第一节光电效应 波粒二象性.docx
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第一节光电效应波粒二象性
考试内容
要求
真题统计
命题规律
光电效应
Ⅰ
2017•卷甲•T15
2017•卷乙•T17
2017•卷丙•T19
2016·卷甲·T35
(1)
2016·卷乙·T35
(1)
2016·卷丙·T35
(1)
2015·卷Ⅰ·T35
(1)
2015·卷Ⅱ·T35
(1)
近几年高考对于光电效应、氢原子的能级结构、核反应的方程书写、核能的计算问题的考查比较频繁,试题以对基础知识的考查为主,题目难度不会太大.
由于模块35改为必考内容,预计今后的高考试题会延续以前35的命题方向和难度,综合性可能会加强一些,对原子与原子核部分的考查将以选择题的形式出现
爱因斯坦光电效应方程
Ⅰ
氢原子光谱
Ⅰ
氢原子的能级结构、能级公式
Ⅰ
原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期
Ⅰ
放射性同位素
Ⅰ
核力、核反应方程
Ⅰ
结合能、质量亏损
Ⅰ
裂变反应和聚变反应、裂变反应堆
Ⅰ
射线的危害和防护
Ⅰ
第一节 光电效应 波粒二象性
一、光电效应
1.定义:
在光的照射下从物体发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子).
2.产生条件:
入射光的频率大于极限频率.
3.光电效应规律
(1)存在着饱和电流:
对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多.
(2)存在着遏止电压和截止频率:
光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关.当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应.
(3)光电效应具有瞬时性:
当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,几乎在照到金属时立即产生光电流,时间不超过10-9s.
1.判断正误
(1)光电效应中的“光”指的是可见光.( )
(2)光子和光电子都是实物粒子.( )
(3)能否发生光电效应取决于光的强度.( )
(4)光电效应说明了光具有粒子性,证明光的波动说是错误的.( )
(5)光电子的最大初动能与入射光的频率有关.( )
(6)逸出功的大小与入射光无关.( )
提示:
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)√ (6)√
二、光电效应方程
1.基本物理量
(1)光子的能量ε=hν,其中h=6.626×10-34J·s(称为普朗克常量).
(2)逸出功:
使电子脱离某种金属所做功的最小值.
(3)最大初动能:
发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有动能的最大值.
2.光电效应方程:
Ek=hν-W0.
三、光的波粒二象性与物质波
1.光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性.
(2)光电效应说明光具有粒子性.
(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的波粒二象性.
2.物质波
(1)概率波:
光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率大的地方,暗条纹是光子到达概率小的地方,因此光波又叫概率波.
(2)物质波:
任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长λ=
,p为运动物体的动量,h为普朗克常量.
2.(多选)(高考广东卷)在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是( )
A.增大入射光的强度,光电流增大
B.减小入射光的强度,光电效应现象消失
C.改用频率小于ν的光照射,一定不发生光电效应
D.改用频率大于ν的光照射,光电子的最大初动能变大
解析:
选AD.增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积的光电子数增加,则光电流将增大,故选项A正确;光电效应是否发生取决于照射光的频率,而与照射强度无关,故选项B错误.用频率为ν的光照射光电管阴极,发生光电效应,用频率较小的光照射时,若光的频率仍大于极限频率,则仍会发生光电效应,选项C错误;根据hν-W逸=
mv2可知,增加照射光频率,光电子的最大初动能也增大,故选项D正确.
对光电效应现象的理解
【知识提炼】
1.放不放光电子,看入射光的最低频率.
2.单位时间内放多少光电子,看光的强度.
3.光电子的最大初动能大小,看入射光的频率.
4.要放光电子,瞬时放.
