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1、
專題60 光電效應(yīng) 波粒二象性(講)
(命題規(guī)律
(1)動(dòng)量和動(dòng)量守恒等基本概念、規(guī)律的理解,一般結(jié)合碰撞等實(shí)際過(guò)程考查;
(2)綜合運(yùn)用動(dòng)量和機(jī)械能的知識(shí)分析較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程;
(3)光電效應(yīng)、波粒二象性的考查;
(4)氫原子光譜、能級(jí)的考查;
(5)放射性元素的衰變、核反應(yīng)的考查;
(6)質(zhì)能方程、核反應(yīng)方程的計(jì)算;
(7)與動(dòng)量守恒定律相結(jié)合的計(jì)算。
復(fù)習(xí)策略
(1)深刻理解動(dòng)量守恒定律,注意動(dòng)量的矢量性、瞬時(shí)性、同一性和同時(shí)性;
(2)培養(yǎng)建模能力,將物理問(wèn)題經(jīng)過(guò)分析、推理轉(zhuǎn)化為動(dòng)力學(xué)問(wèn)題;
(3)深刻理解基本概念和基本規(guī)律;
(4)關(guān)注科技熱點(diǎn)和科技進(jìn)步
2、;
(5)體會(huì)微觀領(lǐng)域的研究方法,從實(shí)際出發(fā),經(jīng)分析總結(jié)、提出假設(shè)、建立模型,再經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題,從而對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正。
1.知道什么是光電效應(yīng),理解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.
2.會(huì)利用光電效應(yīng)方程計(jì)算逸出功、極限頻率、最大初動(dòng)能等物理量.
3.知道光的波粒二象性,知道物質(zhì)波的概念.
一、黑體輻射與能量子
1.黑體與黑體輻射
(1)黑體:是指能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射的物體.
(2)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
①一般材料的物體,輻射的電磁波除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類(lèi)及表面狀況有關(guān).
②黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān).
3、
a.隨著溫度的升高,各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都增加.
b.隨著溫度的升高,輻射強(qiáng)度的極大值向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng).
2.能量子
(1)定義:普朗克認(rèn)為,帶電微粒輻射或者吸收能量時(shí),只能輻射或吸收某個(gè)最小能量值的整數(shù)倍.即能量的輻射或者吸收只能是一份一份的.這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫做能量子.
(2)能量子的大?。害牛絟ν,其中ν是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量.h=6.6310-34 Js.
二、光電效應(yīng)
1.光電效應(yīng)現(xiàn)象
光電效應(yīng):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(yīng),發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子.
2.光電效應(yīng)規(guī)律
(1)每種金屬都有一個(gè)極限頻率.
(2)
4、光子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),只隨入射光的頻率增大而增大.
(3)光照射到金屬表面時(shí),光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的.
(4)光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比.
3.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程
(1)光子說(shuō):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(gè)光子.光子的能量為ε=hν,其中h是普朗克常量,其值為6.6310-34 Js.
(2)光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0.
其中hν為入射光的能量,Ek為光電子的最大初動(dòng)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反向電壓Uc.
(2)截止頻率:能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫做
5、該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率).不同的金屬對(duì)應(yīng)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最小值,叫做該金屬的逸出功.
三、光的波粒二象性與物質(zhì)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(dòng)性.
(2)光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性.
(3)光既具有波動(dòng)性,又具有粒子性,稱為光的波粒二象性.
2.物質(zhì)波
(1)概率波
光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動(dòng)遵守波動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達(dá)概率大的地方,暗條紋是光子到達(dá)概率小的地方,因此光波又叫概率波.
(2)物質(zhì)波
任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體,小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對(duì)應(yīng),其波長(zhǎng),p為
6、運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量,h為普朗克常量.
