届高考物理一轮复习波粒二象性.docx

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届高考物理一轮复习波粒二象性

高中物理核心素养读本

波粒二象性

【学业质量解读】

内容

学业质量水平要求

普朗克能量子假说黑体和黑体辐射

理解黑体和黑体辐射的概念，能利用普朗克能量子知识解决实际问题。

光电效应

通过实验，了解光电效应现象。

知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。

能根据实验结论说明光的波粒二象性。

光的波粒二象性物质波

知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。

体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。

【命题趋势分析】

本章主要涉及以下几个方面：

（1）普朗克黑体辐射理论；

（2）光电效应；（3）粒子的波动性和量子力学的建立。

所涉及到的内容容量较大、难度不大。

下表是近五年江苏高考中涉及本章的题目分知识点统计（本章的考查放在了第12题，共12分，题型通常为选择、填空）：

2016年

2017年

2018年

题号

12题C

（2）

12题C（3）

12题C

（2）

12题C

（2）

题型

填空

计算

填空

填空

模型

光的波粒二象性

物质波

光电效应

光的波粒二象性

物质波

光电效应

2019年

2020年

题号

12题（3）

12题

（1）

题型

计算

选择

模型

普朗克能量子假说

黑体和黑体辐射

从以上表格统计可以得到如下教学启示：

1.本章主要考查波粒二象性的概念和相关物理量的计算或定性分析，主要涉及光电效应中的光子能量与光电子的初动能、德布罗意波波长等问题，涉及的知识点较多，但难度不大，每个知识点都可能作为背景考查学生对知识的掌握知识，所以需要学生对知识点较全面的理解，考查题型有填空、选择、计算，难度中等偏易。

2.新课程标准将“了解微观世界中的量子化现象”更改为“了解微观世界中的量子化特征”，去掉了“比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点”、“了解康普顿效应”、“知道光是一种概率波”、“知道实物粒子具有波动性。

知道电子云。

初步了解不确定性关系”、“通过典型事例了解人类直接经验的局限性，体会人类对世界的探究是不断深入的”知识点。

3．在光电效应现象中，要理解光电效应中饱和电流与入射光越强有关、存在反向遏止电压和截止频率等。

还要加强对光电效应方程

理解。

理解光子除了具有能量还有动量，理解光的波粒二象性。

理解实物粒子也具有波动性，其德布罗意波波长

。

【知识网络构建】

【必备知识梳理】

1.黑体辐射

（1）黑体：

是指能够完全_____________入射的各种波长的电磁波而不发生

_____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___________有关外，还与材料的及____________有关．

②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的____________有关．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都____________．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较____________的方向移动．

（3）经典的热学、电磁学的理论不能很好解释黑体辐射的实验规律，甚至出现矛盾．

2.能量子

为解释黑体辐射规律，1900年普朗克提出了能量____________假说．

（1）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________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＝_____，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.63×10－34J·s．

（3）能量量子化理论成功的解释黑体辐射规律．说明了能量可以是一份一份的，可以是不连续的，破除了能量连续变化的传统观念，成为新物理学思想的基石之一．

3.光电效应

（1）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____________，形成的电流称________电流．

（2）光电效应规律

①存在着饱和电流：

在光照条件不变的情况下，随着光电管所加正向电压的增大，光电流增大，但最终光电流趋于一个定值，不再随正向电压的增大而增大，这个稳定的光电流称_______电流，电路图如图所示．饱和电流的强度随入射光强度的增大而________．

②存在着遏止电压．光电管两端加反向电压时，使光电流_________的反向电压，称为遏止电压．电路图如图所示．反向遏止电压的存在意味着光电子具有最大的初动能．实验表明，对于一定频率的光，遏止电压都是一样的，与光强无关，与频率有关．频率越大，遏止电压越大．意味着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存在截止频率．当入射光的频率减小到某一数值时，即使不加反向电压也没有光电流．这表明，当低于这个频率时，没有光电子从金属表面逸出，不能发生光电效应．不同的金属的截止频率___________．

④光电效应具有瞬时性．光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是_______的，不需要时间的积累．