【典题例析】
(多选)(2016·高考全国卷乙改编)现用一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生.下列说法正确的是( )
A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大
B.入射光的频率变高,饱和光电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生
[解析] 根据光电效应规律,保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,则饱和光电流变大,选项A正确.由爱因斯坦光电效应方程知,入射光的频率变高,产生的光电子最大初动能变大,而饱和光电流与入射光的频率和光强都有关,选项B错误,C正确.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,当入射光的频率小于极限频率时,就不能发生光电效应,没有光电流产生,选项D错误.
[答案] AC
(多选)1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年,这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文,其中关于光量子的理论成功的解释了光电效应现象.关于光电效应,下列说法正确的是( )
A.当入射光的频率低于极限频率时,不能发生光电效应
B.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C.光电子的最大初动能与入射光的强度成正比
D.某单色光照射一金属时不发生光电效应,改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应
解析:
选AD.根据光电效应现象的实验规律,只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应,故A、D正确.根据光电效应方程,最大初动能与入射光频率为线性关系,但非正比关系,B错误;根据光电效应现象的实验规律,光电子的最大初动能与入射光强度无关,C错误.
对光电效应规律的解释
对应规律
对规律的产生的解释
存在极限频率ν0
电子从金属表面逸出,首先必须克服金属原子核的引力做功W0,要使入射光子的能量不小于W0,对应的频率ν0=
,即极限频率
光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大,与入射光强度无关
电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能,对于确定的金属,W0是一定的,故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大
效应具有瞬时性
光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要积累能量的过程
光较强时饱和电流大
光较强时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流较大
光电效应方程
【知识提炼】
1.爱因斯坦光电效应方程
Ek=hν-W0
hν:
光电子的能量.
W0:
逸出功,即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功.
Ek:
光电子的最大初动能.
2.图象分析
图象名称
图线形状
由图线直接(间接)
得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
(1)极限频率:
ν0;
(2)逸出功:
W0=|-E|=E;
(3)普朗克常量:
图线的斜率k=h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
(1)截止(极限)频率:
ν0;
(2)遏止电压Uc:
随入射光频率的增大而增大;
(3)普朗克常量:
h=ke(k为斜率,e为电子电量)
频率相同、光强不同时,光电流与电压的关系
(1)遏止电压:
Uc;
(2)饱和光电流:
Im(电流的最大值);
(3)最大初动能:
Ekm=eUc
频率不同、光强相同时,光电流与电压的关系
(1)遏止电压:
Uc1、Uc2;
(2)饱和光电流:
电流最大值;
(3)最大初动能:
Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
【典题例析】
(多选)(2017·高考全国卷丙)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是( )
A.若νa>νb,则一定有Ua<Ub
B.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb
C.若Ua<Ub,则一定有Eka<Ekb
D.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb
[解析] 设该金属的逸出功为W,根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W,同种金属的W不变,则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大,B项正确;又Ek=eU,则最大初动能与遏止电压成正比,C项正确;根据上述有eU=hν-W,遏止电压U随ν增大而增大,A项错误;又有hν-Ek=W,W相同,则D项错误.
[答案] BC
【跟进题组】
考向1 Ek-ν图象的理解与应用
1.(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.27,与纵轴交点坐标0.5).由图可知( )
A.该金属的截止频率为4.27×1014Hz
B.该金属的截止频率为5.5×1014Hz
C.该图线的斜率表示普朗克常量
D.该金属的逸出功为0.5eV
解析:
选AC.图线在横轴上的截距为截止频率,A正确、B错误;由光电效应方程Ek=hν-W0,可知图线的斜率为普朗克常量,C正确;金属的逸出功为:
W0=hν0=
eV≈1.77eV,D错误.
考向2 对I-U图象的理解
2.在光电效应实验中,某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图所示.则可判断出( )
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
解析:
选B.由图象知,甲、乙光对应的遏止电压相等,由eUc=Ek和hν=W0+Ek得甲、乙光频率相等,A错误;丙光的频率大于乙光的频率,则丙光的波长小于乙光的波长,B正确;由hνc=W0得甲、乙、丙光对应的截止频率相同,C错误;由光电效应方程知,甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子最大初动能,D错误.
