步步高高考物理大一轮 第十三章 第2课时 光电效应 波粒二象性 新人教版选修35.docx

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第2课时　光电效应　波粒二象性

导学目标

1.能认识光电效应现象，理解光电效应的实验规律，会用光子说解释光电效应.2.掌握光电效应方程，会计算逸出功、极限频率、最大初动能等物理量．

一、黑体辐射与能量子

[基础导引]

判断下列说法的正误：

（1）一般物体辐射电磁波的情况与温度无关，只与材料的种类及表面情况有关（　　）

（2）黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，不反射（　　）

（3）带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍（　　）

（4）普朗克最先提出了能量子的概念（　　）

[知识梳理]

1．黑体与黑体辐射

（1）黑体：

是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体．

（2）黑体辐射的实验规律

①一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，还与

材料的种类及表面状况有关．

②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有

关，如图1所示．

图1

a．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加．

b．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．

2．能量子

（1）定义：

普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍．即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的．这个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是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.626×10－34J·s（一般取h＝6.63×10－34J·s）．

特别提醒　在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的．

二、光电效应

[基础导引]

已知能使某金属产生光电效应的极限频率为νc，则（　　）

A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子

B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc

C．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大

D．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍

[知识梳理]

1．光电效应现象

光电效应：

在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做____________．

2．光电效应规律

（1）每种金属都有一个____________．

（2）光子的最大初动能与入射光的________无关，只随入射光的________增大而增大．

（3）光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是________的．

（4）光电流的强度与入射光的________成正比．

3．爱因斯坦光电效应方程

（1）光子说：

空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子．光子的能量为ε＝________，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34J·s.

（2）光电效应方程：

____________

其中hν为入射光的能量，Ek为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功．

4．遏止电压与截止频率

（1）遏止电压：

使光电流减小到零的反向电压Uc.

（2）截止频率：

能使某种金属发生光电效应的________频率叫做该种金属的截止频率（又叫极限频率）．不同的金属对应着不同的极限频率．

（3）逸出功：

电子从金属中逸出所需做功的__________，叫做该金属的逸出功．

三、光的波粒二象性、物质波

[基础导引]

判断下列说法的正误：

（1）光电效应反映了光的粒子性（　　）

（2）大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性（　　）

（3）光的干涉、衍射、偏振现象证明了光具有波动性（　　）

（4）只有运动着的小物体才有一种波和它相对应，大的物体运动是没有波和它对应的（　　）

[知识梳理]

1．光的波粒二象性

（1）光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有________性．

（2）光电效应说明光具有________性．

（3）光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的____________性．

2．物质波

（1）概率波

光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率____的地方，暗条纹是光子到达概率____的地方，因此光波又叫概率波．

（2）物质波

任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝

________，p为运动物体的动量，h为普朗克常量.

考点一　对光电效应规律的理解

考点解读

1．爱因斯坦光电效应方程：

Ek＝hν－W0.

hν：

光子的能量．

W0：

逸出功．

Ek：

光电子的最大初动能．

2．对光电效应规律的解释

存在极限频率νc

电子从金属表面逸出，首先需克服金属原子核的引力做功W0，要使入射光子能量不小于W0，对应的频率νc＝

，即极限频率

光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光的强度无关

电子吸收光子能量后，一部分克服阻碍作用做功，剩余部分转化为光电子的初动能，只有从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能，对于确定的金属，W0是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大

光电效应具有瞬时性

光照射金属时，电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要能量积累的过程

入射光越强，饱和电流越大

入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，因而饱和电流越大

特别提醒　光电效应方程研究的对象是从金属表面逸出的光电子，其列式依据为能量守恒定律．

3．由Ek—ν图象可以得到的物理量（如图2所示）

（1）极限频率：

图线与ν轴交点的横坐标νc.

（2）逸出功：

图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝E.

（3）普朗克常量：

图线的斜率k＝h.

