物理第十二章 近代物理 第1節(jié) 光電效應(yīng) 波粒二象性 新人教版

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1、第十二章近代物理-2-第1節(jié)光電效應(yīng)波粒二象性-4-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診一、光電效應(yīng)1.定義:在光的照射下從物體發(fā)射出 電子的現(xiàn)象(發(fā)射出的電子稱為光電子)。2.產(chǎn)生條件:入射光的頻率 大于或等于極限頻率。3.光電效應(yīng)規(guī)律(1)存在著飽和電流:對(duì)于一定顏色的光,入射光強(qiáng)度越大,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù) 越多。(2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電子的能量只與入射光的 頻率有關(guān),而與入射光的 強(qiáng)弱無關(guān)。當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。(3)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性:當(dāng)頻率超過截止頻率時(shí),無論入射光怎樣微弱,幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流,時(shí)間不超過10-9s。-5-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診二、光子說及

2、光電效應(yīng)方程1.光子說空間傳播的光是一份一份的,每一份叫一個(gè)光子,一個(gè)光子的能量為E=h,其中h=6.6310-34Js(稱為普朗克常量)。2.光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式:光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光光子的能量h和逸出功W0之間的關(guān)系:Ek= h-W0。其中逸出功是指使某種金屬原子中的電子脫離金屬所做功的 最小值。(2)物理意義:金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h,這些能量一部分用于克服金屬的 逸出功,剩下的表現(xiàn)為逸出電子的 初動(dòng)能。-6-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診三、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)說明光具有 粒子性。(3)光既

3、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為運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量,h為普朗克常量。-7-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診1.(2017黑龍江哈爾濱期中)用一束紫外線照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng),可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是 ()A.改用紅光照射B.改用X射線照射C.改用強(qiáng)度更大的原紫外線照射D.延長(zhǎng)原紫外線的照射時(shí)間 答案解析解析關(guān)閉根據(jù)光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件0,

4、要產(chǎn)生光電效應(yīng),必須用頻率更高的光。能否發(fā)生光電效應(yīng)與光的強(qiáng)度和照射時(shí)間無關(guān),X射線的頻率大于紫外線的頻率。故A、C、D錯(cuò)誤,B正確。 答案解析關(guān)閉B-8-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診2.(多選)如圖所示,用導(dǎo)線把驗(yàn)電器與鋅板相連接,已知紫光頻率大于鋅的極限頻率,當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí),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(yàn)電器兩箔片張開一個(gè)角度D.鋅板帶負(fù)電 答案解析解析關(guān)閉用紫外線照射鋅板是能夠發(fā)生光電效應(yīng)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(cuò)誤,B正確;鋅板與驗(yàn)電器相連,使驗(yàn)電器帶有相同電性的電荷,驗(yàn)電器的指針就會(huì)張開一個(gè)角度,鋅板失去電子應(yīng)該帶正

5、電,且鋅板失去電子越多,帶正電的電荷量越多,驗(yàn)電器兩箔片張角越大,故C正確,D錯(cuò)誤。 答案解析關(guān)閉BC-9-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診3.關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律,下列說法正確的是()A.只有入射光的波長(zhǎng)大于該金屬的極限波長(zhǎng),光電效應(yīng)才能產(chǎn)生B.光電子的最大初動(dòng)能跟入射光強(qiáng)度成正比C.發(fā)生光電效應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間一般都大于10-7sD.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),單位時(shí)間內(nèi)從金屬內(nèi)逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)度成正比 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-10-知識(shí)梳理考點(diǎn)自診4.請(qǐng)判斷下列說法是否正確。(1)只要光照射的時(shí)間足夠長(zhǎng),任何金屬都能發(fā)生光電效應(yīng)。()(2)光電子就是光子。()(3)極限頻率越大的金屬材料逸出功越大。()(

6、4)從金屬表面出來的光電子的最大初動(dòng)能越大,這種金屬的逸出功越小。()(5)入射光的頻率越大,逸出功越大。() 答案 答案關(guān)閉(1)(2)(3)(4)(5)-11-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三對(duì)光電效應(yīng)的理解對(duì)光電效應(yīng)的理解與光電效應(yīng)有關(guān)的概念對(duì)比1.光子與光電子:光子不帶電;光電子是光電效應(yīng)時(shí)發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)是電子。2.光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能:光電子的初動(dòng)能小于等于光電子的最大初動(dòng)能。3.光電流和飽和光電流: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(gè)飽和值,這個(gè)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.

