WO=|-E|=E
④圖線的斜率:普朗克常量力
①橫軸截距:遏止電壓Ucl、Uc2,遏止電壓
[一一黃光(強(qiáng))越大,入射光的頻率越大
光電流/與所加電壓U/一—一藍(lán)光②圖像漸近線:飽和電流
的關(guān)系圖像-產(chǎn)光(弱)③最大初動能Eki=eUci,&2=eUc2
④/隨所加正向電壓(U>0)的增大而增大,
j
AZ7隨所加反向電壓(。<0)的增大而減小
①圖像方程:Ue
ee
ft/c
②橫軸截距:截止頻率Vc
遏止電壓口與入射光③縱軸截距(圖像延長線與縱軸點(diǎn)):-巴
頻率V的關(guān)系圖線e
④圖線的斜率:普朗克常量力與電子電荷
量e的比值(注;此時兩極之間接反向電壓)
⑤遇止電壓Uc隨入射光頻率的增大而增大
△劃曼點(diǎn)(?)
(1)每種金屬都有一個截止頻率,光頻率大于這個截止頻率才能發(fā)生光電效應(yīng).
(2)截止頻率是發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率,對應(yīng)著光的極限波長和金屬的逸出功,即"0=%^=
Wo.
(3)應(yīng)用光電效應(yīng)方程&=〃v—Wo時,注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1eV=1.6xlO-19J).
劃重點(diǎn),
3.康普頓效應(yīng)
1.在散射的X射線中,除了與入射波長4。相同的成分外,還有波長大于40的成分,這個現(xiàn)象
稱為康普頓效應(yīng)。
2.光子說對康普頓效應(yīng)的解釋
hv電子
—o—?-—o<-------
\
碰撞前碰撞后
假定X射線的光子與電子發(fā)生完全彈性碰撞,這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似.按照愛
因斯坦的光子說,一個X射線的光子不僅具有能量e=/iv,而且還有動量.如圖所示,這個光子與靜止
的電子發(fā)生碰撞,光子把部分能量轉(zhuǎn)移給了電子,光子能量由人減小為力",因此頻率減小,波長
增大,同時,光子還使電子獲得一定的動量,這樣就圓滿地解釋了康普頓效應(yīng)。
3.光子的動量
hvch
2
推導(dǎo):由光子能量£=hv,且£=mc,動量p-me,可得hv=pcf即Q=——,又/!=—,得p=—
cvX
其中£為光子的能量,。為普朗克常量,〃為光子的動量,C為光速,V為光的頻率,2為光的波長。
△劃盤點(diǎn)(?)
(1)光子不僅具有能量,也具有動量,在與其他微粒作用過程中遵循能量守恒定律和動量守恒定
律.
(2)康普頓效應(yīng)進(jìn)一步揭示了光的粒子性,也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性。
(3)能量£和動量p是描述物質(zhì)的粒子性的重要物理量;波長X和頻率V是描述物質(zhì)的波動性的
h
典型物理量.2=hv和p=—揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系。
???
I劃重點(diǎn),
一盒
土寺向潁典;
【考向11】(2024.河北?三模)經(jīng)研究證明,光子和電子相互作用發(fā)生光電效應(yīng)還是康普頓效應(yīng),
取決于電子的“自由”度。當(dāng)光子能量和逸出功在同一數(shù)量級時,電子吸收光子,發(fā)生光電效應(yīng);當(dāng)
光子能量較大時,電子的逸出功幾乎可以忽略,可看做是“自由”的,則發(fā)生康普頓效應(yīng),下列說法
正確的是()
A.光電效應(yīng)方程是從能量守恒的角度解釋了光的粒子性
B.康普頓效應(yīng)說明光具有波動性
C.光電效應(yīng)說明了能量守恒,康普頓效應(yīng)則解釋了動量守恒,二者是矛盾的
D.金屬只要被光照射的時間足夠長,一定會發(fā)生光電效應(yīng)
【答案】A
【詳解】A.光電效應(yīng)方程是愛因斯坦根據(jù)光量子假說和能量守恒定律得到的,故A正確;
B.康普頓效應(yīng)是光子與電子的碰撞,體現(xiàn)了光的粒子性,但并未說明電子的波動性,故B錯誤;
C.根據(jù)題中說法,光電效應(yīng)是在電子自由度較小的情況下,表現(xiàn)出的吸收特性,動量并不是不守恒,
