高考物理培優(yōu)一輪計劃全國創(chuàng)新版培優(yōu)講義第13章　近代物理初步第47課時　光電效應波粒二象性

近代物理初步第47課時光電效應、波粒二象性考點1光電效應規(guī)律的理解和應用1．光電效應現(xiàn)象在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，叫做光電效應，發(fā)射出來的電子叫做光電子。2．光電效應規(guī)律(1)每種金屬都有一個極限頻率。(2)光子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。(3)光照射到金屬表面時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。(4)當發(fā)生光電效應時，飽和光電流的強度與入射光的強度成正比。3．愛因斯坦光電效應方程(1)光子說：空間傳播的光的能量是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫做一個光子。光子的能量為ε＝hν，其中h是普朗克常量，其值為6.63×10－34J·s。(2)光電效應方程：eq\o(□,\s\up1(10))Ek＝hν－W0。其中hν為入射光的能量，Ek為光電子的最大初動能，W0是金屬的逸出功。4．遏止電壓與截止頻率(1)遏止電壓：使光電流減小到零的eq\o(□,\s\up1(11))反向電壓Uc。(2)截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應的eq\o(□,\s\up1(12))最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫eq\o(□,\s\up1(13))極限頻率)，用νc表示。不同的金屬對應著不同的極限頻率。(3)逸出功：電子從金屬中逸出所需做功的eq\o(□,\s\up1(14))最小值，叫做該金屬的逸出功。用eq\o(□,\s\up1(15))W0表示逸出功，W0＝eq\o(□,\s\up1(16))hνc。1．(人教版選修3－5P30演示實驗改編)(多選)如圖所示，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()A．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解析光電效應是在光的照射下鋅板中的電子從鋅板表面逸出，A錯誤、B正確；驗電器與鋅板相連，鋅板因失去電子帶正電，驗電器指針張開一個角度，C正確、D錯誤。2．(人教版選修3－5P36·T2改編)(多選)在光電效應實驗中，用頻率為ν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ν的光照射，一定不發(fā)生光電效應D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動能變大答案AD解析增大入射光強度，單位時間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)增加，逸出的光電子數(shù)也增加，則光電流將增大，A正確；光電效應是否發(fā)生取決于入射光的頻率，而與入射光強度無關，B錯誤；用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應，用頻率較小的光照射時，若光的頻率仍大于極限頻率，則仍會發(fā)生光電效應，C錯誤；根據(jù)hν－W0＝eq\f(1,2)mv2可知，增大入射光頻率，光電子的最大初動能也增大，D正確。3．(2017·全國卷Ⅲ)(多選)在光電效應實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確的是()A．若νa>νb，則一定有Ua<UbB．若νa>νb，則一定有Eka>EkbC．若Ua<Ub，則一定有Eka<EkbD．若νa>νb，則一定有hνa－Eka>hνb－Ekb答案BC解析光電效應中遏止電壓與最大初動能之間的關系為eU＝Ek，根據(jù)光電效應方程可知Ek＝hν－W0，若νa>νb，則Eka>Ekb，Ua>Ub，選項A錯誤、選項B正確；若Ua<Ub，則Eka<Ekb，選項C正確；由光電效應方程可得W0＝hν－Ek，則hνa－Eka＝hνb－Ekb，選項D錯誤?？键c2光電效應的圖象問題1．Ek-ν圖象(如圖所示)由Ek＝hν－W0可知：(1)圖線與ν軸交點的橫坐標νc，表示極限頻率。