（3）爱因斯坦光电效应方程

光的电磁理论不能解释光电效应现象，爱因斯坦在普朗克能量量子化的基础上提出了光子说．

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．Ek：

光电子的最大初动能．

③光子说成功的解释的光电效应现象：

a.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．所以光电子从金属中逸出需要有最小的能量，最小的光的频率．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）．因为不同金属的逸出功不同，所以不同的金属对应着不同的极限频率．

b.发生光电效应时，对一定频率的光，光电子有最大的初动能，使光电流减小到零的反向电压即为遏止电压．

c.光强越强，光子数目越多，逸出的光电子数目越多，饱和电流也越大．

d.只要光的频率达到极限频率，就可以产生光电效应，与光强无关，且不需要时间积累．

5.康普顿效应

光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面．前者表明光子具有____________，后者表明光子除了具有_________之外还具有_____________．

6.光的波粒二象性与物质波

（1）光的波粒二象性：

光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有_________性．光电效应说明光具有___________性．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的___________性．

（2）粒子的波动性：

法国的物理学家___________提出了实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，也像光子跟光波一样遵从相同的物理规律，这种与实物粒子相联系的波后来称为_____________波，也叫做________________波．

①物质波的波长：

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．

②物质波的实验验证：

电子束光衍射图样证实了运动的电子具有的_______．后来陆续证实了质子、中子、原子、分子的_________．宏观物体的波动性无法观察到．

（3）概率波:

所谓概率波，运动的单个粒子所到达的位置不确定，但在某点附近出观的概率的大小可以由波动规律支配，从而在宏观上导致了如衍射图样、干涉图样．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，因此从光子的概念上看，光波是一种概率波．对于电子和其它的微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波．

【关键能力突破】

1.黑体辐射

【例1】关于黑体辐射的实验规律叙述正确的有（）

A．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加

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

C．黑体热辐射的强度与波长无关

D．为了解释黑体辐射规律，康普顿提出了电磁辐射的能量是量子化的

2.光电效应规律

【例2】在利用光电管研究光电效应的实验中，入射光照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.从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

B.饱和光电流将会减弱

C.遏止电压将会减小

D.有可能不再发生光电效应

【例3】用频率为v但强度不同的甲乙两种光做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示，由图可知，　　　　　　（选填甲或乙）光的强度大，已知普朗克常量为h，被照射金属的逸出功为W0则光电子的最大初动能为　　　　　　．

【例4】如图所示，用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，那么a光的频率________b光的频率（选填“大于”、“等于”或“小于”），若增加b光的强度________（选填“会”或“不会”）使电流计G的指针发生偏转．

3.对光的波粒二象性、物质波的理解

【例5】关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是（　　）

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

【例6】下列说法中正确的是（）

A.电子束的衍射实验证明了电子的波动性

B.宏观物体的波动性我们不易观察到的原因是因为其波长太小

C.电子有波动性，质量较大的中子和质子没有波动性

D.速度相等的电子和质子，电子的波长大

【学科素养提升】

1.（2020江苏南京、盐城二模联考）（多选）美国物理学家阿瑟·阿什金利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖，原来光在接触物体后，会对其产生力的作用，这个来自光的微小作用可以让微小的物体（如细胞）发生无损移动，这就是光镊技术。

在光镊系统中，光路的精细控制非常重要。

下列说法正确的是（）

A．光镊技术利用光的粒子性

B．光镊技术利用光的波动性

C．红色激光光子能量大于绿色激光光子能量

D．红色激光光子能量小于绿色激光光子能量

2.（2020江苏常州一模）（多选）关于黑体辐射图像，下列判断正确的是（）

A．T1＜T2＜T3＜T4

B．T1＞T2＞T3＞T4

C．测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度

D．测量某黑体任一波长的光的辐射强度可以得知其温度

3.（2020江苏南通、泰州、扬州等七市二模联考）氢原子能级图如图所示，巴耳末线系是氢原子从n≧3的各个能级跃迁至n=2能级时辐射光的谱线，则巴耳末线系中波长最长的谱线对应光子的能量为eV。

氢原子从n=4能级跃迁至n=2能级时，辐射光照射阴极为金属钾的光电管，钾的逸出功为2.25eV，则遏止电压Ue=V。

4.（2019江苏单科）在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ=6.4×10-7m，每个激光脉冲的能量E=1.5×10-2J。

