物理第十二章 波粒二象性 原子結(jié)構(gòu) 原子核 12.1 波粒二象性

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1、選修3-5第十二章波粒二象性原子結(jié)構(gòu)原子核第1講波粒二象性【知識(shí)導(dǎo)圖】光電子電子大于增大hh-W0干涉波動(dòng)性光電效應(yīng)粒子性波動(dòng)粒子【微點(diǎn)撥】1.對(duì)光強(qiáng)的理解:單位時(shí)間、單位面積接收到光的能量,與光子頻率和光子數(shù)目都有關(guān)。2.光電效應(yīng)規(guī)律的“四點(diǎn)”理解:(1)放不放光電子,看入射光的最低頻率。(2)放多少光電子,看光的強(qiáng)度。(3)光電子的最大初動(dòng)能大小,看入射光的頻率。(4)要放光電子,瞬時(shí)放。3.關(guān)于飽和光電流的兩點(diǎn)說明:(1)在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。(2)對(duì)于不同頻率的光,飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間無簡(jiǎn)單的正比關(guān)系?！净垩奂m錯(cuò)】(1)只要光照射的時(shí)間足夠長(zhǎng),任何金屬

2、都能發(fā)生光電效應(yīng)。糾錯(cuò):_。(2)光電子就是光子。糾錯(cuò):_。 發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率不小于金屬的截止頻率光電子是被光子打出的電子,其實(shí)質(zhì)是電子(3)光照強(qiáng)度越大,飽和光電流越大。糾錯(cuò):_。(4)入射光的頻率越大,金屬的逸出功越大。糾錯(cuò):_。在入射光的顏色不變的情況下,入射光越強(qiáng),飽和光電流越大金屬的逸出功由金屬本身性質(zhì)決定,與入射光的頻率、強(qiáng)度無關(guān)(5)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。糾錯(cuò):_。(6)光的頻率越大,光就只表現(xiàn)為粒子性。糾錯(cuò):_。金屬的逸出功由金屬本身性質(zhì)決定,與光電子的最大初動(dòng)能無關(guān)光的頻率越大,光的粒子性越明顯,但仍具有波動(dòng)性考點(diǎn)1光電

3、效應(yīng)規(guī)律【典題探究】 【典例1】(多選)(2017全國(guó)卷)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,分別用頻率為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 導(dǎo)學(xué)號(hào)04450252()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【解析】選B、C。由愛因斯坦光電效應(yīng)方程h=Ekm+W0,由動(dòng)能定理可得Ekm=eU,故當(dāng)ab時(shí),UaUb,EkaEkb,故A錯(cuò)誤,B正確;若UaUb,則一定有EkaEkb,故C正確;由光電效應(yīng)方程可得:金屬的逸出功W0=

4、ha-Eka=hb-Ekb,故D錯(cuò)誤?！就P(guān)秘籍】 1.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。 2.對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的解釋:對(duì)應(yīng)規(guī)律對(duì)應(yīng)規(guī)律對(duì)規(guī)律的產(chǎn)生的解釋對(duì)規(guī)律的產(chǎn)生的解釋光電子的最大光電子的最大初動(dòng)能隨著入初動(dòng)能隨著入射光頻率的增射光頻率的增大而增大大而增大, ,與與入射光強(qiáng)度無入射光強(qiáng)度無關(guān)關(guān)電子吸收光子能量后電子吸收光子能量后, ,一部分一部分克服阻礙作用做功克服阻礙作用做功, ,剩余部分剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動(dòng)能轉(zhuǎn)化為光電子的初動(dòng)能, ,只有只有直接從金屬表面飛出的光電子直接從金屬表面

5、飛出的光電子才具有最大初動(dòng)能。對(duì)于確定才具有最大初動(dòng)能。對(duì)于確定的金屬的金屬,W,W0 0是一定的。故光電是一定的。故光電子的最大初動(dòng)能只隨入射光的子的最大初動(dòng)能只隨入射光的頻率增大而增大頻率增大而增大對(duì)應(yīng)規(guī)律對(duì)應(yīng)規(guī)律對(duì)規(guī)律的產(chǎn)生的解釋對(duì)規(guī)律的產(chǎn)生的解釋光電效應(yīng)具有光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性瞬時(shí)性光照射金屬時(shí)光照射金屬時(shí), ,電子吸收一個(gè)電子吸收一個(gè)光子的能量后光子的能量后, ,動(dòng)能立即增大動(dòng)能立即增大, ,不需要能量積累的過程不需要能量積累的過程光較強(qiáng)時(shí)飽和光較強(qiáng)時(shí)飽和電流大電流大光較強(qiáng)時(shí)光較強(qiáng)時(shí), ,包含的光子數(shù)較多包含的光子數(shù)較多, ,照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子較多, ,因