(2)圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值，表示逸出功W0。(3)圖線的斜率k表示普朗克常_量h。2．I-U圖象(如圖所示)(1)圖線與橫軸的交點的絕對值表示遏止電壓。(2)飽和光電流Im：電流的最大值。(3)最大初動能：Ekm＝eUc。3．Uc-ν圖象(如圖所示)由Ek＝hν－W0＝eUc可得：Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，則：(1)圖線與橫軸的交點，表示截止頻率νc。(2)遏止電壓Uc隨入射光頻率的增大而增大。(3)圖線的斜率k＝eq\f(h,e)。(注：此時兩極之間接反向電壓)[例](2017·福建南平模擬)用如圖甲所示的裝置研究光電效應現(xiàn)象。閉合開關S，用頻率為ν的光照射光電管時發(fā)生了光電效應。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖象，圖線與橫軸的交點坐標為(a,0)，與縱軸的交點坐標為(0，－b)，下列說法中正確的是()A．普朗克常量為h＝eq\f(a,b)B．斷開開關S后，電流表G的示數(shù)不為零C．僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大D．僅增加照射光的強度，電流表G的示數(shù)保持不變解析由Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝eq\f(b,a)，故A錯誤；斷開開關S后，光電子勻速運動到陽極，所以電流表G的示數(shù)不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動能，與光的強度無關，故C錯誤；僅提高照射光強度，單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子增多，電流表G的示數(shù)增大，故D錯誤。答案B光電效應的實質(zhì)和發(fā)生條件(1)光電效應的實質(zhì)是金屬中的電子獲得能量后逸出金屬表面，以使金屬帶正電。(2)能否發(fā)生光電效應不取決于入射光的光照強度，而取決于入射光的頻率，只要入射光頻率大于該金屬的極限頻率，無論光照強弱，均能發(fā)生光電效應。(3)定性分析光電效應問題①光電效應實驗裝置及研究電路甲圖是光電管正常工作的電路，光電流有最大值，未達到最大值之前其大小與光強、電壓有關，達到最大值后，光電流與光強成正比。乙圖是光電管加上反向電壓，可以研究光電管的遏止電壓。②研究光電效應的兩條線索1．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ν的關系如圖所示，其中νc為極限頻率。從圖中可以確定的是()A．逸出功與ν有關B．Ekm與入射光強度成正比C．當ν<νc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解析逸出功是由金屬自身決定的，與ν無關，A錯誤。Ek隨入射光頻率的增大而增大，但不是正比關系，與入射光強度無關，B錯誤。當ν<νc時，無光電子逸出，C錯誤。由Ek＝hν－W0知，Ek-ν圖象的斜率為h，D正確。2．在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示。則可判斷出()A．甲光的頻率大于乙光的頻率B．乙光的波長大于丙光的波長C．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能答案B解析由圖象知，甲、乙光對應的遏止電壓相等，由eUc＝Ek和hν＝W0＋Ek得甲、乙光頻率相等，丙光的頻率大于乙光的頻率，則丙光的波長小于乙光的波長，由光電效應方程知，甲光對應的光電子最大初動能小于丙光對應的光電子最大初動能，B正確，A、D錯誤；由hνc＝W0得甲、乙、丙光對應的截止頻率相同，C錯誤。3．(人教版選修3－5P34例題改編)小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現(xiàn)象，實驗裝置示意如圖甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。