2018年高考物理一輪復習 專題13.3 光電效應 波粒二象性教學案

專題13.3 光電效應 波粒二象性1.知道什么是光電效應，理解光電效應的實驗規(guī)律.2.會利用光電效應方程計算逸出功、極限頻率、最大初動能等物理量.3.知道光的波粒二象性，知道物質波的概念 一、光電效應1定義照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。2光電子光電效應中發(fā)射出來的電子。3光電效應規(guī)律(1)每種金屬都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應。低于這個頻率的光不能產(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，只隨入射光頻率的增大而增大。(3)光電效應的發(fā)生幾乎瞬時的，一般不超過109s。(4)當入射光的頻率大于極限頻率時，飽和光電流的強度與入射光的強度成正比。二、愛因斯坦光電效應方程1光子說在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光的能量子，簡稱光子，光子的能量h。其中h6.63×1034J·s。(稱為普朗克常量)2逸出功W0使電子脫離某種金屬所做功的最小值。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愛因斯坦光電效應方程(1)表達式：EkhW0。(2)物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是h，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)為逸出后光電子的最大初動能Ekmev2。三、光的波粒二象性與物質波1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，p為運動物體的動量，h為普朗克常量。高頻考點一光電效應的實驗規(guī)律例1(多選)如圖1所示，用導線把驗電器與鋅板相連接，當用紫外線照射鋅板時，發(fā)生的現(xiàn)象是()圖1A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解析用紫外線照射鋅板是能夠發(fā)生光電效應的，鋅板上的電子吸收紫外線的能量從鋅板表面逸出，稱之為光電子，故A錯誤，B正確；鋅板與驗電器相連，帶有相同電性的電荷，鋅板失去電子應該帶正電，且失去電子越多，帶正電的電荷量越多，驗電器指針張角越大，故C正確，D錯誤【變式探究】用一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，可能使該金屬發(fā)生光電效應的措施是()A改用頻率更小的紫外線照射B改用X射線照射C改用強度更大的原紫外線照射D延長原紫外線的照射時間答案B【舉一反三】(多選)如圖2所示，電路中所有元件完好，但光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過，其原因可能是()圖2A入射光太弱B入射光波長太長C光照時間短D電源正、負極接反答案BD解析入射光波長太長，入射光的頻率低于截止頻率時，不能發(fā)生光電效應，故選項B正確；電路中電源反接，對光電管加了反向電壓，若該電壓超過了遏止電壓，也沒有光電流產(chǎn)生，故選項D正確【變式探究】入射光照到某金屬表面發(fā)生光電效應，若入射光的強度減弱，而頻率保持不變，則下列說法中正確的是()A從光照射到金屬表面上到金屬發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B逸出的光電子的最大初動能減小C單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少D有可能不發(fā)生光電效應答案C解析光電效應瞬時(109 s)發(fā)生，與光強無關，A錯誤光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關，入射光的頻率越大，最大初動能越大，B錯誤光電子數(shù)目多少與入射光的強度有關，光強減弱，單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目減少，C正確能否發(fā)生光電效應，只取決于入射光的頻率是否大于極限頻率，與光強無關，D錯誤高頻考點二光電效應方程和光電效應圖象例2以往我們認識的光電效應是單光子光電效應，即一個電子在極短時間內(nèi)只能吸收到一個光子而從金屬表面逸出強激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應的認識，用強激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在極短時間內(nèi)吸收多個光子成為可能，從而形成多光子光電效應，這已被實驗證實光電效應實驗裝置示意圖如圖6.用頻率為的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應換用同樣頻率的強激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應；此時，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負極，在K、A之間就形成了使光電子減速的電場逐漸增大U，光電流會逐漸減小；當光電流恰好減小到零時，所加反向電壓U可能是下列的(其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電荷量)()圖6AU BUCU2hW DU答案B【變式探究】在某次光電效應實驗中，得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率的關系如圖7所示若該直線的斜率和截距分別為k和b，電子電荷量的絕對值為e，則普朗克常量可表示為 ，所用材料的逸出功可表示為 圖7答案ekeb解析光電效應中，入射光子能量為h，克服逸出功W0后多余的能量轉換為電子動能，反向遏止電壓eUchW0，整理得Uc，斜率即k，所以普朗克常量hek，截距為b，即ebW0，所以逸出功W0eb.