高考物理一輪復(fù)習(xí) 專題60 光電效應(yīng) 波粒二象性（講）（含解析）1

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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； （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)． 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）能量子的大小：ε＝hν，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）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 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 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。