(1)圖甲中電極A為光電管的________(填“陰極”或“陽極”)；(2)實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝________Hz，逸出功W0＝________J；(3)如果實驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝________J。答案(1)陽極(2)(5.12～5.18)×1014'(3.39～3.43)×10－19(3)(1.21～1.25)×10－19解析(1)由光電管的結(jié)構(gòu)知，A為陽極。(2)Uc-ν圖象中橫軸的截距表示截止頻率νc，逸出功W0＝hνc＝6.63×10－34×5.12×1014J≈3.39×10－19J。(3)由愛因斯坦的光電效應方程Ek＝hν－W0，可求結(jié)果Ek＝6.63×10－34×7.00×1014J－3.39×10－19J≈1.25×10－19J?？键c3光的波粒二象性1．光的波動性和粒子性2．物質(zhì)波(德布羅意波)由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質(zhì)波(德布羅意波)的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它對應，該波的波長λ＝eq\f(h,p)。1．下列有關光的波粒二象性的說法中，正確的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．大量光子的行為往往顯示出粒子性答案C解析光具有波粒二象性，故A錯誤；電子是組成原子的基本粒子，有確定的靜止質(zhì)量，是一種物質(zhì)實體，速度可以低于光速；光子代表著一份能量，沒有靜止質(zhì)量，速度永遠是光速，故B錯誤；光的波長越長，波動性越明顯，波長越短，其粒子性越顯著，故C正確；大量光子運動的規(guī)律表現(xiàn)出光的波動性，故D錯誤。2．光具有波粒二象性，那么能夠證明光具有波粒二象性的現(xiàn)象是()A．光的反射及小孔成像B．光的干涉、光的衍射、光的色散C．光的折射及透鏡成像D．光的干涉、光的衍射和光電效應答案D解析表明光具有波動性的典型現(xiàn)象是光的干涉和衍射現(xiàn)象，表明光具有粒子性的典型現(xiàn)象是光電效應和康普頓效應。故選D。3．2002年諾貝爾物理學獎中的一項是獎勵美國科學家賈科尼和日本科學家小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源。X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長為λ，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p分別表示X射線每個光子的能量和動量，則()A．E＝eq\f(hλ,c)，p＝0B．E＝eq\f(hλ,c)，p＝eq\f(hλ,c2)C．E＝eq\f(hc,λ)，p＝0D．E＝eq\f(hc,λ)，p＝eq\f(h,λ)答案D解析根據(jù)E＝hν，且λ＝eq\f(h,p)，c＝λν可得X射線每個光子的能量為E＝eq\f(hc,λ)，每個光子的動量為p＝eq\f(h,λ)。故選D。1．(2017·北京朝陽模擬)(多選)用綠光照射一個光電管，能產(chǎn)生光電效應，欲使光電子從陰極逸出時最大初動能增大，可以()A．改用紅光照射 B．改用紫光照射C．改用藍光照射 D．增加綠光照射時間答案BC解析光電子的最大初動能與照射時間或照射強度無關，D錯誤；最大初動能與入射光子的能量有關，入射光子的能量越大，光電子從陰極逸出時最大初動能越大，所以改用比綠光光子能量更大的紫光、藍光照射，以增大光電子從陰極逸出時的最大初動能，A錯誤，B、C正確。2．(2018·天津紅橋區(qū)期末)(多選)下列說法正確的是()A．動量相同的電子和質(zhì)子，其德布羅意波長相同B．光電效應現(xiàn)象說明光具有粒子性，光子具有能量C．康普頓效應說明光具有粒子性，光子具有動量D．黑體輻射的實驗規(guī)律說明在宏觀世界里能量是連續(xù)的答案ABC解析根據(jù)物質(zhì)波波長公式λ＝eq\f(h,p)可知，當質(zhì)子和電子動量相同時，則德布羅意波長相同，A正確；光電效應現(xiàn)象說明光具有粒子性，光子具有能量，光子的能量ε＝hν，B正確；康普頓效應說明光具有粒子性和光子具有動量，光子的動量p＝eq\f(h,λ)，C正確；黑體輻射的實驗規(guī)律說明在宏觀世界里能量是分立的，D錯誤。3．(2017·陜西寶雞中學高三質(zhì)檢)(多選)下列說法正確的是()A．