【舉一反三】愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎某種金屬逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率的關系如圖8所示，其中c為極限頻率從圖中可以確定的是()圖8A逸出功與有關BEk與入射光強度成正比C當<c時，會逸出光電子D圖中直線的斜率與普朗克常量有關答案D【方法技巧】定量分析光電效應時應抓住的三個關系式1愛因斯坦光電效應方程：EkhW0.2最大初動能與遏止電壓的關系：EkeUc.3逸出功與極限頻率、極限波長c的關系：W0hch.高頻考點三光的波粒二象性、物質波例3用很弱的光做雙縫干涉實驗，把入射光減弱到可以認為光源和感光膠片之間不可能同時有兩個光子存在，如圖10所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片這些照片說明()圖10A光只有粒子性沒有波動性B光只有波動性沒有粒子性C少量光子的運動顯示波動性，大量光子的運動顯示粒子性D少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性答案D解析光具有波粒二象性，這些照片說明少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性，故D正確【變式探究】 (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黑體輻射的實驗規(guī)律可用光的波動性解釋D動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波長也相等答案AB【舉一反三】用很弱的光做雙縫干涉實驗，把入射光減弱到可以認為光源和感光膠片之間不可能同時有兩個光子存在，如圖所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片。這些照片說明()A光只有粒子性沒有波動性B光只有波動性沒有粒子性C少量光子的運動顯示波動性，大量光子的運動顯示粒子性D少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性解析：光具有波粒二象性，這些照片說明少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性，故D正確。答案：D1.【2015·上海·10】1用很弱的光做單縫衍射實驗，改變曝光時間，在膠片上出現(xiàn)的圖像如圖所示，該實驗表明A光的本質是波 B光的本質是粒子C光的能量在膠片上分布不均勻 D光到達膠片上不同位置的概率相同【答案】C【解析】用很弱的光做單縫衍射實驗，改變曝光時間在膠片出現(xiàn)的圖樣，說明光有波粒二象性，故A、B錯誤；說明光到達膠片上的不同位置的概率是不一樣的，也就說明了光的能量在膠片上分而不均勻，故C正確，D錯誤。2.【2015·江蘇·12C（1）】3波粒二象性時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黑體輻射的實驗規(guī)律可用光的波動性解釋D動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波也相等【答案】AB3.【2015·全國新課標·35（1）】7在某次光電效應實驗中，得到的遏制電壓與入射光的頻率的關系如圖所示，若該直線的斜率和截距分別為和，電子電荷量的絕對值為，則普朗克常量可表示為，所用材料的逸出功可表示為?！敬鸢浮俊窘馕觥抗怆娦?，入射光子能量，克服逸出功后多余的能量轉換為電子動能，反向遏制電壓；整理得，斜率即，所以普朗克常量，截距為，即，所以逸出功。4.【2015·上海·11】13某光源發(fā)出的光由不同波長的光組成，不同波長的光的強度如圖所示，表中給出了一些材料的極限波長，用該光源發(fā)出的光照射表中材料A僅鈉能產(chǎn)生光電子 B僅鈉、銅能產(chǎn)生光電子C僅銅、鉑能產(chǎn)生光電子 D都能產(chǎn)生光電子【答案】D5.【2015·全國新課標·35（1）】16實物粒子和光都具有波粒二象性，下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是 。（填正確答案標號，選對1個給2分，選對2個得4分，選對3個得5分，每選錯1個扣3分，最低得分0分）A電子束通過雙縫實驗后可以形成干涉圖樣B 射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡C人們利慢中子衍射來研究晶體的結構D人們利用電子顯微鏡觀測物質的微觀結構E光電效應實驗中，光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關【答案】ACD1.(多選)(2014·廣東卷，18)在光電效應實驗中，用頻率為的光照射光電管陰極，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)象消失 C改用頻率小于的光照射，一定不發(fā)生光電效應D改用頻率大于的光照射，光電子的最大初動能變大解析用頻率為的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應，改用頻率較小的光照射時，有可能發(fā)生光電效應，故C錯誤；據(jù)hW逸mv2可知增加照射光頻率，光電子最大初動能增大，故D正確；增大入射光強度，單位時間內(nèi)照射到單位面積的光電子數(shù)增加，則光電流將增大，故A正確；光電效應是否發(fā)生與照射光頻率有關而與照射光強度無關，故B錯誤。答案AD22014·江蘇卷，12C(1)已知鈣和鉀的截止頻率分別為7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某種單色光的照射下兩種金屬均發(fā)生光電效應，比較它們表面逸出的具有最大初動能的光電子，鈣逸出的光電子具有較大的()A波長 B頻率 C能量 D動量解析由愛因斯坦光電效應方程hW0mv，又由W0h0，可得光電子的最大初動能mvhh0，由于鈣的截止頻率大于鉀的截止頻率，所以鈣逸出的光電子的最大初動能較小，因此它具有較小的能量、頻率和動量，B、C、D錯；又由cf可知光電子頻率較小時，波長較大，A對。