江蘇專用2025版高考物理新增分大一輪復習第十一章動量近代物理第3講光電效應波粒二象性講義含解析

PAGEPAGE14第3講光電效應波粒二象性一、普朗克能量子假說黑體與黑體輻射1.黑體與黑體輻射(1)黑體：假如某種物體能夠完全汲取入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射，這種物體就是肯定黑體.(2)黑體輻射：輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)，如圖1所示.圖12.普朗克能量子假說當帶電微粒輻射或汲取能量時，是以最小能量值為單位一份一份地輻射或汲取的，這個最小能量值ε叫做能量子.ε＝hν.二、光電效應及其規(guī)律1.光電效應現(xiàn)象在光的照耀下，金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，放射出來的電子叫光電子.2.光電效應的產(chǎn)生條件入射光的頻率大于等于金屬的極限頻率.3.光電效應規(guī)律(1)每種金屬都有一個極限頻率，入射光的頻率必需大于等于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應.(2)光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大.(3)光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9s.(4)當入射光的頻率大于等于極限頻率時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比.4.愛因斯坦光電效應方程(1)光子說：光的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量ε＝hν.(2)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值.(3)最大初動能：發(fā)生光電效應時，金屬表面上的電子汲取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)光電效應方程①表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.②物理意義：金屬表面的電子汲取一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能Ek.自測1(多選)如圖2所示，用導線把驗電器與鋅板相連接，當用紫外線照耀鋅板時，發(fā)生的現(xiàn)象是()圖2A.有光子從鋅板逸出B.有電子從鋅板逸出C.驗電器指針張開一個角度D.鋅板帶負電答案BC三、光的波粒二象性物質(zhì)波1.光的波粒二象性(1)波動性：光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性.(2)粒子性：光電效應、康普頓效應說明光具有粒子性.(3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性.2.物質(zhì)波(1)概率波光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波.(2)物質(zhì)波任何一個運動著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都有一種波與它對應，其波長λ＝eq\f(h,p)，p為運動物體的動量，h為普朗克常量.自測2有關(guān)光的本性，下列說法正確的是()A.光既具有波動性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B.光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質(zhì)點C.大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性D.由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種性質(zhì)去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性答案D命題點一光電效應的試驗規(guī)律1.對光電效應的四點提示(1)能否發(fā)生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率.(2)光電效應中的“光”不是特指可見光，也包括不行見光.(3)逸出功的大小由金屬本身確定，與入射光無關(guān).(4)光電子不是光子，而是電子.2.光電效應的探討思路(1)兩條線索：(2)兩條對應關(guān)系：eq\x(光強大)→eq\x(光子數(shù)目多)→eq\x(放射光電子多)→eq\x(光電流大)eq\x(光子頻率高)→eq\x(光子能量大)→eq\x(光電子的最大初動能大)例1(多選)在光電效應試驗中，用頻率為ν的光照耀光電管陰極，發(fā)生了光電效應，下列說法正確的是()A.增大入射光的強度，光電流增大B.減小入射光的強度，光電效應現(xiàn)象消逝C.改用頻率小于ν的光照耀，肯定不發(fā)生光電效應D.改用頻率大于ν的光照耀，光電子的最大初動能變大答案AD解析增大入射光強度，單位時間內(nèi)照耀到單位面積上的光子數(shù)增加，則單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加，則光電流增大，故選項A正確；光電效應是否發(fā)生取決于入射光的頻率，而與入射光的強度無關(guān)，故選項B錯誤；用頻率為ν的光照耀光電管陰極，發(fā)生光電效應，用頻率較小的光照耀時，若光的頻率仍大于等于極限頻率，則仍會發(fā)生光電效應，故選項C錯誤；依據(jù)hν－W0＝Ek可知，增大入射光頻率，光電子的最大初動能也增大，故選項D正確.