高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 第2節(jié) 波粒二象性講義（含解析）-人教版高三物理試題

波粒二象性(1)光子和光電子都是實(shí)物粒子。(×)(2)只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，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(xué)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(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)，證實(shí)了光的粒子性。(√)(8)法國物理學(xué)家德布羅意大膽預(yù)言了實(shí)物粒子在一定條件下會表現(xiàn)為波動性。(√)突破點(diǎn)(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(yùn)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(dá)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(qiáng)度與光子能量：入射光強(qiáng)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(qiáng)度與飽和光電流：飽和光電流與入射光強(qiáng)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(qiáng)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：eq\x(光強(qiáng)大)→eq\x(光子數(shù)目多)→eq\x(發(fā)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)[題點(diǎn)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()A．a(chǎn)光的波長一定小于b光的波長B．只增加a光的強(qiáng)度可能使通過電流表的電流增大C．只增加a光的強(qiáng)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(dāng)電源的正、負(fù)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νa>νb，由λ＝eq\f(c,ν)知a光的波長小于b光的波長，A正確；只增加a光的強(qiáng)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Ek＝hν－W0，最大初動能與入射光頻率有關(guān)，與強(qiáng)度無關(guān)，故只增加a光的強(qiáng)度逸出的光電子最大初動能不變，C錯誤；當(dāng)正、負(fù)極對調(diào)后，形成反向電場，光電子在電場中做減速運(yùn)動，若qU>Ekm，則光電子無法到達(dá)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λ1、λ2和λ3(λ1＞λ2＞λ3)。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(qiáng)，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(qiáng)，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：λ＝eq\f(c,ν)，因λ1＞λ2＞λ3，那么ν1＜ν2＜ν3；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(qiáng)，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：Ekm＝hν－W，可知，光電子的最大初動能與光的強(qiáng)弱無關(guān)，故C正確，D錯誤。3．(2018·江蘇高考)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用波長為λ0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(dāng)波長為eq\f(λ0,2)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W＝hν0＝heq\f(c,λ0)波長為eq\f(λ0,2)的單色光的頻率ν＝eq\f(2c,λ0)根據(jù)光電效應(yīng)方程得，光電子的最大初動能Ek＝hν－W＝heq\f(2c,λ0)－h(huán)eq\f(c,λ0)＝eq\f(hc,λ0)根據(jù)p＝eq\f(h,λ)，得A、B兩光子的動量之比eq\f(pA,pB)＝eq\f(\f(λ0,2),λ0)＝eq\f(1,2)。答案：eq\f(hc,λ0)1∶2突破點(diǎn)(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Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實(shí)驗(yàn)的方法測得，即Ek＝eUc，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νc的關(guān)系是W0＝hνc。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ν的關(guān)系圖線①截止頻率(極限頻率)：圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc②逸出功：圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點(diǎn)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量的乘積，即h＝ke。(注：此時兩極之間接反向電壓)顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點(diǎn)②飽和光電流Im：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[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ν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、ν1、ν0均為已知量，電子電荷量用e表示。當(dāng)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-ν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)Ekm＝hν－W0＝eUc，由Uc-ν圖像可知，當(dāng)遏止電壓為零時，ν＝ν0，所以這種金屬的截止頻率為ν0；根據(jù)Ekm＝hν－W0＝eUc，解得Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(hν0,e)，圖線的斜率k＝eq\f(h,e)＝eq\f(U1,ν1－ν0)，則h＝eq\f(eU1,ν1－ν0)。[答案]Neq\f(eU1,ν1－ν0)[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hνc＝heq\f(c,λc)＝W0。(3)應(yīng)用光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0時，注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1eV＝1.6×10－19J)。[集訓(xùn)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()A．a(chǎn)光的頻率大B．b光子的能量小C．增大a光光照強(qiáng)度，其對應(yīng)的飽和電流增大D．a(chǎn)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Ekm＝hν－W0＝eUc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(qiáng)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ν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5.5×1014Hz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Ekm＝hν－W0及能量守恒定律方程：eUc＝Ekm，得：Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)。當(dāng)Uc＝0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W0＝hνc，νc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＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)，斜率為eq\f(h,e)，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(shí)驗(yàn)時得到的某金屬的遏止電壓Uc與照射光頻率ν的幾組數(shù)據(jù)，并由此繪制Uc-ν圖像如圖甲所示(已知e＝1.6×10－19C)。求：Uc/V0.5410.6370.7140.8090.878ν/(×1014Hz)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(biāo)系中完成光電子最大初動能Ek-ν關(guān)系圖像。解析：(1)由題圖甲可知，金屬的極限頻率ν0＝4.25×1014Hz。(2)在圖像中取(5.50×1014Hz,0.50V)點(diǎn)，設(shè)普朗克常量為h，由動能定理和光電效應(yīng)方程可得－eUc＝0－EkEk＝hν－h(huán)ν0則Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(h,e)ν0解得h＝6.4×10－34J·s。(3)由于Ek＝hν－h(huán)ν0Ek-ν關(guān)系圖像如圖所示。答案：(1)4.25×1014Hz(2)6.4×10－34J·s(3)圖見解析突破點(diǎn)(三)對波粒二象性的理解1．對光的波動性和粒子性的進(jìn)一步理解光的波動性光的粒子性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)干涉和衍射光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)表現(xiàn)①光是一種概率波，即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述②大量的光子在傳播時，表現(xiàn)出光的波動性①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)②少量或個別光子容易顯示出光的粒子性說明①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②光的波動性不同于宏觀觀念的波①粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的②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(qiáng)，而波長短(頻率高)的光粒子性強(qiáng)。(3)光子說并未否定波動說，E＝hν＝eq\f(hc,λ)中，ν和λ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(yùn)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：λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)，h是普朗克常量。[題點(diǎn)全練]1．[多選](2018·金陵中學(xué)期末)利用金屬晶格(大小約10－10m)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(shí)驗(yàn)說明了電子具有波動性B．實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長為λ＝eq\f(h,\r(2meU))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(shí)驗(yàn)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eU＝eq\f(1,2)mv2，故有p＝mv＝eq\r(2meU)，所以實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長為λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,\r(2meU))，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＝eq\r(2mEk)變大，故德布羅意波的波長λ＝eq\f(h,p)變小，故衍射現(xiàn)象將不明顯，D錯誤。2．[多選]實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性，下列現(xiàn)