典例剖析

例1　入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（　　）

A．从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B．逸出的光电子的最大初动能将减小

C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少

D．有可能不发生光电效应

跟踪训练1　（2020·福建理综·29

（1））爱因斯坦因提出了光量子概念并成功

地解释光电效应的规律而获得了1921年诺贝尔物理学奖．某种金属逸

出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图3所示，其中ν0

为极限频率．从图中可以确定的是（　　）

A．逸出功与ν有关

B．Ekm与入射光强度成正比

C．当ν<ν0时，会逸出光电子

D．图中直线的斜率与普朗克常量有关

考点二　波粒二象性

考点解读

1．粒子的波动性：

实物粒子也具有波动性，满足如下关系：

ν＝

和λ＝

，这种波称为德布罗意波，也叫物质波．

2．光的波粒二象性

光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：

（1）个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性．

（2）频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强．

（3）光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时，往往表现为粒子性．

典例剖析

例2　关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是（　　）

A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性

B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道

C．波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的

D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性

跟踪训练2　如图4所示，用单色光做双缝干涉实验，P处为亮条纹，Q

处为暗条纹．不改变单色光的频率，而调整光源使其极微弱，并把单

缝调至只能使光子一个一个地过去，那么过去的某一光子（　　）

图4

A．一定到达P处B．一定到达Q处

C．可能到达Q处D．都不正确

考点三　光电效应方程的应用

典例剖析

例3　如图5所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照

射阴极P，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发

现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数

大于或等于0.60V时，电流表读数为零．

（1）求此时光电子的最大初动能的大小；

（2）求该阴极材料的逸出功．

思维导图

跟踪训练3　（2020·四川理综·18）用波长为2.0×10－7m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10－19J．由此可知，钨的极限频率是（普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s，结果取两位有效数字）（　　）

A．5.5×1014HzB．7.9×1014Hz

C．9.8×1014HzD．1.2×1015Hz

　　　　　　　　　　16.用光电管研究光电效应

例4　（2020·江苏单科·12C）研究光电效应的电路如图6所示．用频率相

同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极K），钠极板发

射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与

A、K之间的电压UAK的关系图象中，正确的是________．

建模感悟

1．常见电路（如图所示）

2．两条线索

（1）通过频率分析：

光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．

（2）通过光的强度分析：

入射光强度大→光子数目多→产生的光电子多→光电流大．

3．概念辨析

跟踪训练4　如图7是利用光电管研究光电效应的实验原理示意

图，用可见光照射光电管的阴极K，电流表中有电流通过，则

（　　）

A．滑动变阻器的滑动触头由a端向b端滑动的过程中，电流

表中一定无电流通过

图7

B．滑动变阻器的滑动触头由a端向b端滑动的过程中，电流表的示数一定会持续增大

C．将滑动变阻器的滑动触头置于b端，改用紫外线照射阴极K，电流表中一定有电流通

过

D．将滑动变阻器的滑动触头置于b端，改用红外线照射阴极K，电流表中一定有电流通过

A组　光电效应规律的理解

1．光电效应的实验结论是：

对于某种金属（　　）

A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应

B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应

C．超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小

D．超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大

2．对光电效应的理解正确的是（　　）

A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同

B组　光电效应方程的应用

3．（2020·浙江理综·16）在光电效应实验中，飞飞同学用同一光

电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关

系曲线（甲光、乙光、丙光），如图8所示．则可判断出（　　）

图8

A．甲光的频率大于乙光的频率

B．乙光的波长大于丙光的波长

C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率

D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能

4．（2020·课标·35

（1））在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为________．若用波长为λ（λ<λ0）的单色光做该实验，则其遏止电压为________．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h.

C组　光的波粒二象性

5．下列表述正确的是（　　）

A．β衰变的实质在于原子核内某个中子转化成了一个质子和一个电子

B．光的波动性不是由于光子之间的相互作用引起的

C．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，并提出了原子核结构模型

D．德布罗意的“物质波”假设否定了光具有波动性

6．在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占整个从单缝射入的光强的95%以上，假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子（　　）

A．一定落在中央亮纹处

B．一定落在亮纹处

C．可能落在暗纹处

D．落在中央亮纹处的可能性最大

课时规范训练

（限时：

45分钟）

一、选择题

1．爱因斯坦由光电效应的实验规律，猜测光具有粒子性，从而提出光子说，从科学研究的方法来说，这属于（　　）

A．等效替代B．控制变量

C．科学假说D．数学归纳

2．1905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，其中关于光量子的理论成功的解释了光电效应现象．关于光电效应，下列说法正确的是