答案A3(2014·上海卷，6)在光電效應的實驗結果中，與光的波動理論不矛盾的是()A光電效應是瞬時發(fā)生的B所有金屬都存在極限頻率C光電流隨著入射光增強而變大D入射光頻率越大，光電子最大初動能越大答案C4(多選)(2014·海南卷，17)在光電效應實驗中，用同一種單色光，先后照射鋅和銀的表面，都能發(fā)生光電效應。對于這兩個過程，下列四個物理過程中，一定不同的是()A遏止電壓B飽和光電流C光電子的最大初動能D逸出功解析同一種單色光照射不同的金屬，入射光的頻率和光子能量一定相同，金屬逸出功不同，根據(jù)光電效應方程EkmhW0知，最大初動能不同，則遏止電壓不同；同一種單色光照射，入射光的強度相同，所以飽和光電流相同。故選ACD。答案ACD1在光電效應實驗中，用單色光照射某種金屬表面，有光電子逸出，則光電子的最大初動能取決于入射光的()A頻率 B強度C照射時間 D光子數(shù)目解析：由愛因斯坦光電效應方程EkhW0可知，Ek只與頻率有關，故選項B、C、D錯，選項A正確。答案：A2如圖所示，當弧光燈發(fā)出的光經(jīng)一狹縫后，在鋅板上形成明暗相間的條紋，同時與鋅板相連的驗電器鋁箔有張角，則該實驗()A只能證明光具有波動性B只能證明光具有粒子性C只能證明光能夠發(fā)生衍射D證明光具有波粒二象性答案：D3愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎。某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率的關系如圖所示，其中0為極限頻率。從圖中可以確定的是()A逸出功與有關BEkm與入射光強度成正比C當0時，會逸出光電子D圖中直線的斜率與普朗克常量有關解析：本題考查光電效應的逸出功，意在考查考生是否會根據(jù)圖象分析光電子的最大初動能與入射光頻率的關系或能否將EkmhW與圖象聯(lián)系起來。答案：D4已知鈣和鉀的截止頻率分別為7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某種單色光的照射下兩種金屬均發(fā)生光電效應，比較它們表面逸出的具有最大初動能的光電子，鈣逸出的光電子具有較大的()A波長 B頻率C能量 D動量答案：A5.研究光電效應的電路如圖所示。用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關系圖象中，正確的是()解析：根據(jù)光電效應方程知，頻率相同的光照射金屬，光電子的最大初動能相等，根據(jù)mveUc，知遏止電壓相等，光越強，光電流越大，故C正確。答案：C6一個德布羅意波長為1的中子和另一個德布羅意波長為2的氘核同向正碰后結合成一個氚核，該氚核的德布羅意波長為()A. BC. D解析：中子的動量p1，氘核的動量p2，對撞后形成的氚核的動量p3p2p1，所以氚核的德布羅意波長3，A正確。答案：A7以往我們認識的光電效應是單光子光電效應，即一個電子在極短時間內(nèi)只能吸收到一個光子而從金屬表面逸出。強激光的出現(xiàn)豐富了人們對于光電效應的認識，用強激光照射金屬，由于其光子密度極大，一個電子在極短時間內(nèi)吸收多個光子成為可能，從而形成多光子光電效應，這已被實驗證實。光電效應實驗裝置示意圖如圖所示。用頻率為的普通光源照射陰極K，沒有發(fā)生光電效應，換用同樣頻率的強激光照射陰極K，則發(fā)生了光電效應；此時，若加上反向電壓U，即將陰極K接電源正極，陽極A接電源負極，在KA之間就形成了使光電子減速的電場，逐漸增大U，光電流會逐漸減??；當光電流恰好減小到零時，所加反向電壓U可能是下列的(其中W為逸出功，h為普朗克常量，e為電子電荷量)()AU BUCU2hW DU答案：B8關于物質的波粒二象性，下列說法中正確的是()A不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒都具有波粒二象性B運動的微觀粒子與光子一樣，當它們通過一個小孔時，都沒有特定的運動軌道C波動性和粒子性，在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的D實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性答案：ABC9根據(jù)物質波理論，以下說法中正確的是()A只有微觀粒子有波動性B宏觀物體具有波動性C宏觀物體的波動性不易被人觀察到是因為它的波長太長D速度相同的質子和電子相比，電子的波動性更為明顯解析：因一切運動的物體都具有波動性，故A選項錯誤，B選項正確；宏觀物體的物質波波長很短，人們不易觀察到它的波動性，C選項錯誤；速度相同的質子與電子相比，因電子質量較小，物質波波長更長，所以電子波動性更明顯，故D選項正確。答案：BD10如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線(直線與橫軸的交點為4.27，與縱軸交點為0.5)。由圖可知()A該金屬的截止頻率為4.27×1014 HzB該金屬的截止頻率為5.5×1014 HzC該圖線的斜率表示普朗克常量D該金屬的逸出功為0.5 eV解析：由光電效應方程EkhW0可知，圖中橫軸的截距為該金屬的截止頻率，選項A正確，B錯誤；圖線的斜率表示普朗克常量h，C正確；該金屬的逸出功W0hC6.63×1034×4.27×1014 J1.77 eV或W0hEk6.63×1034×5.5×1014 J0.5 eV1.78 eV，選項D錯誤。答案：AC11分別用波長為和2的光照射同一種金屬，產(chǎn)生的速度最快的光電子速度之比為21，普朗克常量和真空中光速分別用h和c表示，那么下列說法正確的是()A該種金屬的逸出功為B該種金屬的逸出功為C波長超過2的光都不能使該金屬發(fā)生光電效應D波長超過4的光都不能使該金屬發(fā)生光電效應解析：由hW0Ek知hW0mv，hW0mv，又v12v2，得W0，A正確，B錯誤。光的波長小于或等于3時都能發(fā)生光電效應，C錯誤，D正確。答案：AD12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，則下列說法中正確的是()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，電子的衍射現(xiàn)象越明顯D若用相同動能的質子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯答案：AB15