7、入射光強(qiáng)度與光子能量:入射光強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的總能量,與光子的能量和單位時(shí)間內(nèi)光子的數(shù)目有關(guān)。-12-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三5.光的強(qiáng)度與飽和光電流:頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng),入射光越強(qiáng),飽和光電流越大。-13-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三例1(多選)(2016全國卷)現(xiàn)用某一光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),當(dāng)用某一頻率的光入射時(shí),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(qiáng)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(dòng)能變大D.保持入射光的光強(qiáng)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

8、大小與入射光的頻率有關(guān),與入射光的光強(qiáng)無關(guān) 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-14-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三思維點(diǎn)撥本題主要考查光電效應(yīng)。發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率,光的強(qiáng)弱只影響單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目;本題涉及的光電效應(yīng)知識(shí)較多,很多結(jié)論都是識(shí)記的,注意把握現(xiàn)象的實(shí)質(zhì),明確其間的聯(lián)系與區(qū)別;平時(shí)積累物理知識(shí)。-15-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三光電效應(yīng)的研究思路(1)兩條線索:(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-16-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三即學(xué)即練即學(xué)即練1.(多選)(2017全國卷)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,分別

9、用頻率為a、b的單色光a、b照射到同種金屬上,測(cè)得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動(dòng)能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確的是()A.若ab,則一定有Uab,則一定有EkaEkbC.若UaUb,則一定有Ekab,則一定有ha-Ekahb-Ekb 答案解析解析關(guān)閉根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=h-W和光電子的最大初動(dòng)能與遏止電壓的關(guān)系-eU=0-Ek,得eU=h-W,A錯(cuò),B、C正確;若ab,則一定有ha-Eka=hb-Ekb=W,D錯(cuò)。 答案解析關(guān)閉BC-17-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三2.(多選)(2017四川成都一診)下圖所示為光電管的工作電路圖,分別用波長(zhǎng)為0、1、2的

10、單色光做實(shí)驗(yàn),已知102。當(dāng)開關(guān)閉合后,用波長(zhǎng)為0的單色光照射光電管的陰極K時(shí),電流表有示數(shù)。則下列說法正確的是 ()A.光電管陰極材料的逸出功與入射光無關(guān)B.若用波長(zhǎng)為1的單色光進(jìn)行實(shí)驗(yàn),則電流表的示數(shù)一定為零C.若僅增大電源的電動(dòng)勢(shì),則電流表的示數(shù)一定增大D.若僅將電源的正負(fù)極對(duì)調(diào),則電流表的示數(shù)可能為零 答案解析解析關(guān)閉光電管陰極材料的逸出功只與材料有關(guān),而與入射光的頻率、入射光的強(qiáng)度無關(guān),A正確;用波長(zhǎng)為0的光照射陰極K時(shí),電路中有光電流,可知波長(zhǎng)為0的光照射陰極K時(shí),發(fā)生了光電效應(yīng);若用波長(zhǎng)為1(10)的光照射陰極K時(shí),雖然入射光的頻率變小,但仍可能大于陰極的極限頻率,仍可能發(fā)生光電

11、效應(yīng),因此電流表的示數(shù)可能不為零,B錯(cuò)誤;僅增大電路中電源的電動(dòng)勢(shì),光電管兩端電壓增大,當(dāng)達(dá)到飽和電流后,電流表的示數(shù)不再增大,C錯(cuò)誤;將電路中電源的正負(fù)極對(duì)調(diào),光電子做減速運(yùn)動(dòng),若電子不能到達(dá)陽極,則此時(shí)電流表的示數(shù)為零,D正確。 答案解析關(guān)閉AD-18-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三光電效應(yīng)四類圖象問題光電效應(yīng)四類圖象問題四類圖象-19-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三-20-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三例2(多選)(2017山西運(yùn)城模擬)美國物理學(xué)家密立根利用圖示的電路研究金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率的關(guān)系,描繪出圖乙中的圖象,由此算出普朗克常量h,電子電荷量用e表示,下列說法正確的是()A.入射光的頻

12、率增大,測(cè)遏制電壓時(shí),應(yīng)使滑動(dòng)變阻器的滑片P向M端移動(dòng)B.增大入射光的強(qiáng)度,光電子的最大初動(dòng)能也增大C.由Uc-圖象可知,這種金屬截止頻率為c 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-21-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三定量分析時(shí)應(yīng)抓住三個(gè)關(guān)系式(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程:Ek=h-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關(guān)系:W0=h0。-22-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三即學(xué)即練即學(xué)即練3.(2017甘肅蘭州模擬)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到三條光電流與電壓之間的關(guān)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

13、率B.乙光的波長(zhǎng)大于丙光的波長(zhǎng)C.乙光對(duì)應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率D.甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能大于丙光的光電子最大初動(dòng)能 答案解析解析關(guān)閉由圖象知,甲、乙光對(duì)應(yīng)的遏止電壓相等,由eUc=Ek和h=W0+Ek得甲、乙光的頻率相等,A錯(cuò)誤;丙光的頻率大于乙光的頻率,則丙光的波長(zhǎng)小于乙光的波長(zhǎng),B正確;金屬發(fā)生光電效應(yīng)的截止頻率只與金屬本身有關(guān),所以C錯(cuò)誤;由光電效應(yīng)方程知,甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能小于丙光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能,D錯(cuò)誤。 答案解析關(guān)閉B-23-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三4.(多選)下圖是用光照射某種金屬時(shí)逸出的光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的變化圖線(直線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)4.