而是表現(xiàn)不出來,而康普頓效應(yīng)是基于能量較大的光子與電子的碰撞,既體現(xiàn)動量守恒又體現(xiàn)能量
守恒,二者并不矛盾,故C錯誤;
D.電子對光子的吸收并不能累積,一次只能吸收一個光子,若吸收的光子能量小于金屬逸出功,即
不能發(fā)生光電效應(yīng),故D錯誤。
故選Ao
【考向12】(2024.湖北.三模)愛因斯坦光電效應(yīng)方程成功解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。下圖中①、②兩
直線分別是金屬A、3發(fā)生光電效應(yīng)時的遏止電壓4與入射光頻率v的關(guān)系圖像,則下列說法正確的
是()
B.①、②兩直線的斜率均為4
e
C.當(dāng)用頻率為9x1014Hz的光分別照射兩金屬A、2時,A中發(fā)出光電子的最大初動能較小
D.當(dāng)入射光頻率v不變時,增大入射光的光強(qiáng),則遏止電壓4增大
【答案】B
【詳解】A.根據(jù)光電效應(yīng)方程
Ek=hv-W0
可知,當(dāng)a=0時
Wo=hv
圖像②對應(yīng)的截止頻率v大,則金屬B的逸出功大,A錯誤;
B.根據(jù)
Ek=hv-W0
U(:e=Ek
解得
hvW
Uc=-----o
ee
可知①、②兩直線的斜率均為士B正確;
e
C.當(dāng)用頻率為9x1014取的光分別照射兩金屬A、B時,圖像①對應(yīng)的遏止電壓4大,則A中飛
出光電子的最大初動能較大,C錯誤;
D.當(dāng)入射光頻率v不變時,增大入射光的光強(qiáng),遏止電壓“不變,飽和電流增大,D錯誤。
故選B。
【考向13】(2024?河北.三模)如圖甲,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在受到光照時能夠發(fā)射光電子。陰極K與陽極A之間電壓。的大小可以調(diào)整,電源的正負(fù)極也
可以對調(diào)。分別用單色光束①、②照射光電管,電流表示數(shù)/與電壓表示數(shù)U之間的關(guān)系如圖乙所
示,則以下說法正確的是()
光束窗口
圖甲圖乙
A.兩種光的光子能量關(guān)系£②>£①B.兩種光的波長關(guān)系4①>4②
C.兩種光的動量關(guān)系p②>p①D.光電子最大初動能關(guān)系區(qū)①>為②
【答案】D
【詳解】A.用單色光束①、②照射光電管,設(shè)遏止電壓是外,由動能定理可得
eUc==hv—Wo
可知對同一光電管逸出功生一定,遏止電壓越大,則照射光的頻率越大,由題圖乙可知4①>U您,
可知單色光束①的頻率大于②,即有v①>v②,由光子的能量公式e=hv,則有£②<£①,A錯誤;
B.單色光束①的頻率大于②,由波長與頻率的關(guān)系式4=(可知,兩種光的波長關(guān)系;I①<4②,B
錯誤;
C.由光子的動量公式p=4可知,有2①<4②,兩種光的動量關(guān)系「①>p②,C錯誤;
D.由光電效應(yīng)方程&=hv-%,由于v①>v②,逸出功以相同,可知光電子最大初動能關(guān)系穌①>
Ek②,D正確。
故選D。
【考向14】(多選)(2023?江西南昌?二模)在研究.、6兩種金屬發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中,得
到從金屬表面逸出光電子最大初動能員與入射光頻率v之間的關(guān)系如圖中直線①②所示。已知〃為
普朗克常量,則()
A.圖中直線①②的斜率均為'
e
B.金屬。的逸出功小于金屬b的逸出功
C.在得到這兩條直線時,必須保證入射光的光強(qiáng)相同
D.若產(chǎn)生的光電子具有相同的最大初動能,則照射到金屬6的光頻率較高
【答案】BD
【詳解】A.由光電效應(yīng)方程有
Ek—hv—Wo
可知,v的斜率均為h,故A錯誤;
BD.由光電效應(yīng)方程有
Ek=hv—Wo
圖線與縱軸的截距的絕對值表示金屬的逸出功,則金屬。的逸出功小于金屬。的逸出功,若產(chǎn)生的
光電子具有相同的最大初動能,則照射到金屬6的光頻率較高,故BD正確;
C.由光電效應(yīng)方程有
Ek=hv-Wo
可知,在得到這兩條直線時,必須保證入射光的光強(qiáng)無關(guān),故C錯誤;
D.
