（江蘇專版）2022年高考物理一輪復習 第十一章 第2節(jié) 波粒二象性講義（含解析）

（江蘇專版）2022年高考物理一輪復習 第十一章 第2節(jié) 波粒二象性講義（含解析）(1)光子和光電子都是實物粒子。(×)(2)只要入射光的強度足夠強，就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。(×)(3)要使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，入射光子的能量必須大于金屬的逸出功。()(4)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比。(×)(5)光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性。()(6)德國物理學家普朗克提出了量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。(×)(7)美國物理學家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)，證實了光的粒子性。()(8)法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子在一定條件下會表現(xiàn)為波動性。()突破點(一)對光電效應(yīng)的理解1與光電效應(yīng)有關(guān)的五組概念對比(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。光子是光電效應(yīng)的因，光電子是果。(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。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。(3)光電流與飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，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)入射光強度與光子能量：入射光強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量。(5)光的強度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強度成正比的規(guī)律是對頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的，對于不同頻率的光，由于每個光子的能量不同，飽和光電流與入射光強度之間沒有簡單的正比關(guān)系。2光電效應(yīng)的研究思路(1)兩條線索：(2)兩條對應(yīng)關(guān)系：題點全練1多選(2019·南京六校聯(lián)考)如圖所示是研究光電效應(yīng)的電路，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，K在受到光照時能夠發(fā)射光電子。陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成電流。如果用單色光a照射陰極K，電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；用單色光b照射光電管陰極K時，電流表的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列說法正確的是()Aa光的波長一定小于b光的波長B只增加a光的強度可能使通過電流表的電流增大C只增加a光的強度可使逸出的光電子最大初動能變大D用單色光a照射陰極K，當電源的正、負極對調(diào)時，電流表的讀數(shù)可能減為零解析：選ABD由題意可知，用a光照射光電管時，發(fā)生光電效應(yīng)，用b光照射時，不發(fā)生光電效應(yīng)，則知a>b，由知a光的波長小于b光的波長，A正確；只增加a光的強度，即增加了光子的個數(shù)，則產(chǎn)生的光電子數(shù)目增多，光電流增大，使通過電流表的電流增大，B正確；根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0，最大初動能與入射光頻率有關(guān)，與強度無關(guān)，故只增加a光的強度逸出的光電子最大初動能不變，C錯誤；當正、負極對調(diào)后，形成反向電場，光電子在電場中做減速運動，若qU>Ekm，則光電子無法到達陽極A，電流表示數(shù)為0，D正確。2多選(2017·海南高考)三束單色光1、2和3的波長分別為1、2和3(123)。分別用這三束光照射同一種金屬。已知用光束2照射時，恰能產(chǎn)生光電子。下列說法正確的是()A用光束1照射時，不能產(chǎn)生光電子B用光束3照射時，不能產(chǎn)生光電子C用光束2照射時，光越強，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目越多D用光束2照射時，光越強，產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大解析：選AC依據(jù)波長與頻率的關(guān)系：，因123，那么123；由于用光束2照射時，恰能產(chǎn)生光電子，因此用光束1照射時，不能產(chǎn)生光電子，而光束3照射時，一定能產(chǎn)生光電子，故A正確，B錯誤；用光束2照射時，光越強，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目越多，而由光電效應(yīng)方程：EkmhW，可知，光電子的最大初動能與光的強弱無關(guān)，故C正確，D錯誤。3(2018·江蘇高考)光電效應(yīng)實驗中，用波長為0的單色光A照射某金屬板時，剛好有光電子從金屬表面逸出。當波長為的單色光B照射該金屬板時，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)解析：該金屬的逸出功Wh0h波長為的單色光的頻率根據(jù)光電效應(yīng)方程得，光電子的最大初動能EkhWhh根據(jù)p，得A、B兩光子的動量之比。答案：12突破點(二)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程及應(yīng)用1三個關(guān)系(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkhW0。(2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實驗的方法測得，即EkeUc，其中Uc是遏止電壓。(3)光電效應(yīng)方程中的W0為逸出功，它與極限頻率c的關(guān)系是W0hc。2四類圖像圖像名稱圖線形狀讀取信息最大初動能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖線截止頻率(極限頻率)：圖線與軸交點的橫坐標c逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0|E|E普朗克常量：圖線的斜率kh遏止電壓Uc與入射光頻率的關(guān)系圖線截止頻率c：圖線與橫軸的交點遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電量的乘積，即hke。(注：此時兩極之間接反向電壓)顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點飽和光電流Im：電流的最大值最大初動能：EkmeUc顏色不同時，光電流與電壓的關(guān)系遏止電壓Uc1、Uc2飽和光電流最大初動能Ek1eUc1，Ek2eUc2典例(2019·南通一模)利用圖甲所示電路研究光電效應(yīng)中金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率的關(guān)系，描繪出如圖乙所示的圖像，由此算出普朗克常量h。