14、27,與縱軸交點(diǎn)坐標(biāo)0.5)。已知普朗克常量為6.6310-34Js,則由圖可知()A.該金屬的截止頻率為4.271014HzB.該金屬的截止頻率為5.51014HzC.該圖線的斜率表示普朗克常量D.該金屬的逸出功為0.5eV 答案解析解析關(guān)閉圖線在橫軸上的截距為截止頻率,A正確,B錯(cuò)誤;由光電效應(yīng)方程Ek=h-W0,可知圖線的斜率為普朗克常量,C正確;金屬的逸出功為W0=h0=6.6310-344.271014J=2.8310-19J=1.77eV,D錯(cuò)誤。 答案解析關(guān)閉AC-24-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三對(duì)波粒二象性的理解對(duì)波粒二象性的理解-25-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三-26-命題點(diǎn)一命

15、題點(diǎn)二命題點(diǎn)三例3(2017浙江臺(tái)州模擬)1927年戴維孫和湯姆孫分別完成了電子衍射實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的重大近代物理實(shí)驗(yàn)之一。如圖所示的是該實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)化圖,下列說法不正確的是()A.亮條紋是電子到達(dá)概率大的地方B.該實(shí)驗(yàn)說明物質(zhì)波理論是正確的C.該實(shí)驗(yàn)再次說明光子具有波動(dòng)性D.該實(shí)驗(yàn)說明實(shí)物粒子具有波動(dòng)性 答案解析解析關(guān)閉由題意可知,亮條紋是電子到達(dá)概率大的地方,暗條紋是粒子到達(dá)概率小的地方,故A正確;電子是實(shí)物粒子,能發(fā)生衍射現(xiàn)象,該實(shí)驗(yàn)說明物質(zhì)波理論是正確的,不能說明光子的波動(dòng)性,故B、D正確,C錯(cuò)誤。本題選錯(cuò)誤的,故選C。 答案解析關(guān)閉C-27-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三光的波粒

16、二象性的規(guī)律1.從數(shù)量上看: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.從頻率上看: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,貫穿本領(lǐng)越強(qiáng),越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象。3.從傳播與作用上看:光在傳播過程中往往表現(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。-28-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三4.波動(dòng)性與粒子性的統(tǒng)一:由光子的能量E=h、光子的動(dòng)量表達(dá)式p=也可以看出,光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾:表示粒子性的能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量頻率和波長(zhǎng)。-29-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三即學(xué)即練即學(xué)即練5.(多選)圖甲為

17、實(shí)驗(yàn)小組利用100多個(gè)電子通過雙縫后的干涉圖樣,可以看出每一個(gè)電子都是一個(gè)點(diǎn);如圖乙為該小組利用70000多個(gè)電子通過雙縫后的干涉圖樣,為明暗相間的條紋。則對(duì)本實(shí)驗(yàn)的理解正確的是()A.圖甲體現(xiàn)了電子的粒子性B.圖乙體現(xiàn)了電子的粒子性C.單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)軌道是確定的D.圖乙中明條紋是電子到達(dá)概率大的地方 答案解析解析關(guān)閉題圖甲中的每一個(gè)電子都是一個(gè)點(diǎn),說明少數(shù)粒子體現(xiàn)粒子性,到達(dá)的位置不同,說明單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)軌道不確定,A正確,C錯(cuò)誤;題圖乙中明暗相間的條紋說明大量的粒子表現(xiàn)為波動(dòng)性,B錯(cuò)誤;明條紋是電子到達(dá)概率大的地方,D正確。 答案解析關(guān)閉AD-30-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三6.(2017北京

18、平谷模擬)2016年8月16日1時(shí)40分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。在量子世界中,一個(gè)物體可以同時(shí)處在多個(gè)位置,一只貓可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上;所有物體都具有“波粒二象性”,既是粒子也是波;兩個(gè)處于“糾纏態(tài)”的粒子,即使相距遙遠(yuǎn)也具有“心電感應(yīng)”,一個(gè)發(fā)生變化,另一個(gè)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇妙特性,才構(gòu)成了量子通信安全的基石。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、不可克隆和測(cè)不準(zhǔn)的特性,所以一旦存在竊聽就必然會(huì)被發(fā)送者察覺并規(guī)避。通過閱讀以上材料可知()-31-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題

19、點(diǎn)三A.電磁波是量子化的B.量子不具有波粒二象性C.可以準(zhǔn)確測(cè)定量子的位置D.量子相互獨(dú)立互不干擾 答案解析解析關(guān)閉電磁波是一份份的能量,所以電磁波是量子化的,同時(shí)也具有波粒二象性,故A正確,B錯(cuò)誤;微觀的粒子與光子都具有波粒二象性,不能準(zhǔn)確測(cè)定量子的位置,故C錯(cuò)誤;由題可知,兩個(gè)處于“糾纏態(tài)”的粒子,即使相距遙遠(yuǎn)也具有“心電感應(yīng)”,一個(gè)發(fā)生變化,另一個(gè)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變,故D錯(cuò)誤。故選A。 答案解析關(guān)閉A-32-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二命題點(diǎn)三7.(2017江蘇卷)質(zhì)子被加速到相同動(dòng)能時(shí),質(zhì)子的動(dòng)量(選填“大于”“小于”或“等于”)粒子的動(dòng)量,質(zhì)子和粒子的德布羅意波波長(zhǎng)之比為。 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