6、而飽和電流較大因而飽和電流較大3.深入理解三個(gè)關(guān)系:(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=h-W0。(2)光電子的最大初動(dòng)能Ek可以利用光電管用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)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c的關(guān)系是W0=hc?！究键c(diǎn)沖關(guān)】 1.(多選)(2016全國(guó)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.

7、遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān),與入射光的光強(qiáng)無關(guān)【解析】選A、C、E。保持入射光的頻率不變,入射光的光強(qiáng)變大,單位時(shí)間內(nèi)光電子變多,飽和光電流變大,A對(duì);據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程 =h-W0可知,入射光的頻率變高,光電子的最大初動(dòng)能變大,飽和光電流不變,B錯(cuò)、C對(duì);當(dāng)h0,a光的波長(zhǎng)小于b光的波長(zhǎng),故A項(xiàng)錯(cuò)誤;發(fā)生光電效應(yīng)的條件:0,增加b光的強(qiáng)度不能使電流計(jì)G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),故B項(xiàng)錯(cuò)誤;發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),電子從光電管左端運(yùn)動(dòng)到右端,而電流的方向與電子定向移動(dòng)的方向相反,所以流過電流計(jì)G的電流方向是c流向d,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;增加a光的強(qiáng)度可使通過電流計(jì)G的電流增大,故D項(xiàng)正確。【加固訓(xùn)練】(201

8、8寧德模擬)如圖所示,當(dāng)電鍵K斷開時(shí),用頻率為的一束光照射陰極P,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零,合上電鍵,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于U時(shí),電流表讀數(shù)仍不為零;當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于U時(shí),電流表讀數(shù)為零。已知普朗克常量為h,電子的電荷量為e。則這種陰極材料的極限頻率為()eUeUA. B.hheUC. D.h【解析】選B。合上電鍵,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于U時(shí),電流表讀數(shù)仍不為零;當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于U時(shí),電流表讀數(shù)為零;根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程,陰極材料的逸出功為:eU=Ekm=h-W=h-h0。那么這種陰極材料的極限頻率為0=- ,故A、C、D項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確。eUh考點(diǎn)2光

9、電效應(yīng)的圖象分析 【典題探究】 【典例2】(2015全國(guó)卷)在某次光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率的關(guān)系如圖所示,若該直線的斜率和截距分別為k和b,電子電荷量的絕對(duì)值為e,則普朗克常量可表示為_,所用材料的逸出功可表示為_。導(dǎo)學(xué)號(hào)04450253 【解析】由題意可得eUc= =h-W,變形為Uc= ,結(jié)合圖象可知 所以h=ek,W=-eb。答案:ek-eb2m1mv2hWeehWk,b,ee【遷移訓(xùn)練】 遷移1:光電效應(yīng)的Ek-圖象(2018南平模擬)用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象,閉合電鍵S,用頻率為的光照射光電管時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大

10、初動(dòng)能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖象,圖線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(a,0),與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(0,-b),下列說法中正確的是()A.普朗克常量為h= B.斷開電鍵S后,電流表G的示數(shù)不為零C.僅增加照射光的強(qiáng)度,光電子的最大初動(dòng)能將增大D.保持照射光強(qiáng)度不變,僅提高照射光頻率,電流表G的示數(shù)保持不變ab【解析】選B。根據(jù)Ekm=h-W0得,縱軸截距的絕對(duì)值等于金屬的逸出功,等于b,當(dāng)最大初動(dòng)能為零時(shí),入射光的頻率等于截止頻率,所以金屬的截止頻率為0=a,那么普朗克常量為h= ,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;電鍵S斷開后,因光電效應(yīng)現(xiàn)象中,光電子存在最大初動(dòng)能,因此電流表G的示數(shù)不為零,故B項(xiàng)正確;根據(jù)光電效應(yīng)方程可知

