高中物理第十七章波粒二象性章末复习课新人教版选修.docx
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高中物理第十七章波粒二象性章末复习课新人教版选修.docx
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高中物理第十七章波粒二象性章末复习课新人教版选修
2019-2020年高中物理第十七章波粒二象性章末复习课新人教版选修
【知识体系】
有关光电效应的问题主要有两个方面,一是关于光电效应现象中有关规律的判断,二是应用光电效应方程进行简单的计算.处理该类问题关键是掌握光电效应的规律,明确各物理量之间的决定关系.
光电效应的规律是:
①截止频率ν0,是能使金属发生光电效应的最低频率,这也是判断能否发生光电效应的依据.若ν<ν0,无论多强的光照射时,都不能发生光电效应;②最大初动能Ek,与入射光的频率和金属的逸出功有关,与光强无关;③饱和光电流与光的强度有关,在入射光频率不变的情况下,光强正比于单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子数.
光电子的最大初动能跟入射光的能量hν、金属逸出功W0的关系为光电效应方程,表达式为Ek=hν-W0,反映了光电效应现象中的能量转化和守恒.
【典例1】 关于光电效应的规律,下列说法不正确的是( )
A.当某种色光照射金属表面时,能产生光电效应,则入射光的频率越高,产生的光电子的最大初动能越大
B.当某种色光照射金属表面时能产生光电效应,则入射光的强度越大产生的光电子数越多
C.对某金属,入射光波长必须小于一极限波长,才能产生光电效应
D.同一频率的光照射不同金属,如果都能产生光电效应,则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大
解析:
由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,入射光频率ν越高,Ek值越大,故A项正确;当某种色光照射金属表面能产生光电子,入射光强度越大,单位时间照射到金属单位面积上的光子数就越多,光子与光电子是一对一的关系,因而产生的光电子数越多,故B项正确;产生光电效应的条件是入射光的频率大于金属极限频率,所以入射光波长必须小于一极限波长,才能产生光电效应,故C项正确;不同金属W0不一样,由Ek=hν-W0知,同频率的光照射时,逸出功W0大的金属,光电子的最大初动能小,所以D项错误.
答案:
D
针对训练
1.(多选)由爱因斯坦光电效应方程可以画出光电子的最大初动能和入射光的频率的关系,如图所示,以下说法正确的是( )
A.νc表示截止频率
B.W0的绝对值等于逸出功
C.直线的斜率表示普朗克常量h的大小
D.图线表明最大初动能与入射光频率成正比
解析:
由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,当Ek=0时,νc=
即为某金属的截止频率;当ν=0时,Ek=-W0,可见W0的绝对值就是该金属对应的逸出功;而该直线的斜率tanα=
=h即为普朗克常量.故选项A、B、C正确.
答案:
ABC
主题2 波粒二象性
1.大量光子产生的效果显示出波动性,比如干涉、衍射现象中,如果用强光照射,在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹,波动性体现了出来;个别光子产生的效果显示出粒子性.如果用微弱的光照射,在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点,粒子性充分体现;但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下,在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性,倾向于干涉、衍射的分布规律.这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据.
2.光子和电子、质子等实物粒子一样,具有能量和动量.和其他物质相互作用时,粒子性起主导作用.
3.光子的能量与其对应的频率成正比,而频率是波动性特征的物理量,因此ε=hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系.
4.对不同频率的光,频率低、波长长的光,波动性特征显著;而频率高、波长短的光,粒子性特征显著.
5.光在传播时体现出波动性,在与其他物质相互作用时体现出粒子性.
6.处理光的波粒二象性的关键是正确理解其二象性,搞清光波是一种概率波.
【典例2】 关于光的波粒二象性的说法中,正确的是( )
A.一束传播的光,有的光是波,有的光是粒子
B.光波与机械波是同种波
C.光的波动性是由光子间的相互作用而形成的
D.光是一种波,同时也是一种粒子,光子说并未否定电磁说,在光子能量ε=hν中,仍表现出波的特性
解析:
光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性,当光和物质作用时,是“一份一份”的,表现出粒子性;单个光子通过双缝后的落点无法预测,但大量光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述.