普朗克曾經(jīng)大膽假設：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整數(shù)倍，這個不可再分的最小能量值ε叫能量子B．德布羅意提出：實物粒子也具有波動性，而且粒子的能量ε和動量p跟它對應的波的頻率ν和波長λ之間，遵從ν＝eq\f(ε,h)和λ＝eq\f(h,p)C．光電效應揭示了光具有粒子性，康普頓效應揭示了光具有波動性D．X射線是處于激發(fā)態(tài)的原子核輻射出的答案AB解析普朗克把最小的能量單位叫能量子，故A正確；德布羅意提出了實物粒子具有波動性的規(guī)律，故B正確；在康普頓效應中，也揭示了光具有粒子性，故C錯誤；X射線是處于激發(fā)態(tài)的原子內(nèi)層電子受到激發(fā)輻射出的，故D錯誤。4．頻率為ν的光照射某金屬時，產(chǎn)生光電子的最大初動能為Ekm。改為頻率為2ν的光照射同一金屬，所產(chǎn)生光電子的最大初動能為(h為普朗克常量)()A．Ekm－h(huán)νB．2EkmC．Ekm＋hνD．Ekm＋2hν答案C解析根據(jù)愛因斯坦光電效應方程得：Ekm＝hν－W0，若入射光頻率變?yōu)?ν，則Ekm′＝h·2ν－W0＝2hν－(hν－Ekm)＝hν＋Ekm，故選C。5．用如圖甲所示的電路研究光電效應中光電流強度與照射光的強弱、頻率等的關系，A、K兩極間的電壓大小可調(diào)，電源的正負極也可以對調(diào)。分別用a、b、c三束單色光照射，調(diào)節(jié)A、K間的電壓U，得到光電流I與電壓U的關系如圖乙所示。由圖可知()A．單色光a和c的頻率相同，但a更強些B．單色光a和c的頻率相同，但a更弱些C．單色光b的頻率小于a的頻率D．改變電源的極性不可能有光電流產(chǎn)生答案A解析由題圖乙可知，單色光a、c的遏止電壓相同，根據(jù)光電效應方程可知Ek＝hν－W0又Ek＝eUc，所以單色光a和c的頻率相同，但a產(chǎn)生的光電流大，說明a光的強度大，A正確、B錯誤；單色光b的遏止電壓大于單色光a、c的遏止電壓，所以單色光b的頻率大于a的頻率，C錯誤；光的頻率不變，改變電源的極性，只要所加反向電壓沒達到遏止電壓，可能有光電流產(chǎn)生，D錯誤。6．(2018·湖北武漢聯(lián)考)(多選)在X射線管中，由陰極發(fā)射的電子(不計初速度)被加速后打到陽極，會產(chǎn)生包括X光在內(nèi)的各種能量的光子，其中光子能量的最大值等于電子的動能。已知陽極與陰極之間的電勢差U、普朗克常量h、電子電荷量e和光速c，則可知該X射線管發(fā)出的X光的()A．最短波長為eq\f(hc,eU)B．最長波長為eq\f(ch,eU)C．最小頻率為eq\f(eU,h)D．最大頻率為eq\f(eU,h)答案AD解析根據(jù)動能定理eU＝eq\f(1,2)mv2、光速與波長和頻率的關系公式c＝λν、光子能量E＝hν，依題意有eU≥E，則可得λ≥eq\f(hc,eU)，ν≤eq\f(eU,h)，故A、D正確。7．(多選)某半導體激光器發(fā)射波長為1.5×10－6m，功率為5.0×10－3W的連續(xù)激光。已知可見光波長的數(shù)量級為10－7m，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，該激光器發(fā)出的是()A．是紫外線B．是紅外線C．光子能量約為1.3×10－18JD．光子數(shù)約為每秒3.8×1016個答案BD解析波長的大小大于可見光的波長，屬于紅外線，故A錯誤、B正確；光子能量E＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,1.5×10－6)J＝1.326×10－19J，故C錯誤；每秒鐘發(fā)出的光子數(shù)n＝eq\f(Pt,E)≈3.8×1016，故D正確。8．(多選)用某單色光照射金屬鈦表面，發(fā)生光電效應，從鈦表面放出光電子的最大初動能與入射光頻率的關系如圖，則下列說法正確的是()A．鈦的逸出功為6.67×10－19JB．鈦的極限頻率為1.0×1015HzC．光電子的最大初動能為1.0×10－18JD．由圖線可求得普朗克常量為6.67×10－34J·sE．