11、,ba入射光的頻率與最大初動(dòng)能有關(guān),與光的強(qiáng)度無關(guān),故C項(xiàng)錯(cuò)誤;若保持照射光強(qiáng)度不變,僅提高照射光頻率,則光子數(shù)目減小,那么電流表G的示數(shù)會(huì)減小,故D項(xiàng)錯(cuò)誤。遷移2:光電效應(yīng)的I-U圖象(2018南寧模擬)某同學(xué)采用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象,分別用a、b、c三束單色光照射圖甲中的光電管的陰極,得到光電管兩端的電壓與相應(yīng)的光電流的關(guān)系如圖乙所示,其中a、c兩束光照射時(shí)對(duì)應(yīng)的遏止電壓相同,均為Ua,則下列論述正確的是 ()導(dǎo)學(xué)號(hào)04450254A.a、c兩束光的光強(qiáng)相同B.a、c兩束光的頻率相同C.b光束光子的能量最小D.b光束的波長(zhǎng)最長(zhǎng),遏止電壓最大【解析】選B。由圖可知,a的飽和電流最

12、大,因此a光束照射時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)量大,光強(qiáng)大,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)光電流為零時(shí),光電管兩端加的電壓為遏止電壓,對(duì)應(yīng)的光的頻率為截止頻率,根據(jù)eU=h-W,入射光的頻率越高,對(duì)應(yīng)的遏止電壓U越大。a光、c光的遏止電壓相等,所以a光、c光的頻率相等,而b光的頻率大,能量大,且對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)最小,故B項(xiàng)正確,C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。遷移3:光電效應(yīng)的Uc-圖象如圖為密立根研究某金屬的遏止電壓Uc和入射光頻率的關(guān)系圖象,則下列說法正確的是 ()A.圖象的斜率為普朗克常量B.該金屬的截止頻率約為5.51014 HzC.由圖象可得該金屬的逸出功為0.5 eVD.由圖象可知,光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成一次函

13、數(shù)關(guān)系【解析】選D。根據(jù)光電效應(yīng)方程得,Ekm=h-W0,又Ekm=eUc,解得Uc= ,可知圖線的斜率k= ,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;當(dāng)遏止電壓為零時(shí),入射光的頻率等于金屬的截止頻率,大約為4.21014 Hz,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;圖線的斜率k= ,則逸出功W0=h0=ke0= 4.21014 eV=1.6 eV,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)光電效應(yīng)方程得,Ekm=h-W0,即eUc=h-W0,光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系,故D項(xiàng)正確。0Wheehehe140.51.3 10【通關(guān)秘籍】 1.由Ek-圖象可以得到的信息: (1)極限頻率:圖線與軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)c。(2)逸出功:圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的絕對(duì)

14、值E=W0。(3)普朗克常量:圖線的斜率k=h。2.由I-U圖象可以得到的信息:(1)遏止電壓Uc:圖線與橫軸的交點(diǎn)的絕對(duì)值。(2)飽和光電流Im:電流的最大值。(3)最大初動(dòng)能:Ekm=eUc。3.由Uc-圖象可以得到的信息:(1)截止頻率c: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荷量的乘積,即h=ke。(注:此時(shí)兩極之間接反向電壓)【加固訓(xùn)練】(2018武漢模擬)下表是按照密立根的方法進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的某金屬的遏止電壓Uc和入射光的頻率的幾組數(shù)據(jù)。U Uc c/V/V0.5410.541 0.6370.6370.71

15、40.7140.8090.8090.8780.878/10/101414 HzHz5.6445.644 5.8885.8886.0986.0986.3036.3036.5016.501由以上數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel描點(diǎn)連線,可得直線方程Uc=0.397 3 -1.702 4,如圖所示。1410則這種金屬的截止頻率約為()A.3.51014 HzB.4.31014 HzC.5.51014 HzD.6.01014 Hz【解析】選B。根據(jù)光電效應(yīng)方程得:Ekm=h-W0=h-h0,解得:Uc= 與直線方程Uc=0.397 3 -1.702 4,比較可知,圖線的斜率為: 同時(shí): =1.702 4,聯(lián)立得:0

16、4.3 1014 Hz。故B項(xiàng)正確,A、C、D項(xiàng)錯(cuò)誤。00Whhheeee ，141014h0.397 3e10，0he考點(diǎn)3光的波粒二象性物質(zhì)波 【典題探究】 【典例3】(多選)(2015全國(guó)卷改編)實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性,下列事實(shí)中突出體現(xiàn)波動(dòng)性的是 ()導(dǎo)學(xué)號(hào)04450255A.射線在云室中穿過會(huì)留下清晰的徑跡B.人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu)C.人們利用電子顯微鏡觀測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)D.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān)【解析】選B、C。射線在云室中穿過會(huì)留下清晰的徑跡,可以說明射線是一種粒子,故A錯(cuò)誤;人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu),