（　　）

A．当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应

B．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比

C．光电子的最大初动能与入射光的强度成正比

D．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应

3．（2020·宁夏、辽宁理综）关于光电效应，下列说法正确的是（　　）

A．极限频率越大的金属材料逸出功越大

B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应

C．从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小

D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多

4．（2020·上海单科·2）用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是（　　）

A．改用频率更小的紫外线照射

B．改用X射线照射

C．改用强度更大的原紫外线照射

D．延长原紫外线的照射时间

5．以下说法正确的是（　　）

A．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究发现了原子的核式结构

B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时产生的

C．用绿光照射一光电管，能够发生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，可改用紫光照射

D．已知能使某金属发生光电效应的单色光的极限频率为ν0，则当频率为2ν0的单色光照射该金属时，光电子的最大初动能为2hν0

6.如图1是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射

光频率ν的关系图象．由图象可知（　　）

A．该金属的逸出功等于E

图1

B．该金属的逸出功等于hνc

C．入射光的频率为2νc时，产生的光电子的最大初动能为E

D．入射光的频率为

时，产生的光电子的最大初动能为

7．如图2所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线（直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5）．由图可知（　　）

图2

A．该金属的截止频率为4.27×1014Hz

B．该金属的截止频率为5.5×1014Hz

C．该图线的斜率表示普朗克常量

D．该金属的逸出功为0.5eV

8．在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置（如图3a）在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图b所示．则正确的是（　　）

图3

A．乙光的频率小于甲光的频率

B．甲光的波长大于丙光的波长

C．丙光的光子能量小于甲光的光子能量

D．乙光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能

9．下表给出了一些金属材料的逸出功.

材料

铯

钙

镁

铍

钛

逸出功（10－19J）

3.0

4.3

5.9

6.2

6.6

现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种（普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s）（　　）

A．2种　　　B．3种　　　C．4种　　　D．5种

二、非选择题

10．用同一束单色光，在同一条件下先后照射锌片和银片，都能产生光电效应，在这两个过程中，对于下列四个量，一定相同的是____，可能相同的是____，一定不同的是____．

A．光子的能量B．光电子的逸出功

C．光电子动能D．光电子初动能

11．紫光在真空中的波长为4.5×10－7m，问：

（1）紫光光子的能量是多少？

（2）用它照射极限频率为νc＝4.62×1014Hz的金属钾能否产生光电效应？

（3）若能产生，则光电子的最大初动能为多少？

（h＝6.63×10－34J·s）

12．波长为λ＝0.17μm的紫外线照射至金属筒上能使其发射光电子，光电子在磁感应强度为B的匀强磁场中，做最大半径为r的匀速圆周运动时，已知r·B＝5.6×10－6T·m，光电子质量m＝9.1×10－31kg，电荷量e＝1.6×10－19C．求：

（1）光电子的最大动能．

（2）金属筒的逸出功．

复习讲义

基础再现

一、

基础导引　

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）√

二、

基础导引　AB

知识梳理　1.光电子　2.

（1）极限频率　

（2）强度　频率　（3）瞬时　（4）强度

3．

（1）hν　

（2）Ek＝hν－W0　4.

（2）最小　（3）最小值

三、

基础导引　

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）×

知识梳理　1.

（1）波动　

（2）粒子　（3）波粒二象　2.

（1）大　小　

（2）

课堂探究

例1　C　

跟踪训练1　D

例2　D　

跟踪训练2　C

例3　

（1）0.6eV　

（2）1.9eV

跟踪训练3　B

例4　C　

跟踪训练4　C

分组训练

1．AD　2.BD　3.B

4.

5．AB　6.CD

课时规范训练

1．C　

2．AD　

3．A　

4．B　

5．BC　

6．ABC　

7．AC　

8．B　

9．A　

10．A　CD　B

11．

（1）4.42×10－19J　

（2）能

（3）1.36×10－19J

12．

（1）4.41×10－19J　

（2）7.29×10－19J