光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比答案ABD解析根據(jù)光電效應方程Ek＝hν－W0知，圖線的斜率等于普朗克常量，則h＝eq\f(1×10－18,1.5×1015)≈6.67×10－34J·s，故D正確；當最大初動能為零時，入射光的頻率等于金屬的極限頻率，則ν0＝1.0×1015Hz，可知逸出功W0＝hν0＝6.67×10－34×1×1015J＝6.67×10－19J，故A、B正確；入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大，根據(jù)該圖無法得出光電子的最大初動能，故C錯誤；由圖可知，光電子的最大初動能與入射光的頻率成一次函數(shù)關系，不是正比關系，故E錯誤。9．(2016·全國卷Ⅰ)(多選)現(xiàn)用一光電管進行光電效應實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是()A．保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大B．入射光的頻率變高，飽和光電流變大C．入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D．保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生E．遏止電壓的大小與入射光的頻率有關，與入射光的光強無關答案ACE解析保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，單位時間內(nèi)逸出的光電子個數(shù)增加，則飽和光電流變大，故A正確。飽和光電流的大小與入射光的頻率無直接關系，故B錯誤。由Ek＝hν－W0，可知C正確。當入射光的頻率小于金屬的極限頻率時，光電效應不能發(fā)生，故D錯誤。由eUc＝eq\f(1,2)mv2＝hν－W0得eUc＝hν－W0，可見，遏止電壓Uc隨ν的增大而增大，與入射光的光強無關，故E正確。10．(2016·廣東廣州二模)(多選)如圖所示是光控繼電器的示意圖，K是光電管的陰極。下列說法正確的是()A．圖中a端應是電源的正極B．只要有光照射K，銜鐵就被電磁鐵吸引C．只要照射K的光強度足夠大，銜鐵就被電磁鐵吸引D．只有照射K的光頻率足夠大，銜鐵才被電磁鐵吸引答案AD解析電路中要產(chǎn)生電流，則a端接電源的正極，使逸出的光電子在光電管中加速，放大器的作用是將光電管中產(chǎn)生的電流放大后，使鐵芯磁化，將銜鐵吸住，A正確。根據(jù)光電效應產(chǎn)生的條件可知，只有照射K的光頻率大于金屬的極限頻率時，才能產(chǎn)生光電效應，產(chǎn)生光電效應時，銜鐵才被電磁鐵吸引，B錯誤、D正確。根據(jù)光電效應方程知，能否發(fā)生光電效應與入射光的強度無關，由金屬的逸出功和入射光的頻率決定，故C錯誤。11．(2015·全國卷Ⅱ)(多選)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()A．電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣B．β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡C．人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu)D．人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)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ACD解析衍射和干涉是波特有的現(xiàn)象，A、C正確；光電效應體現(xiàn)了光的粒子性，E錯誤；射線在云室中穿過，留下的徑跡是粒子的軌跡，B錯誤；電子顯微鏡利用了電子的波動性來觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，D正確。12．(2017·河北定州質(zhì)檢)(多選)三種不同的入射光A、B、C分別射在三種不同的金屬a、b、c表面，均恰能使金屬中逸出光電子，若三種入射光的波長λA>λB>λC，則()A．用入射光A照射金屬b和c，金屬b和c均可發(fā)生光電效應現(xiàn)象B．用入射光A和B照射金屬c，均可使金屬c發(fā)生光電效應現(xiàn)象C．用入射光C照射金屬a和b，金屬a、b均可發(fā)生光電效應現(xiàn)象D．用入射光B和C照射金屬a，均可使金屬a發(fā)生光電效應現(xiàn)象答案CD解析恰能使金屬逸出光電子，說明入射光的頻率恰好等于金屬的截止頻率，由題意知入射光的頻率νA<νB<νC，A的頻率最小，用入射光A照射金屬b和