考向3 Uc-ν图象与光电效应方程的应用
3.(2015·高考全国卷Ⅰ)
在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示.若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为________,所用材料的逸出功可表示为________.
解析:
根据光电效应方程Ekm=hν-W0及Ekm=eUc得Uc=
-
,故
=k,b=-
,得h=ek,W0=-eb.
答案:
ek -eb
1.应用光电效应方程时的注意事项
(1)每种金属都有一个截止频率,光频率大于这个截止频率才能发生光电效应.
(2)截止频率是发生光电效应的最小频率,对应着光的极限波长和金属的逸出功,即hν0=h
=W0.
(3)应用光电效应方程Ek=hν-W0时,注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1eV=1.6×10-19J).
(4)作为能量守恒的一种表达式可以定性理解方程hν=W0+
mv2的意义:
即入射光子的能量一部分相当于转换在金属的逸出功上,剩余部分转化为光电子的动能.对某种金属来说W0为定值,因而光子频率ν决定了能否发生光电效应及光电子的初动能大小.每个光子的一份能量hν与一个光电子的动能
mv2对应.
2.光电效应中有关图象问题的解题方法
(1)明确图象中纵坐标和横坐标所表示的物理量.
(2)明确图象所表示的物理意义及所对应的函数关系,同时还要知道截距、交点等特殊点的意义.例如,
①Ekm-ν图象,表示了光电子的最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化曲线,图甲中横轴上的截距是阴极金属的极限频率,纵轴上的截距表示了阴极金属的逸出功负值,直线的斜率为普朗克常量,图象的函数式:
Ek=hν-W0.
②光电效应中的I-U图象,是光电流强度I随两极板间电压U的变化曲线,图乙中的Im是饱和光电流,Uc为遏止电压.
K
光的波粒二象性 物质波
【知识提炼】
光既具有波动性,又具有粒子性,两者不是孤立的,而是有机的统一体,其表现规律为:
1.从数量上看:
个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性.
2.从频率上看:
频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强.
3.从传播与作用上看:
光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现为粒子性.
4.波动性与粒子性的统一:
由光子的能量E=hν,光子的动量p=
表达式也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾:
表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ.
5.理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波,也不可把光当成宏观概念中的粒子.
【典题例析】
(多选)(2015·高考全国卷Ⅱ改编)实物粒子和光都具有波粒二象性.下列事实中突出体现波动性的是( )
A.电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B.β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D.光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关
[解析] 电子束具有波动性,通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,选项A正确.β射线在云室中高速运动时,径迹又细又直,表现出粒子性,选项B错误.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构,体现出波动性,选项C正确.光电效应实验,体现的是波的粒子性,选项D错误.
[答案] AC
【跟进题组】
考向1 对光的波粒二象性的理解
1.(多选)物理学家做了一个有趣的实验:
在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片,若减弱光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝.实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些不规则的点;如果曝光时间足够长,底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果下列认识正确的是( )
A.曝光时间不长时,光的能量太小,底片上的条纹看不清楚,故出现不规则的点
B.单个光子的运动没有确定的轨道
C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D.只有大量光子的行为才表现出波动性
解析:
选BCD.单个光子通过双缝后的落点无法预测,大量光子的落点出现一定的规律性,落在某些区域的可能性较大,这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域.光具有波粒二象性,少数光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性.所以正确选项为BCD.
考向2 对物质波的考查
2.德布罗意认为,任何一个运动着的物体,都有一种波与它对应,波长是λ=
,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量.已知某种紫光的波长是440nm,若将电子加速,使它的德布罗意波长是这种紫光波长的1×10-4倍.求:
(1)电子的动量大小.
(2)试推导加速电压跟德布罗意波长的关系,并计算加速电压的大小.(电子质量m=9.1×10-31kg,电子电荷量e=1.6×10-19C,普朗克常量h=6.6×10-34J·s,加速电压的计算结果取一位有效数字)
解析:
(1)由λ=
得p=
=
kg·m/s
=1.5×10-23kg·m/s.