考點(diǎn)一 光電效應(yīng)現(xiàn)象和光電效應(yīng)方程的應(yīng)用
1.對(duì)光電效應(yīng)的四點(diǎn)提醒
(1)能否發(fā)生光電效應(yīng),不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率。
(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見(jiàn)光,也包括不可見(jiàn)光。
(3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無(wú)關(guān)。
(4)光電子不是光子,而是電子。
2.兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系
光強(qiáng)大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大;
光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大。
3.定量分析時(shí)應(yīng)抓住三個(gè)關(guān)系式
(1)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初動(dòng)能與遏止電壓的關(guān)系:Ek=eUc。
(3)逸出功與極限頻率的
7、關(guān)系:W0=hν0。
★重點(diǎn)歸納★
1、光電效應(yīng)的圖象分析
兩條線索
(1)通過(guò)頻率分析:光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能大.
(2)通過(guò)光的強(qiáng)度分析:入射光強(qiáng)度大→光子數(shù)目多→產(chǎn)生的光電子多→光電流大
圖象名稱
圖線形狀
由圖線直接(間接) 得到的物理量
最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線
①極限頻率:圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc
②逸出功:圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的值W0=|-E|=E
③普朗克常量:圖線的斜率k=h
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
8、大初動(dòng)能:Ekm=eUc
顏色不同時(shí),光電流與電壓的關(guān)系
①遏止電壓Uc1、Uc2
②飽和光電流
③最大初動(dòng)能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
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(shí)兩極之間接反向電壓)
★典型案例★2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主威拉德博伊爾和喬治史密斯主要成就是發(fā)明了電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。他們的發(fā)明利用了愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)原理。如圖所示電路可研究光電效應(yīng)規(guī)律。圖中標(biāo)有A和K的為光電管,其中A
9、為陰極,K為陽(yáng)極。理想電流計(jì)可檢測(cè)通過(guò)光電管的電流,理想電壓表用來(lái)指示光電管兩端的電壓?,F(xiàn)接通電源,用光子能量為10.5eV的光照射陰極A,電流計(jì)中有示數(shù),若將滑動(dòng)變阻器的滑片P緩慢向右滑動(dòng),電流計(jì)的讀數(shù)逐漸減小,當(dāng)滑至某一位置時(shí)電流計(jì)的讀數(shù)恰好為零,讀出此時(shí)電壓表的示數(shù)為6.0V;現(xiàn)保持滑片P位置不變,以下判斷正確的是。(填正確答案標(biāo)號(hào)。選對(duì)1個(gè)得2分,選對(duì)2個(gè)得4分,選對(duì)3個(gè)得5分。每選錯(cuò)1個(gè)扣3分,最低得分為0分)
A.光電管陰極A射出的光電子是具有瞬時(shí)性的
B.光電管陰極材料的逸出功為4.5eV
C.若增大入射光的強(qiáng)度,電流計(jì)的讀數(shù)不為零
D.若用光子能量為12eV的光照射
10、陰極A,光電子的最大初動(dòng)能一定變大
E.若用光子能量為9.5eV的光照射陰極A,同時(shí)把滑片P向左移動(dòng)少許,電流計(jì)的讀數(shù)一定不為零
【答案】ABD
【解析】 由光電效應(yīng)現(xiàn)象知,光電子的射出具有瞬時(shí)性,A對(duì);光電管兩端所加電壓為反向電壓,當(dāng)所加電壓為6V時(shí),電流計(jì)讀數(shù)恰好為零,可知光電子的最大初動(dòng)能為6eV,入射光子的能量為10.5eV,由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程知,光電管陰極材料的逸出功為4.5V,B對(duì);最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),故C錯(cuò);由知,若用光子能量為12eV的光照射陰極A,光電子的最大初動(dòng)能一定變大,D對(duì);由知,若用光子能量為9.5eV的光照射陰極A,則最大初動(dòng)能為5eV,把P向左
11、移動(dòng),所加電壓小于6V,故電流計(jì)的讀數(shù)不定,E錯(cuò)。
【名師點(diǎn)睛】愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程:
(1)光子說(shuō):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(gè)光子.光子的能量為ε=hν,其中h是普朗克常量,其值為6.6310-34Js.
(2)光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0
其中hν為入射光的能量,Ek為光電子的最大初動(dòng)能,W0是金屬的逸出功.