變式1(多選)(2024·蘇錫常鎮(zhèn)四市調(diào)研)圖3是探討光電效應的試驗裝置，用肯定頻率的光照耀陰極K，當滑片P處于圖示位置時，電流表的示數(shù)不為零.為使電流表示數(shù)減小，下列方法可行的是()圖3A.將滑片P向右移動 B.減小入射光的強度C.換用電動勢更大的電源 D.將電源的正、負極對調(diào)答案BD命題點二光電效應方程的理解與應用三個關(guān)系1.愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0.2.光電子的最大初動能Ek可以利用光電管用試驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓.3.光電效應方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關(guān)系是W0＝hνc.例2(2024·江蘇單科·12C(2))光電效應試驗中，用波長為λ0的單色光A照耀某金屬板時，剛好有光電子從金屬表面逸出.當波長為eq\f(λ0,2)的單色光B照耀該金屬板時，光電子的最大初動能為，A、B兩種光子的動量之比為.(已知普朗克常量為h，光速為c)答案eq\f(hc,λ0)1∶2解析依據(jù)光電效應方程Ek＝hν－W0，又ν＝eq\f(c,λ)，所以有0＝eq\f(hc,λ0)－W0，Ek＝eq\f(2hc,λ0)－W0，解得Ek＝eq\f(hc,λ0)，又光子動量p＝eq\f(h,λ)，所以A、B兩種光子的動量之比為1∶2.變式2(2024·南京市三模)如圖4所示，當開關(guān)K斷開時，用光子能量為2.8eV的一束光照耀陰器，發(fā)覺當電壓表讀數(shù)小于0.70V時，電流表讀數(shù)仍不為零；當電壓表讀數(shù)大于或等于0.70V時，電流表讀數(shù)為零.由此可知陰極材料的逸出功為eV；若將照耀到陰極P上的該光的照耀強度變?yōu)樵瓉淼?倍，則遏止電壓為V.圖4答案2.10.70命題點三光電效應的圖象問題四類圖象圖象名稱圖線形態(tài)由圖線干脆(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的肯定值，W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸交點的橫坐標②飽和光電流Im1、Im2：電流的最大值③最大初動能：Ekm＝eUc顏色不同時，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：圖線與橫軸交點的橫坐標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.(注：此時兩極之間接反向電壓)例3(2024·南通市、泰州市一模)利用如圖5甲所示電路探討光電效應中金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系，描繪出圖乙中的圖象，由此算出普朗克常量h.圖乙中U1、ν1、ν0均已知，電子電荷量用e表示.當入射光的頻率增大時，為了測定遏止電壓，滑動變阻器的滑片P應向(選填“M”或“N”)端移動，由Uc－ν圖象可求得普朗克常量h＝(用題中字母表示).圖5答案Neq\f(eU1,ν1－ν0)變式3(2024·鹽城市三模)光照耀某金屬產(chǎn)生光電效應時，試驗測得光電子最大初動能與照耀光頻率的圖象如圖6所示，其中圖線與橫軸交點的橫坐標為5.5×1014Hz.用一束波長范圍為4.0×10－7～9.0×10－7m的可見光照耀該金屬時，則光電子的最大初動能J.(已知普朗克常量為h＝6.6×10－34J·s)圖6答案1.32×10－19J解析由題知，該金屬的極限頻率ν0＝5.5×1014Hz，又c＝λν，則Ekm＝hν－h(huán)ν0＝heq\f(c,λ)－h(huán)ν0＝1.32×10－19J命題點四光的波粒二象性物質(zhì)波光既有波動性，又有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機的統(tǒng)一體，其表現(xiàn)規(guī)律為：(1)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.(2)從頻率上看：頻率越低波動性越顯著，越簡單看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，貫穿本事越強，越不簡單看到光的干涉和衍射現(xiàn)象.(3)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)為粒子性.(4)波動性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量E＝hν、光子的動量表達式p＝eq\f(h,λ)也可以看出，光的波動性和粒子性并不沖突：表示粒子性的能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ.(5)理解光的波粒二象性時不行把光當成宏觀概念中的波，也不行把光當成宏觀概念中的粒子.例4(2024·蘇錫常鎮(zhèn)二模)一種發(fā)光器，能發(fā)出頻率為ν、功率為P的高純度和高亮度的光，當該光垂直照耀到某純黑物體表面時能被完全汲取.已知真空中光速為c，普朗克常量為h，則該光發(fā)出的光子的動量為，純黑物體受到該光的壓力為.答案eq\f(hν,c)eq\f(P,c)變式4(2024·南通市等七市三模)我國安排在南京建立國際領(lǐng)先的大科學工程裝置——“強流高亮度超導質(zhì)子源”.