答案:
D
针对训练
2.(多选)对光的认识,以下说法中正确的是( )
A.个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不再具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为:
在某种场合下光的波动性表现得明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
解析:
个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性;光与物质相互作用,表现为粒子性,光的传播表现为波动性,光的波动性与粒子性都是光的本质属性,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律,故正确选项有A、B、D.
答案:
ABD
统揽考情
本章内容定性要求的多,定量计算的少,高考一般重点是考查:
①光子能量的理解;②光电效应现象及光电效应方程的理解;③光的波粒二象性以及物质波的理解,多以选择题形式出现.
尽管高考试题的难度不大,但对知识的掌握必须做到系统化、条理化.
真题例析
(xx·课标全国Ⅰ卷)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:
根据动能定理有
mev
=eUc和爱因斯坦光电效应方程有
mev
=hν-W0,可得:
遏制电压Ue=
ν=
,结合Uc-ν图,斜率即k=
,截距为b=
,可得:
普朗克常量h=ek,所用材料的逸出功W0=-eb.
答案:
ek -eb
针对训练
(xx·课标全国Ⅱ卷)(多选)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.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
E.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:
电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样,可以说明电子是一种波,故A正确;β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹,可以说明β射线是一种粒子,故B错误;人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构,中子衍射说明中子是一种波,故C正确;人们利用电子显微镜观测物质的微观结构,利用了电子的干涉现象,说明电子是一种波,故D正确;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,说明光是一种粒子,故E错误.
答案:
ACD
1.(多选)波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的有( )
A.光电效应现象揭示了光的粒子性
B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性
C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等
解析:
光电效应说明光的粒子性,所以A项正确;热中子在晶体上产生衍射图样,即运动的实物粒子具有波的特性,即说明中子具有波动性,所以B项正确;黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化,即黑体辐射是不连续的、一份一份的,所以黑体辐射用光的粒子性解释,即C项错误;根据德布罗意波长公式λ=
,p2=2mEk,又质子的质量大于电子的质量,所以动能相等的质子和电子,质子的德布罗意波长较短,所以D项错误.
答案:
AB
2.已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014Hz和5.44×1014Hz,在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应,比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子,钙逸出的光电子具有较大的( )
A.波长 B.频率
C.能量D.动量
解析:
金属的逸出功W0=hν0,据爱因斯坦的光电效应方程Ek=hν-W0可知,从金属钾表面飞出的光电子最大初动能较钙的大,金属钙表面飞出光电子能量E小,因λ=
,所以从钙表面逸出功的光电子具有较大的波长,选A.
答案:
A
3.(多选)对光电效应的理解正确的是( )
A.金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子,当它积累的动能足够大时,就能逸出金属
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应
C.发生光电效应时,入射光越强,光子的能量就越大,光电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功是不相同的,因此使不同金属产生光电效应,入射光的最低频率也不同
解析:
金属内的每个电子吸收一个光子,获得能量,若足够克服金属做功,就能逸出金属,若不够金属做功,就不会逸出金属,不会发生积累,故A错误;根据光电效应的条件可知入射光的能量小于电子脱离某种金属已做功的最小值,就不能发生光电效应,故B正确;光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与光的强度无关,故C错误;不同的金属逸出功不同,截止频率不同,则发生光电效应的入射光的最低频率也不同,故D正确.
答案:
BD
4.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( )
A.大量光子的行为往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
解析:
大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,A正确;光在传播时波动性显著,光与物质相互作用时粒子性显著,B错误;频率高的光粒子性显著,频率低的光波动性显著,C错误;光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显,有时候表现出的波动性较明显,D正确.