★針對(duì)練習(xí)1★關(guān)于光電效應(yīng),下列說(shuō)法正確的是: ( )
A.極限頻率越大的金屬材料逸出功越大
B.只要光照射的時(shí)間足夠長(zhǎng),任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng)
C.從金屬表面逸出的光電子的最大初動(dòng)能越大,這種金屬的逸出功越小
12、
D.入射光的光強(qiáng)一定時(shí),頻率越高,單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多
【答案】A
【名師點(diǎn)睛】解決本題的關(guān)鍵掌握光電效應(yīng)的條件,以及掌握光電效應(yīng)方程,知道光的強(qiáng)度影響單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目.
★針對(duì)練習(xí)2★某金屬在光的照射下發(fā)生光電效應(yīng),光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系如圖所示,試求:
①普朗克常量(用圖中字母表示);
②入射光的頻率為時(shí),產(chǎn)生的光電子的最大處動(dòng)能。
【答案】①②
【解析】 ①由光電效應(yīng)方程,結(jié)合圖像可知金屬的逸出功,極限頻率為νc,所以,解得。
②由光電效應(yīng)方程,則:。
【名師點(diǎn)睛】解決本題的關(guān)鍵掌握光電效應(yīng)方程,知道逸出功與極限頻率的關(guān)系。
考
13、點(diǎn)二 對(duì)光的波粒二象性、物質(zhì)波的考查
光既具有波動(dòng)性,又具有粒子性,兩者不是孤立的,而是有機(jī)的統(tǒng)一體,其表現(xiàn)規(guī)律為:
(1)個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性;大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。
(2)頻率越低波動(dòng)性越顯著,越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象;頻率越高粒子性越顯著,越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象,而貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)。
(3)光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性;在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),往往表現(xiàn)為粒子性。
★典型案例★實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性。下列事實(shí)中不能體現(xiàn)波動(dòng)性的是: ( )
A電子束通過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)裝置后可以形成干涉圖樣
B射線在云室中穿過(guò)會(huì)留下清晰的徑跡
14、
C人們利用慢中子衍射來(lái)研究晶體的結(jié)構(gòu)
D人們利用電子顯微鏡觀測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)
【答案】B
【名師點(diǎn)睛】本題考查了光的波粒二象性,有時(shí)波動(dòng)性明顯,有時(shí)粒子性明顯.明確各種物理現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)和原理才能順利解決此類(lèi)題目。
★針對(duì)練習(xí)1★(多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征,以下說(shuō)法正確的是: ( )
A.光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性
B.熱中子束射到晶體上產(chǎn)生的衍射圖樣說(shuō)明中子具有波動(dòng)性
C.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用光的波動(dòng)性解釋
D.動(dòng)能相等的質(zhì)子和電子,它們的德布羅意波長(zhǎng)也相等
【答案】AB
【解析】 光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性.故A正確;熱中子束射到晶
15、體上產(chǎn)生的衍射圖樣說(shuō)明中子具有波動(dòng)性.故B正確;黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律不能使用光的波動(dòng)性解釋,而普朗克借助于能量子假說(shuō),完美的解釋了黑體輻射規(guī)律,破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念.故C錯(cuò)誤;根據(jù)德布羅意波長(zhǎng)公式,若一個(gè)電子的德布羅意波長(zhǎng)和一個(gè)質(zhì)子的波長(zhǎng)相等,則動(dòng)量P也相等,動(dòng)能則不相等.故D錯(cuò)誤.故選AB。
【名師點(diǎn)睛】本題主要考查德布羅意波和黑體輻射理論,在考綱中屬于基本要求.明確各種物理現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)和原理才能順利解決此類(lèi)題目,故平時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)要“知其然,更要知其所以然”.
★針對(duì)練習(xí)2★下列說(shuō)法不正確的是: ( )
A.黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)
B.光波是一種概率波
C.實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性
D.光電效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明光具有粒子性而康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性
【答案】D
【名師點(diǎn)睛】考查黑體輻射的規(guī)律、光的波粒二象性,要知道黑體輻射電磁波的強(qiáng)度,按波長(zhǎng)的分布,只與黑體的溫度有關(guān);光既有波動(dòng)性,又有粒子性,康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性,知道光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的作用。
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