超導直線加速器將質(zhì)子加速至0.9倍光速以上，加速過程中，質(zhì)子的能量增加，則質(zhì)子的質(zhì)量(選填“增大”“不變”或“減小”)，其物質(zhì)波波長(選填“增大”“不變”或“減小”).答案增大減小1.(2024·揚州中學下學期開學考)如圖7所示，在演示光電效應的試驗中，原來不帶電的一塊鋅板與靈敏驗電器相連，用弧光燈照耀鋅板時，驗電器的指針就張開一個角度，如圖所示，這時()圖7A.金屬內(nèi)的每個電子可以汲取一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬B.鋅板帶正電，指針帶正電C.鋅板帶負電，指針帶正電D.若僅減弱照耀光的強度，則可能不再有光電子飛出答案B2.(多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有()A.光電效應現(xiàn)象揭示了光的粒子性B.熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動性C.黑體輻射的試驗規(guī)律可用光的波動性說明D.動能相等的質(zhì)子和電子，它們的德布羅意波長也相等答案AB解析光電效應說明光的粒子性，所以A正確；熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣，即運動的實物粒子具有波的特性，即說明中子具有波動性，所以B正確；黑體輻射的試驗規(guī)律說明電磁輻射具有量子化，即黑體輻射是不連續(xù)的、一份一份的，所以黑體輻射的試驗規(guī)律可用光的粒子性說明，所以C錯誤；依據(jù)德布羅意波長公式λ＝eq\f(h,p)，p2＝2mEk，又質(zhì)子的質(zhì)量大于電子的質(zhì)量，所以動能相等的質(zhì)子和電子，質(zhì)子的德布羅意波長較短，所以D錯誤.3.(2024·鹽城中學4月檢測)用如圖8所示電路探討光電效應規(guī)律，圖中標有A和K的為光電管，其中K為陰極，A為陽極，志向電流計可檢測通過光電管的電流，志向電壓表用來指示光電管兩端的電壓.現(xiàn)接通電源，用光子能量為10.5eV的光照耀陰極K，電流計中有示數(shù)，若將滑動變阻器的滑片P緩慢向右滑動，電流計的讀數(shù)漸漸減小，當滑至某一位置時電流計的讀數(shù)恰好為零，讀出此時電壓表的示數(shù)為6.0V；現(xiàn)保持滑片P位置不變，光電管陰極材料的逸出功為，若此時增大入射光的強度，電流計的讀數(shù)(填“為零”或“不為零”).圖8答案4.5eV為零4.(2024·如皋市期初)用如圖9甲所示的裝置探討光電效應現(xiàn)象.閉合開關(guān)S，用頻率為ν的光照耀光電管時發(fā)生了光電效應.圖乙是該光電管發(fā)生光電效應時間電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象，圖線與橫軸的交點坐標為(a,0)，與縱軸的交點坐標為(0，－b)，下列說法中正確的是()圖9A.普朗克常量為h＝eq\f(a,b)B.斷開開關(guān)S后，電流表G的示數(shù)不為零C.僅增加照耀光的強度，光電子的最大初動能將增大D.保持照耀光強度不變，僅提高照耀光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變答案B解析依據(jù)Ek＝hν－W0得，Ek－ν圖象的斜率表示普朗克常量，故h＝eq\f(b,a)，故A錯誤；開關(guān)S斷開后，因光電效應現(xiàn)象中，光電子存在最大初動能，因此電流表G的示數(shù)不為零，故B正確；依據(jù)光電效應方程可知，光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，與光的強度無關(guān)，故C錯誤；若保持照耀光強度不變，僅提高照耀光頻率，則光子數(shù)目減小，那么電流表G的示數(shù)會減小，故D錯誤.5.(2024·江蘇單科·12C(2))已知光速為c，普朗克常數(shù)為h，則頻率為ν的光子的動量為，用該頻率的光垂直照耀平面鏡，光被鏡面全部垂直反射回去，則光子在反射前后動量變更量的大小為.答案eq\f(hν,c)eq\f(2hν,c)解析光子的動量p＝eq\f(h,λ)＝eq\f(hν,c)，取光入射的方向為正方向，則光子動量的變更量為Δp＝－p－p＝－eq\f(2hν,c).1.(2024·徐州三中月考)用光照耀某種金屬，有光電子從金屬表面逸出，假如光的頻率不變，而減弱光的強度，則()A.逸出的光電子數(shù)削減，光電子的最大初動能不變B.逸出的光電子數(shù)削減，光電子的最大初動能減小C.逸出的光電子數(shù)不變，光電子的最大初動能減小D.光的強度減弱到某一數(shù)值，就沒有光電子逸出了答案A解析光的頻率不變，表示光子能量不變，光的強度減弱，仍會有光電子從該金屬表面逸出，逸出的光電子的最大初動能也不變，逸出的光電子數(shù)削減，選項A正確，B、C、D錯誤.2.(2024·黃橋中學模擬)在光電效應試驗中，飛飛同學用同一光電管在不同試驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖1所示.則可推斷出()圖1A.甲光的頻率大于乙光的頻率B.乙光的波長大于丙光的波長C.乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率D.甲光的強度等于乙光的強度答案B解析由于是同一光電管，因而不論對哪種光，截止頻率和金屬的逸出功均相同，由題圖可知，甲、乙兩種光的遏止電壓相同，因而頻率相同，且甲光的強度大于乙光的強度，故A、C、D錯誤；由題圖可知，丙光的遏止電壓較大，因而丙光的頻率較高，波長較短，故B正確.