故選BDo
【考向15】(多選)(2024.遼寧遼陽?一模)研究光電效應(yīng)中遏止電壓、光電流大小與照射光的頻
率及強(qiáng)弱等物理量關(guān)系的電路如圖甲所示。圖中陽極A和陰極K間的電壓大小可調(diào),電源的正負(fù)極
也可以對調(diào)。分別用。、b、c三束單色光照射陰極K,調(diào)節(jié)A、K間的電壓U的大小,得到光電流
/與電壓。的關(guān)系如圖乙所示。已知電子的電荷量為e,則下列說法正確的是()
甲乙
A.單色光。的頻率等于單色光6的頻率
B.單色光a的頻率大于單色光c的頻率
C.單色光。的強(qiáng)度大于單色光6的強(qiáng)度
D.單色光c與單色光a的光子能量之差為(41-Uc2)e
【答案】AD
【詳解】A.由圖像可知,單色光ab的截止電壓相等,根據(jù)
1
/0=2巾喝=歷/一卬逸出功
可知,單色光a的頻率等于單色光b的頻率,選項(xiàng)A正確;
B.單色光。的截止電壓小于單色光c的截止電壓,根據(jù)
46=]m啕=/^一/逸出功
可知,單色光。的頻率小于單色光c的頻率,選項(xiàng)B錯誤;
C.單色光。的飽和光電流小于方的飽和光電流,可知單色光。的強(qiáng)度小于單色光6的強(qiáng)度,選項(xiàng)C
錯誤;
D.根據(jù)
1
%e=2m嚙i=hv-"逸出功
可知
Ucle=hvc-W逸出功
Uc2e=hva-W逸出功
單色光c與單色光a的光子能量之差為
△E=hvc-hva=(J7C1-Uc2)e
選項(xiàng)D正確。
故選ADo
【考向16](多選)太陽能電池板是利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備,如圖所示是研究制作
電池板的材料發(fā)生光電效應(yīng)的電路圖。用波長為4的光照射陰極K,保持滑動變阻器的下滑片不動,
調(diào)節(jié)滑動變阻器的上滑片P,測得流過靈敏電流計(jì)的電流/與AK之間的電勢差UAK滿足如圖乙所示
的規(guī)律,已知電子的電荷量大小為e,陰極材料的逸出功為%,下列說法正確的是()
A.用圖甲實(shí)驗(yàn)電路研究光電效應(yīng),要測量遏止電壓,滑片P應(yīng)向a端滑動
B.將滑動變阻器的滑片P由。端向右移動的過程中電流/逐漸增大
C.若用波長為0.54的光照射陰極K,則遏止電壓將變?yōu)?4+學(xué)
D.不改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL,只增加入射光的光照強(qiáng)度,飽和電流卻會變大
【答案】CD
【詳解】A.滑動變阻器中電流由。到匕電勢逐漸降低,要測量遏止電壓應(yīng)使P處于低電勢所以要
將P滑到右側(cè),故A錯誤;
B.左側(cè)電勢高,當(dāng)滑片P向左滑動時,電流/逐漸增大,故B錯誤;
C.由光電效應(yīng)方程
he
—=W+Ekm=Wo+
A.0
當(dāng)波長為0.52時,有
he,,
==%+E'km=%+U'e
U.JA
得
Wo+U'ce=2W0+2Uce
則
,W
uc=-^o+2Uc
故C正確;
D.不改變波長,只改變光照強(qiáng)度,相當(dāng)于只增加了單位時間內(nèi)的光子個數(shù),則單位時間逸出的光
電子的個數(shù)增加,飽和電流增加,故D正確。
故選CD?