答案:
AD
2019-2020年高中物理第十七章波粒二象性章末质量评估新人教版选修
一、单项选择题(本大题共10小题,每小题3分,共30分.每小题给出的四个选项中,只有一个选项正确)
1.某单色光照射某金属时不能发生光电效应,则下述措施中可能使该金属发生光电效应的是( )
A.延长光照时间
B.增大光的强度
C.换用波长较短的光照射
D.换用频率较低的光照射
解析:
由光电效应规律可知,能不能发生光电效应,是由入射光的频率与极限频率的关系决定的,入射光频率必须大于或等于极限频率.波长较短的光频率高,当高于或等于极限频率时就能发生光电效应,故C选项正确.
答案:
C
2.用绿光照射一光电管,产生了光电效应,欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增加,下列做法可取的是( )
A.改用红光照射
B.增大绿光的强度
C.增大光电管上的加速电压
D.改用紫光照射
解析:
由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,在逸出功一定时,只有增大光的频率,才能增加最大初动能,与光的强度无关,D对.
答案:
D
3.关于光的波粒二象性,以下说法中正确的是( )
A.光的波动性与机械波,光的粒子性与质点都是等同的
B.光子和质子、电子等是一样的粒子
C.大量光子易显出粒子性,少量光子易显出波动性
D.紫外线、X射线和γ射线中,γ射线的粒子性最强,紫外线的波动性最显著
解析:
光的波动性与机械波、光的粒子性与质点有本质区别,选项A错误;光子实质上是以场的形式存在的一种“粒子”,而电子、质子是实物粒子,故选项B错误;光是一种概率波,大量光子往往表现出波动性,少量光子则往往表现出粒子性,选项C错误;频率越高的光的粒子性越强,频率越低的光的波动性越显著,故选项D正确.
答案:
D
4.下列关于物质波的说法中正确的是( )
A.实物粒子与光子一样都具有波粒二象性,所以实物粒子与光子是本质相同的物体
B.物质波和光波都是概率波
C.粒子的动量越大,其波动性越易观察
D.粒子的动量越大,其波动性越易观察
解析:
实物粒子虽然与光子具有某些相同的现象,但实物粒子是实物,而光则是传播着的电磁波,其本质不同;物质波和光波都是概率波;又由λ=
可知,p越小,λ越大,波动性越明显.故正确选项为B.
答案:
B
5.普朗克能量子假说是为解释( )
A.光电效应实验规律提出的
B.康普顿效应实验规律提出的
C.光的波粒二象性提出的
D.黑体辐射的实验规律提出的
解析:
普朗克能量子假说圆满解决了经典物理在黑体辐射问题上遇到的困难,并且为爱因斯坦光子理论、玻尔原子理论奠定了基础.
答案:
D
6.光电效应现象证明了光具有( )
A.粒子性 B.波动性
C.衍射的特性D.干涉的特性
解析:
光电效应现象证明了光具有粒子性.
答案:
A
7.关于物质波,下列说法正确的是( )
A.速度相等的电子和质子,电子的波长长
B.动能相等的电子和质子,电子的波长短
C.动量相等的电子和中子,中子的波长短
D.甲电子速度是乙电子的3倍,甲电子的波长也是乙电子的3倍
解析:
由λ=
可知,动量大的波长短,电子与质子的速度相等时,电子的动量小,波长长;电子与质子动能相等时,由动量与动能的关系式p=
可知,电子的动量小,波长长;动量相等的电子和中子,其波长应相等;如果甲、乙两电子的速度远小于光速,甲的速度是乙的三倍,甲的动量也是乙的三倍,则甲的波长应是乙的
.