17、慢中子衍射說明中子是一種波,故B正確;人們利用電子顯微鏡觀測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),利用了電子束的德布羅意波長(zhǎng)短,提高顯微鏡的分辨率,說明電子是一種波,故C正確;光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無關(guān),說明光是一種粒子,故D錯(cuò)誤?！就P(guān)秘籍】 1.光的波粒二象性:光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動(dòng)性,光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。光既具有波動(dòng)性,又具有粒子性,稱為光的波粒二象性。光既有波動(dòng)性,又有粒子性,兩者不是孤立的,而是有機(jī)的統(tǒng)一體。2.表現(xiàn)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

18、: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,貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)。(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。(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:表示粒子性的粒子能量和動(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)。 h(5)理解光的波粒二象性時(shí)不可把光當(dāng)成宏觀概念中的波,也不可把光當(dāng)成宏觀概念中的粒子。3.物質(zhì)波:(1)定義:任何運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與之對(duì)應(yīng),這種波叫作物質(zhì)波,也叫德布羅意波。(2)物質(zhì)波的波長(zhǎng)

19、:= ,h是普朗克常量。(3)德布羅意波也是概率波,衍射圖樣中的亮圓是電子落點(diǎn)概率大的地方,但概率的大小受波動(dòng)規(guī)律的支配。hhpmv【考點(diǎn)沖關(guān)】 1.(2018朔州模擬)下列有關(guān)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(zhǎng)越長(zhǎng),其波動(dòng)性越顯著;波長(zhǎng)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【解析】選C。光既有波動(dòng)性又有粒子性,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;光子不帶電,沒有靜止質(zhì)量,而電子帶負(fù)電,有質(zhì)量,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),其波動(dòng)性越顯著,波長(zhǎng)越短,其粒子性越顯著,故C項(xiàng)正確;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

20、往表現(xiàn)為波動(dòng)性,故D項(xiàng)錯(cuò)誤。2.(多選)物理學(xué)家做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn):在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,在光屏處放上照相底片,若減小入射光的強(qiáng)度,使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng),底片上只能出現(xiàn)一些如圖甲所示不規(guī)則的點(diǎn)子;如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上就會(huì)出現(xiàn)如圖丙所示規(guī)則的干涉條紋。對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)識(shí)正確的是導(dǎo)學(xué)號(hào)04450256()A.單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)沒有確定的軌道B.曝光時(shí)間不長(zhǎng)時(shí),光的能量太小,底片上的條紋看不清楚,故出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)子C.干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方D.大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性【解析】選A、C、D。由于光的傳播不是連續(xù)的而是一份一份的,每一份

21、就是一個(gè)光子,所以每次通過狹縫只有一個(gè)光子,當(dāng)一個(gè)光子到達(dá)某一位置時(shí)該位置感光而留下痕跡,由于單個(gè)光子表現(xiàn)粒子性,即每一個(gè)光子所到達(dá)的區(qū)域是不確定的,但是大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性,所以長(zhǎng)時(shí)間曝光后最終形成了圖丙中明暗相間的條紋,干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方,該實(shí)驗(yàn)說明了光具有波粒二象性,所以A、C、D項(xiàng)正確,B項(xiàng)錯(cuò)誤?！炯庸逃?xùn)練】關(guān)于波粒二象性,下列說法正確的是()A.能量越大的光子其波動(dòng)性越顯著B.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C.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)D.若光子與一個(gè)靜止的自由電子發(fā)生作用,則光子被電子散射后波長(zhǎng)會(huì)變小【解析】選C。能量較大的光子的波長(zhǎng)短,其粒子性越顯著,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;由p= 及p= 可知,動(dòng)能相同的質(zhì)子和電子,其動(dòng)量不同,故其波長(zhǎng)也不相同,故B項(xiàng)錯(cuò)誤;根據(jù)黑體輻射實(shí)驗(yàn)的規(guī)律可知: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),故C項(xiàng)正確;光子與一個(gè)靜止的自由電子發(fā)生作用,根據(jù)動(dòng)量守恒知,光子動(dòng)量減小,根據(jù)德布羅意波長(zhǎng)= 知,散射后波長(zhǎng)變大,故D項(xiàng)錯(cuò)誤。hk2mEhp