3.(多選)用如圖2所示的光電管探討光電效應，用某種頻率的單色光a照耀光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn).而用另一頻率的單色光b照耀光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么()圖2A.a光的頻率肯定大于b光的頻率B.只增加a光的強度可使通過電流計G的電流增大C.增加b光的強度可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)D.用a光照耀光電管陰極K時通過電流計G的電流是由d到c答案AB4.(多選)在光電效應試驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照耀到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為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，則肯定有Ua＜UbB.若νa＞νb，則肯定有Eka＞EkbC.若Ua＜Ub，則肯定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，則肯定有hνa－Eka＞hνb－Ekb答案BC解析由愛因斯坦光電效應方程得，Ekm＝hν－W0，由動能定理得，Ekm＝eU，用a、b單色光照耀同種金屬時，逸出功W0相同.當νa＞νb時，肯定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故選項A錯誤，B正確；若Ua＜Ub，則肯定有Eka＜Ekb，故選項C正確；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故選項D錯誤.5.(2024·江蘇省高考壓軸沖刺卷)質(zhì)量為m的粒子原來的速度為v，現(xiàn)將粒子的速度增大為2v，則該粒子的物質(zhì)波的波長將(粒子的質(zhì)量保持不變)()A.保持不變B.變?yōu)樵瓉聿ㄩL的4倍C.變?yōu)樵瓉聿ㄩL的一半D.變?yōu)樵瓉聿ㄩL的2倍答案C解析由題意可知，粒子速度為v時，λ1＝eq\f(h,mv)；粒子速度為2v時，λ2＝eq\f(h,2mv)，則λ2＝eq\f(1,2)λ1，故選C.6.(2024·其次次全國大聯(lián)考(江蘇卷))在探討光電效應中入射光的頻率、強弱與光電子放射狀況的試驗中，發(fā)覺光電流與電壓的關(guān)系如圖3所示，由圖可知，(選填“甲”或“乙”)光的頻率高，(選填“甲”或“丙”)光的強度大.圖3答案乙甲解析依據(jù)光電效應方程，可得光電子的最大初動能為Ek＝hν－W0，頻率越高，則最大初動能越大，遏止電壓越高，由Uc1大于Uc2，可得乙光的頻率高；發(fā)生光電效應時，光照強度越強，光電流越大，由題圖知，甲光的強度大.7.(2024·江蘇百校12月大聯(lián)考)光照耀金屬產(chǎn)生光電效應時，試驗測得光電子的最大初動能與照耀光頻率的圖象如圖4所示，其中圖線與橫軸交點坐標為ν0，則該金屬的逸出功為.用一束波長范圍為λ1～λ2(λ1<λ2)的光照耀該金屬時發(fā)生光電效應，則光電子的最大初動能為(已知普朗克常量為h，光在真空中傳播速度為c).圖4答案hν0heq\f(c,λ1)－h(huán)ν08.(2024·江蘇省高考壓軸卷)小明用金屬銣為陰極的光電管觀測光電效應現(xiàn)象，試驗裝置示意圖如圖5甲所示.已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s.圖5(1)圖甲中電極A為光電管的.(填“陰極”或“陽極”)；(2)試驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝Hz，逸出功W0＝J；(3)假如試驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝J.答案(1)陽極(2)5.15(5.12～5.18)×10143.41(3.39～3.43)×10－19(3)1.23(1.21～1.25)×10－19解析(1)電路圖為利用光電管產(chǎn)