(2)eU=Ek=
,又λ=
联立解得U=
,代入数据解得U=8×102V.
答案:
(1)1.5×10-23kg·m/s
(2)U=
8×102V
一、单项选择题
1.(2017·太原质检)关于物质的波粒二象性,下列说法中不正确的是( )
A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性
B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道
C.波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的
D.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性
解析:
选D.光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律,大量光子运动的规律表现出光的波动性,而单个光子的运动表现出光的粒子性.光的波长越长,波动性越明显,光的频率越高,粒子性越明显.而宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性,不是不具有波粒二象性,D项错误.
2.在光电效应的实验结果中,与光的波动理论不矛盾的是( )
A.光电效应是瞬时发生的
B.所有金属都存在极限频率
C.光电流随着入射光增强而变大
D.入射光频率越大,光电子最大初动能越大
解析:
选C.按照光的波动理论,电子吸收光子的能量需要时间,因此光电效应不可能瞬时发生,这与光电效应具有瞬时性矛盾;按照光的波动理论,只要有足够长的时间,电子会吸收足够的能量,克服原子的束缚成为光电子,因此所有金属均可以发生光电效应,这与光电效应有极限频率矛盾;按照光的波动理论,照射光越强,电子获得的能量越大,打出的光电子的最大初动能越大,这与光电效应中打出的光子的最大初动能与光强无关,而与照射光的频率有关矛盾;按照光的波动理论也可以得到光越强打出的光电子越多,光电流越大,因此C项正确.
3.研究光电效应电路如图所示,用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流.下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中,正确的是( )
解析:
选C.由于是强度不同的光照射同种钠极板,则遏止电压相同,强度不同,饱和光电流不同.选项C正确.
二、多项选择题
4.用极微弱的可见光做双缝干涉实验,随着时间的增加,在照相底片上先后出现如图甲、乙、丙所示的图象,则( )
A.图象甲表明光具有粒子性
B.图象乙表明光具有波动性
C用紫外线观察不到类似的图象
D.实验表明光是一种概率波
解析:
选ABD.图象甲曝光时间短,通过光子数很少,呈现粒子性.图象乙曝光时间长,通过了大量光子,呈现波动性,故A、B正确;同时也表明光波是一种概率波,故D也正确;紫外线本质和可见光本质相同,也可以发生上述现象,故C错误.
5.在光电效应实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能发生光电效应.对于这两个过程,下列四个物理量中,一定不同的是( )
A.遏止电压
B.饱和光电流
C.光电子的最大初动能
D.逸出功
解析:
选ACD.同一种单色光照射不同的金属,入射光的频率和光子能量一定相同,金属逸出功不同,根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,最大初动能不同,则遏止电压不同;同一种单色光照射,入射光的强度相同,所以饱和光电流相同.
6.(2017·济南模拟)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象.由图象可知( )
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为
时,产生的光电子的最大初动能为
解析:
选ABC.由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0知,当ν=0时-W0=Ek,故W0=E,A项对;而Ek=0时,hν=W0即W0=hν0,B项对;入射光的频率为2ν0时产生的光电子的最大初动能Ekm=2hν0-hν0=hν0=E,C项对;入射光的频率为
时,不会发生光电效应,D错.
三、非选择题
7.紫光在真空中的波长为4.5×10-7m,问:
(1)紫光光子的能量是多少?
(2)用它照射极限频率为ν0=4.62×1014Hz的金属钾能否产生光电效应?
若能产生,则光电子的最大初动能为多少?
(h=6.63×10-34J·s)
解析:
(1)E=hν=h
=4.42×10-19J.
(2)ν=
=6.67×1014Hz,因为ν>ν0,所以能产生光电效应.光电子的最大初动能为
Ekm=hν-W0=h(ν-ν0)≈1.36×10-19J.
答案:
(1)4.42×10-19J
(2)能 1.36×10-19J
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