圖乙中U1、1、0均為已知量，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(yīng)向_(選填“M”或“N”)端移動，由Uc­圖像可求得普朗克常量h_。(用題中字母表示)。解析入射光的頻率增大，光電子的最大初動能增大，則遏止電壓增大，測遏止電壓時，應(yīng)使滑動變阻器的滑片P向N端移動；根據(jù)EkmhW0eUc，由Uc­圖像可知，當遏止電壓為零時，0，所以這種金屬的截止頻率為0；根據(jù)EkmhW0eUc，解得Uc，圖線的斜率k，則h。答案N易錯提醒應(yīng)用光電效應(yīng)方程時的注意事項(1)每種金屬都有一個截止頻率，入射光頻率大于這個截止頻率時才能發(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hchW0。(3)應(yīng)用光電效應(yīng)方程EkhW0時，注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1 eV1.6×1019 J)。集訓沖關(guān)1(2019·如皋模擬)用同一光電管研究a、b兩種單色光產(chǎn)生的光電效應(yīng)，得到光電流I與光電管兩極間所加電壓U的關(guān)系如圖所示。關(guān)于這兩種光的比較，下列說法正確的是()Aa光的頻率大Bb光子的能量小C增大a光光照強度，其對應(yīng)的飽和電流增大Da光照射該光電管時逸出的光電子最大初動能大解析：選C由題圖可得b光照射光電管時反向遏止電壓大，由EkmhW0eUc可知b光照射光電管時逸出的光電子最大初動能大，故D錯誤；由D的分析可知b光的頻率大，光子的能量大，故A、B錯誤；增大a光光照強度，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)增多，所以飽和電流大，故C正確。2多選(2018·宿遷期末)如圖所示為金屬A和B的遏止電壓Uc和入射光頻率的關(guān)系圖像，由圖可知()A金屬A的逸出功大于金屬B的逸出功B金屬A的截止頻率小于金屬B的截止頻率C圖像的斜率為普朗克常量D如果用頻率為5.5×1014 Hz的入射光照射兩種金屬，從金屬A逸出光電子的最大初動能較大解析：選BD根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程EkmhW0及能量守恒定律方程：eUcEkm，得：Uc。當Uc0時，對應(yīng)的頻率為截止頻率，由題圖知，金屬A的截止頻率小于金屬B的截止頻率，故B正確；截止頻率對應(yīng)的光子能量等于金屬的逸出功，金屬的逸出功為W0hc，c是截止頻率，所以金屬A的逸出功小于金屬B的逸出功，故A錯誤；根據(jù)Uc，斜率為，故C錯誤；由于A的逸出功較小，用相同頻率的光照射A、B兩金屬時，從金屬A逸出光電子的最大初動能較大，故D正確。3(2019·如東檢測)下表是按照密立根的方法研究光電效應(yīng)實驗時得到的某金屬的遏止電壓Uc與照射光頻率的幾組數(shù)據(jù)，并由此繪制Uc­圖像如圖甲所示(已知e1.6×1019C)。求：Uc/V0.5410.6370.7140.8090.878/(×1014 Hz)5.6445.8886.0986.3036.501(1)這種金屬的截止頻率；(2)普朗克常量；(3)如圖乙，在給定的坐標系中完成光電子最大初動能Ek­關(guān)系圖像。解析：(1)由題圖甲可知，金屬的極限頻率04.25×1014 Hz。(2)在圖像中取(5.50×1014 Hz,0.50 V)點，設(shè)普朗克常量為h，由動能定理和光電效應(yīng)方程可得eUc0EkEkhh0則Uc0解得h6.4×1034 J·s。(3)由于Ekhh0Ek­關(guān)系圖像如圖所示。答案：(1)4.25×1014 Hz(2)6.4×1034 J·s(3)圖見解析突破點(三)對波粒二象性的理解1對光的波動性和粒子性的進一步理解光的波動性光的粒子性實驗基礎(chǔ)干涉和衍射光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)表現(xiàn)光是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述大量的光子在傳播時，表現(xiàn)出光的波動性當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性說明光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的光的波動性不同于宏觀觀念的波粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的光子不同于宏觀觀念的粒子2波動性和粒子性的對立與統(tǒng)一(1)大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性。(2)波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強。(3)光子說并未否定波動說，Eh中，和就是波的概念。(4)波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的。3物質(zhì)波(1)定義：任何運動著的物體都有一種波與之對應(yīng)，這種波叫做物質(zhì)波，也叫德布羅意波。(2)物質(zhì)波的波長：，h是普朗克常量。題點全練1多選(2018·金陵中學期末)利用金屬晶格(大小約1010 m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子束通過電場加速后，照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣。已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為h。下列說法正確的是()A該實驗說明了電子具有波動性B實驗中電子束的德布羅意波的波長為C加速電壓U越大，電子衍射現(xiàn)象越明顯D若用相同動能的質(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯解析：選AB該實驗觀察電子的衍射圖樣，衍射現(xiàn)象說明粒子的波動性，A正確；電子束通過電場加速，由動能定理可得eUmv2，故有pmv，所以實驗中電子束的德布羅意波的波長為，加速電壓U越大，波長越小，那么，衍射現(xiàn)象越不明顯，B正確，C錯誤；若用相同動能的質(zhì)子替代電子，質(zhì)量變大，那么粒子動量p變大，故德布羅意波的波長變小，故衍射現(xiàn)象將不明顯，D錯誤。2多選實物粒子和光都具有波粒二象性，下列現(xiàn)象或事實中突出體現(xiàn)波動性的是()A光的衍射現(xiàn)象B電子束通過雙縫實驗后可以形成干涉圖樣C人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)D光電效應(yīng)實驗中，光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強度無關(guān)解析：選ABC衍射是波具有的特性，所以光的衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，故A正確；干涉是波具有的特性，電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣，說明電子具有波動性，故B正確；人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，說明電子可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，說明電子具有波動性，故C正確；光電效應(yīng)實驗，是能夠從金屬中打出光電子，說明的是光的粒子性，不能說明光的波動性，故D錯誤。