答案:
A
8.以下说法正确的是( )
A.若用红光照射金属时发生光电效应,则用其他可见光照射该金属均能产生光电效应
B.一束光照射到某种金属上不能发生光电效应,可能是因为该束光的照射时间太短
C.光电效应揭示了光的粒子性,而康普顿效应则反映了光的波动性
D.物质波是一种概率波,在微观物理学中可以用“轨迹”来描述粒子的运动
解析:
其他可见光频率均大于红光频率故均可发生光电效应,所以A正确;光照射到金属上,不能发生光电效应,说明入射光的频率太低,低于极限频率,所以B错;光电效应,康普顿效应都反映了光的粒子性,所以C错;物质波是一种概率波,粒子到达什么位置是随机的,是预先不确定的,因此不能用“轨迹”描述粒子的运动,所以D错.
答案:
A
9.关于光电效应现象,下列说法正确的是( )
A.只有入射光的波长大于使该金属发生光电效应的极限波长,才能发生光电效应现象
B.在光电效应现象中,产生的光电子的最大初动能跟入射光的频率成正比
C.产生的光电子最大初动能与入射光的强度成正比
D.在入射光频率一定时,单位时间内从金属中逸出的光电子个数与入射光的强度成正比
解析:
当入射光频率不低于极限频率时才能发生光电效应,设此时波长为λ0,极限频率为νc,则光速c=λ0ν0,可知当入射光的波长大于极限波长λ0时,其频率将小于极限频率νc,所以大于极限波长的光不能使金属发生光电效应,因此选项A错误.由光电效应方程Ek=hν-W0可知,光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,但并不与入射光频率成正比,因此选项B错误.由于光电子的最大初动能与入射光的强度无关,显然选项C错误.若入射光强度增大到原来的n倍,则单位时间内入射光的能量就增大到原来的n倍.在入射光频率一定时,单个光子的能量不变,则单位时间内入射的光子数将增大到原来的n倍,因此选项D正确.
答案:
D
10.分别用波长为λ和
λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1∶2,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为( )
A.
B.
C.
hcλD.
解析:
由光电效应方程得h
-W0=Ek1,h
-W0=Ek2,并且Ek1∶Ek2=1∶2,可得W0=
.
答案:
B
二、多项选择题(本大题共4小题,每小题4分,共16分.在每小题给出的四个选项中有多个选项正确,全选对得4分,漏选得2分,错选或不选得0分)
11.下列有关光的说法正确的是( )
A.光电效应表明在一定条件下,光子可以转化为电子
B.大量光子易表现出波动性,少量光子易表现粒子性
C.光有时是波,有时是粒子
D.康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量
解析:
在光电效应中,光子将能量传递给电子,不是光子转化为电子.故A错误;大量的光子显示波动性,少量的光子显示粒子性,故B正确;光有时是波,有时是粒子,但在确定的某时刻可以确定是波还是粒子,故C错误;康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量,故D正确.
答案:
BD
12.下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3E
D.入射光的频率为
时,产生的光电子的最大初动能为
解析:
根据光电效应方程有:
Ek=hν-W0,其中W0为金属的逸出功:
W0=hν0.所以有:
Ek=hν-hν0,由此结合图象可知,该金属的逸出功为E,或者W0=hν0,当入射光的频率为2ν0时,代入方程可知产生的光电子的最大初动能为E,故A、B正确,C错误;若入射光的频率为
时,小于极限频率,不能发生光电效应,故D错误.
答案:
AB
13.用两束频率相同,强度不同的紫外线分别照射两种相同金属的表面,均能产生光电效应,那么( )
A.两束光的光子能量相同
B.两种情况下单位时间内逸出的光电子个数相同
C.两种情况下逸出的光电子的最大初动能相同
D.两种情况下逸出的光电子的最大初动能不同
解析:
由ε=hν和Ek=hν-W0知两束光的光子能量相同,照射金属得到的光电子最大初动能相同,故A、C对,D错;由于两束光强度不同,逸出光电子个数不同,故B错.