,考點(diǎn)粗(析理重點(diǎn)
考點(diǎn)4:氫原子光譜和波爾的原子模型
1.線狀譜和連續(xù)譜的比較
比較光譜產(chǎn)生條件光譜形式能否用于光譜分析
線狀譜(原子稀薄氣體等發(fā)光形成的光一些不連續(xù)的亮線組成,不
可以
特征譜線)譜同原子的特征譜線不同
熾熱的固體、液體和高壓氣連續(xù)分布,一切波長的光都
連續(xù)譜不可以
體發(fā)光形成的光譜有
2.光譜分析
(1)由于每種原子都有自己的特征譜線,可以利用它來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分,這種方
法稱為光譜分析.它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,樣本中一種元素的含量達(dá)到1013kg時就可以被檢測到.
(2)原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,所以光譜分析也可以用于探索原子的結(jié)構(gòu)。
(3)同種元素的吸收光譜與線狀譜是一一對應(yīng)的,光譜分析可用吸收光譜,也可用線狀譜,連續(xù)
譜不能用于光譜分析,光譜分析只能用特征譜線來分析.
3.氫原子光譜特點(diǎn)
①不連續(xù),只由亮線組成;
②不同色,每種顏色對應(yīng)一種波長;
③不等距,相鄰兩種光的波長間距不同.
△劃重點(diǎn)(?)
(1)許多情況下光是由原子內(nèi)部電子的運(yùn)動產(chǎn)生的,因此光譜研究是探索原子結(jié)構(gòu)的一條重要途
徑。
(2)巴耳末公式的意義:以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜,即輻射波長的分立特征。
(3)除了巴耳末系,氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他語線也都滿足與巴耳末公式類似的關(guān)系
劃重點(diǎn),
4.氫原子能級及能級躍遷
a.對氫原子的能級圖的理解
(1)氫原子的能級圖(如下圖).
“8E/eV
5二0
4=-0.54
3--0.85
—1.51
2-T------:1----------------------------3.4
1*--------------------------------------13.6
。.氫原子能級圖的意義:
①能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)——定態(tài).
②橫線左端的數(shù)字“1,2,3…”表示量子數(shù),右端的數(shù)字“一13.6,-3.4…”表示氫原子的能級.
③相鄰橫線間的距離不相等,表示相鄰的能級差不等,量子數(shù)越大,相鄰的能級差越小.
④帶箭頭的豎線表示原子由較高能級向較低能級躍遷,原子躍遷頻率條件(輻射條件)為:hv
-Em-En.
C.關(guān)于能級躍遷的規(guī)律
(1)能級之間躍遷時放出的光子頻率是不連續(xù)的.
(2)能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由加=E?,一&求得.若求波長可由公式c=%
求得.
(3)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(〃一1);一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條
數(shù)的兩種求解方法.①用數(shù)學(xué)中的組合知識求解:N=C:=n(nT).
(4)使原子發(fā)生能級躍遷的兩種粒子:①光子:原子若是吸收光子的能量而被激發(fā),則光子的能
量必須等于兩能級的能量差,大于或小于兩能級的能量差都不能被吸收.②實(shí)物粒子:原子還可以由
于實(shí)物粒子的撞擊而被激發(fā),只栗入射粒子的能量大于或等于兩能級的能量差,原子只吸收恰為兩
能級間能量差的部分,從而可使原子發(fā)生能級躍遷.
(5)當(dāng)光子能量大于或等于13.6eV時,也可以被處于基態(tài)的氫原子吸收,使氫原子電離;當(dāng)處
于基態(tài)的氫原子吸收的光子能量大于13.6eV,氫原子電離后,電子具有一定的初動能.
(2)當(dāng)軌道半徑減小時,庫侖引力做正功,原子的電勢能減小,電子動能增大,原子能量減小,
反之.軌道半徑增大時,原子電勢能增大、電子動能減小,原子能量增大.
?___±
口向潁螭P
【考向171(2024.廣東汕頭.二模)掃描隧道顯微鏡讓人類對原子有了直觀的感受,下列關(guān)于原子
結(jié)構(gòu)的說法正確的是()
A.玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說認(rèn)為核外電子可在任意軌道上運(yùn)動
B.a粒子散射實(shí)驗(yàn)中,絕大多數(shù)a粒子發(fā)生了大角度散射
C.原子光譜是線狀譜,不同原子的光譜可能相同
D.氫原子在激發(fā)態(tài)自發(fā)躍遷時,氫原子能量減少
【答案】D
【詳解】A.玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說認(rèn)為核外電子的軌道是量子化的,電子只能在特定的軌道上運(yùn)動,
故A錯
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