求每个脉冲中的光子数目。

（已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s，光速c=3×108m/s。

计算结果保留一位有效数字）

【基础综合训练】

1．下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是（）

2．下列有关黑体辐射和光电效应的说法中正确的是（）

A．在黑体辐射中，随着温度的升高，辐射强度极大值的光向频率较低的方向移动

B．在光电效应现象中，入射光的强度越大，光电子的最大初动能越大

C．用一束绿光照射某金属，能产生光电效应，现把这束绿光遮住一半，仍然可发生光电效应

D．在光电效应现象中，极限频率越大的金属材料逸出功越大

3．如图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．则可知（　　）

A．该金属的逸出功等于

E

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

4.已知铯的极限频率4.545×1014Hz．钠的极限频率为6.000×1014Hz，银的极限频率为1.153×1015Hz，铂的极限频率为1.529×1015Hz．当用波长为0.375μm的光照射它们时，可发生光电效应的物质是（）

A．铯B．钠C．银D．铂

5.如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的以下物理量也相等是（）

A．速度B．动能C．动量D．总能量

【应用创新训练】

1．关于微观粒子波粒二象性的认识，正确的是（）

A．因实物粒子具有波动性，故其轨迹类同波浪线

B．由概率波的知识可知，因微观粒子落在哪个位置不能确定，所以粒子没有确定的轨迹

C．只有光子具有波粒二象性，其他运动的微粒不具有波粒二象性

D．光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性

2．关于光电效应，下列说法正确的是（）

A．对任何一种金属，都有一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长才能产生光电效应

B．在光电效应现象中，光电子的最大初动能和照射光的频率成正比

C．用频率为ν的光照射发生光电效应，改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应

D．对于某种金属，只要入射光的强度足够大，就会发生光电效应

3．如图，当电键S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。

合上电键，调节滑线变阻器，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。

由此可知阴极材料的逸出功为（）

A.1.9eV   B.0.6eV                   

C.2.5eV        D.3.1eV 

4.研究光电效应的电路如图所示．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（）

5．A、B两种光子的能量之比为2:

l，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB。

求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功．

参考答案

【必备知识梳理】

1.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情况有关．

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．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增强．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

为解释黑体辐射规律，1900年普朗克提出了能量量子化假说．

（1）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＝6.63×10－34J·s．

3.光电效应

（1）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光电子，形成的电流称光电流．

（2）光电效应规律

①存在着饱和电流：

在光照条件不变的情况下，随着光电管所加正向电压的增大，光电流增大，但最终光电流趋于一个定值，不再随正向电压的增大而增大，这个稳定的光电流称饱和电流，电路图如图所示．饱和电流的强度随入射光强度的增大而增大．

②存在着遏止电压．光电管两端加反向电压时，使光电流为零的反向电压，称为遏止电压．电路图如图所示．反向遏止电压的存在意味着光电子具有最大的初动能．实验表明，对于一定频率的光，遏止电压都是一样的，与光强无关，与频率有关．频率越大，遏止电压越大．意味着光子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大．

③存在截止频率．当入射光的频率减小到某一数值时，即使不加反向电压也没有光电流．这表明，当低于这个频率时，没有光电子从金属表面逸出，不能发生光电效应．不同的金属的截止频率不同．

④光电效应具有瞬时性．光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的，不需要时间的积累．

（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＝hν，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34J·s.

②光电效应方程：

EK=hv﹣W0.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．Ek：

光电子的最大初动能．

③光子说成功的解释的光电效应现象：

a.逸出功：

电子从金属中逸出所需做功的最小值，叫做该金属的逸出功．所以光电子从金属中逸出需要有最小的能量，最小的光的频率．能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率（又叫极限频率）．因为不同金属的逸出功不同，所以不同的金属对应着不同的极限频率．

5.康普顿效应

光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面．前者表明光子具有能量，后者表明光子除了具有能量之外还具有动量．

6.光的波粒二象性与物质波

（1）光的波粒二象性：

光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．光电效应说明光具有粒子性．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．

（2）粒子的波动性：

法国的物理学家德布罗意提出了实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，也像光子跟光波一样遵从相同的物理规律，这种与实物粒子相联系的波后来称为物质波，也叫做德布罗意波．

②物质波的实验验证：

电子束光衍射图样证实了运动的电子具有的波动性．后来陆续证实了质子、中子、原子、分子的波动性．宏观物体的波动性无法观察到．

（3）概率波:

所谓概率波，运动的单个粒子所到达的位置不确定，但在某点附近出观的概率的大小可以由波动规律支配，从而在宏观上导致了如衍射图样、干涉图样．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大的地方，暗条纹是光子到达概率低的地方，因此从光子的概念上看，光波是一种概率波．对于电子和其它的微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波．

【关键能力突破】

1.黑体辐射

【例1】【答案】AB

【解析】黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大．故A正确；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．故B正确；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，黑体热辐射的强度与波长有关，故C错误；为了解释黑体辐射规律，普朗克提出电磁辐射的能量是量子化的，故D错误．

2.光电效应规律

【例2】【答案】B

【解析】光电效应产生的条件是入射光的频率大于金属的极限频率；当发生光电效应时，入射光的强度越大，则则单位时间内逸出的光电子的数目将增加；入射光的频率越大，则光电子的最大初动能越大，则遏止电压越大.发生光电效应时，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，则从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将保持不变，选项A错误；入射光的强度减弱，则单位时间内逸出的光电子的数目将减小，则饱和光电流将会减弱，选项B正确；根据遏止电压的表达式

，光的频率不变，则最大初动能不变，则遏止电压不变，选项C错误；因为光电效应取决于光的频率，故仍能发生光电效应，选项D错误；故选B.

【例3】【答案】甲，hv﹣W0

【解析】光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判定甲光的强度较大；由光电效应方程

mv2=hv﹣W0，可知，电子的最大初动能EKm=hv﹣W．

【例4】【答案】大于　不会　

【解析】产生光电效应的条件是照射金属的光子频率大于或等于金属的极限频率，由题意可知，单色光a照射光电管阴极K，能使电流计G的指针发生偏转，说明发生了光电效应，且电路完好，而单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，即此时不能产生光电效应，所以a光频率大于b光频率，能否发生光电效应现象，仅与照射光频率有关，与光的强度无关，因此加b光的强度同样不会使电流计G的指针发生偏转．

3.对光的波粒二象性、物质波的理解

【例5】【答案】ABC　

【解析】德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出物质波的概念，认为一切运动的物体都具有波粒二象性，故A正确、D错误；运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，没有特定的运动轨道，故B正确；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，故C正确．

【例6】【答案】ABD

【解析】衍射现象是波特有的性质，所以电子束的衍射实验证明了电子的波动性，A正确；宏观物体的波动性我们不易观察到的原因是因为其波长太小，B正确；一切物体都有物质波，C错误；速度相等的电子和质子，电子的动量小；根据物质波的波长公式

可知，电子的波长长，D正确。

【学科素养提升】

1.【答案】小于　2∶1

【解析】由动量与动能的关系p＝

。

知pH＜pα。

且pα＝2pH。

由λ＝

知，λH∶λα＝pα∶pH＝2∶1。

2.【答案】

　1∶2

【解析】由题意可知，h

＝W，Ek＝2h

－W＝h

；光子的动量与其波长成反比，所以两种光子动量之比为1∶2。

3.【答案】5×1016

【解析】光子能量ε＝

，光子数目n＝

，代入数据得n≈5×1016.

4.【答案】B

【解析】黑体辐射规律为：

温度升高，辐射强度I增大，I的极大值向波长短的方向偏移，故B选项正确。

【基础综合训练】

1．【答案】A

【解析】黑体辐射规律：

随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，A图正确。

2．【答案】CD

【解析】黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，并且黑体辐射强度的极大值向波长较短、频率较高的方向移动，故A错误；在光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而入射光越强，光电流的饱和值越大，故B错误；光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，与入射光的强度无关，故C正确；逸出功W=hv0，知极限频率越大，逸出功越大，故D正确．

3．【答案】ABC　

【解析】由题图并结合Ek＝hν－W0得，Ek＝hν－E，故逸出功W0＝E，故选项A对；当Ek＝0时，ν＝νc，故E＝hνc，故选项B对；ν＝2νc时，可得出Ek＝E，故选项C对；当入射光的频率为

时，不发生光电效应，故选项D错．

4.【答案】AB

【解析】由波速公式c=λ·ν得

，则波长为0.375μm的光频率为：

ν=8×1014Hz，结合数据，可知该光子频率大于铯、钠的极限频率，故可发生光电效应的金属是铯、钠，故选AB．

5.【答案】C　

【解析】由德布罗意波长λ＝

知二者的动量应相同，故C正确，由p＝mv可知二者速