答案:
AC
14.下列说法正确的是( )
A.光的频率越低,粒子性越显著
B.光波不同于宏观概念中的那种连续的波,它是表明大量光子运动规律的一种概率波
C.物质波理论告诉我们,任何运动的微观粒子都具有波粒二象性
D.在光的单缝衍射实验中,狭缝变窄,光子动量的不确定量变大
解析:
光的频率越高,粒子性越显著,A错.光波不同于宏观概念中的波,它是一种概率波,B正确.任何运动的微观粒子都对应一定的波长,都具有波粒二象性,C正确.在光的单缝衍射实验中,狭缝变窄,位置不确定量变小.由Δx·Δp≥
,则光子动量的不确定量变大,D正确.
答案:
BCD
三、非选择题(本题共4小题,共54分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
15.(12分)A、B两种光子的能量之比为2∶1,它们都能使某种金属发生光电效应,且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB.求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功.
解析:
光子能量ε=hν,动量p=
,且ν=
,
得p=
,则pA∶pB=2∶1.
A照射时,光电子的最大初动能EA=εA-W0.
同理,EB=εB-W0,解得W0=EA-2EB.
答案:
2∶1 EA-2EB
16.(14分)光具有波粒二象性,光子的能量为hν,其中频率表征波的特性.在爱因斯坦提出光子说之后,法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长的关系为:
p=
.若某激光管以P=60W的功率发射波长λ=6.63×10-7m的光束.
(1)该管在1s内发射出多少个光子?
(2)若光束全部被某黑体表面吸收,那么该黑体表面所受到的光束对它的作用力F为多大?
解析:
(1)设在时间Δt内发射出的光子数为n,光子频率为ν,每个光子的能量hν,则PΔt=nhν,又ν=
,
则PΔt=
,将Δt=1s代入上式,得n=2×1020个.
(2)在时间Δt内激光管发射出的光子全部被黑体表面吸收,光子的末态总动量变为0,根据题中信息可知,n个光子的初态总动量为p0=np=n
,根据动量定理可知FΔt=0-(-p0),黑体表面对光子的作用力为F.根据牛顿第三定律,光子对黑体表面的作用力为2.0×
10-7N.
答案:
(1)2×1020个
(2)2.0×10-7N
17.(14分)波长为λ=0.071nm的伦琴射线使金箔发射光电子,电子在磁感应强度为B的匀强磁场区域内做匀速圆周运动的最大半径为r.已知r·B=1.88×10-4T·m,电子的质量me=9.1×10-31kg.试求;
(1)光电子的最大初动能;
(2)金箔的逸出功;
(3)该电子的物质波的波长.
解析:
(1)电子在匀强磁场中做匀速圆周运动的最大半径
r=
.
其最大初动能为
Ek=
mev2=
=
=
J
=3.1×103eV.
(2)由爱因斯坦光电效应方程
hν=Ek+W0和ν=
得
W0=
-Ek=
eV=1.44×104eV.
(3)由德布罗意波长公式得
λ′=
,p=mv=erB.
解得λ′=2.2×10-11m.
答案:
(1)3.1×103eV
(2)1.44×104eV
(3)2.2×10-11m
18.(14分)如图所示装置,阴极K用极限波长λ0=0.66μm的金属制成.若闭合开关S,用波长λ=0.50μm的绿光照射阴极,调整两个极板电压,使电流表示数最大为0.64μA,求:
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能;
(2)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍,求每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能.
解析:
(1)阴极每秒钟发射的光电子个数:
n=
=
个=4.0×1012个.
根据光电效应方程,光电子的最大初动能应为:
Ek=hν-W0=h
-h
.
代入数据可得:
Ek=9.6×10-20J.
(2)如果照射光的频率不变,光强加倍,则每秒钟发射的光电子数也加倍,饱和光电流也增大为原来的2倍.根据光电效应实验规律可得阴极每秒钟发射的光电子个数为
n′=2n=8.0×1012个.
光子子的最大初动能仍然为:
Ek=hν-W0=9.6×10-20J.
答案:
(1)4.0×1012个 9.6×10-20J
(2)8.0×1012个 9.6×10-20J
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