新课标高考第一讲 光电效应 波粒二象性考点考向.docx
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新课标高考第一讲光电效应波粒二象性考点考向
基础复习课
第一讲 光电效应 波粒二象性
一、光电效应
1．光电效应现象：
照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象．
2．光电子：
光电效应中发射出来的电子．
3．研究光电效应的电路图
其中A是阳极，K是阴极．
4．光电效应的四个规律
（1）每种金属都有一个截止频率（或极限频率），入射光的频率必须大于截止频率才能产生光电效应．低于截止频率时不能发生光电效应．
（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．
（3）光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.
（4）当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比．
二、爱因斯坦光电效应方程
1．光子说：
在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν.其中h＝6.63×10－34J·s.（称为普朗克常量）
2．逸出功W0：
使电子脱离某种金属所做功的最小值．
3．最大初动能：
发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值．
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最小频率叫作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．
5．爱因斯坦光电效应方程
（1）表达式：
Ek＝hν－W0.
（2）物理意义：
金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能Ek＝
mev2.
三、光的波粒二象性
1．光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．
2．光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性．
3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．
[小题快练]
1．判断题
（1）只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应．（×）
（2）光电子就是光子．（×）
（3）极限频率越大的金属材料逸出功越大．（√）
（4）从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小．（×）
（5）入射光的频率越大，逸出功越大．（×）
2．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是（D）
A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生
B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比
C．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7s
D．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比
3．关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是（D）
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
4．（多选）物理学家做了一个有趣的实验：
在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．对这个实验结果有下列认识，正确的是（BC）
A．曝光时间不长时，出现不规则的点，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点无法预测
C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
考点一 光电效应现象和光电效应方程的应用（自主学习）
1．对光电效应的四点提醒
（1）能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率．
（2）光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光．
（3）逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关．
（4）光电子不是光子，而是电子．
2．两条对应关系
（1）光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
（2）光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．
3．定量分析时应抓住三个关系式
（1）爱因斯坦光电效应方程：
Ek＝hν－W0.
（2）最大初动能与遏止电压的关系：
Ek＝eUc.
（3）逸出功与极限频率的关系：
W0＝hν0.
1－1.[光电效应现象的理解] 关于光电效应现象，下列说法中正确的是（ ）
A．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
B．在光电效应现象中，光电子的最大初动能与照射光的频率成正比
C．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于此波长，才能产生光电效应
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
答案：
C
1－2.[光电效应方程] （2018·全国卷Ⅱ）用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J．已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1，能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为（ ）
A．1×1014Hz B．8×1014Hz
C．2×1015HzD．8×1015Hz
解析：
光电效应方程Ek＝hν－W0，逸出功W0＝hν0，联立解得ν0＝
＝8×1014Hz，故B正确．
答案：
B
考点二 光电效应的图象问题（自主学习）
图象名称
图线形状
由图线直接（间接）得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
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|＝E
③普朗克常量：
图线的斜率k＝h
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：
图线与横轴的交点
②饱和光电流Im：
电流的最大值
③最大初动能Ek＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率νc：
图线与横轴的交点
②遏止电压Uc：
随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：
等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke.（注：
此时两极之间接反向电压）
2－1.（多选）（2019·河南济源四中考试）一含有光电管的电路如图甲所示，乙图是用a、b、c光照射光电管得到的I－U图线，Uc1、Uc2表示截止电压，下列说法正确的是（ ）
A．甲图中光电管得到的电压为正向电压
B．a、b光的波长相等
C．a、c光的波长相等
D．a、c光的光强相等
解析：
如图可知，从金属逸出来的电子在电场力作用下，加速运动，则对应电压为正向电压，故A正确；光电流恰为零，此时光电管两端加的电压为截止电压，对应的光的频率为截止频率，可知，a光、c光对应的截止频率小于b光的截止频率，根据eU截＝
mv
＝hν－W0，入射光的频率越高，对应的截止电压U截越大．a光、c光的截止电压相等，所以a光、c光的频率相等，则a光、c光的波长相等；因b光的截止电压大于a光的截止电压，所以b光的频率大于a光的频率，则a光的波长大于b光的波长，故B错误，C正确；由图可知，a的饱和电流大于c的饱和电流，而光的频率相等，所以a光的光强大于c光的光强，故D错误．
答案：
AC
2－2.[Ek－ν图象] （多选）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．由图象可知（ ）
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
答案：
ABC
2－3.[Uc－ν图象] （2015·全国卷Ⅰ）在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为，所用材料的逸出功可表示为．
解析：
根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W0，又因为Ek＝eUc，得到Uc＝
ν－
，所以
＝k，h＝ek；－
＝b，W0＝－eb.
答案：
ek －eb
考点三 对光的波粒二象性的理解（自主学习）
1．对光的波动性和粒子性的进一步理解
光的波动性
光的粒子性
实验
基础
干涉和衍射
光电效应、康普顿效应
表现
①光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小（概率）可用波动规律来描述
②大量的光子在传播时，表现出光的波动性
①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质
②少量或个别光子容易显示出光的粒子性
说明
①光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的
②光的波动性不同于宏观观念的波
①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
②光子不同于宏观观念的粒子
2.波动性和粒子性的对立与统一
（1）大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性．
（2）波长长（频率低）的光波动性强，而波长短（频率高）的光粒子性强．
（3）光子说并未否定波动说，E＝hν＝
中，ν和λ就是波的概念．
（4）波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的．
3－1.[光的波粒二象性] 下列说法正确的是（ ）
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D．γ射线具有显著的粒子性，而不具有波动性
解析：
从光的波粒二象性可知：
光是同时具有波粒二象性的，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著．光的波长越长，越容易观察到其显示波动特征．光子是一种不带电的微观粒子，而电子是带负电的微观粒子，它们虽然都是微观粒子，但有本质区别，故C正确．
答案：
C
3－2.[波动性分析] （多选）（2015·全国卷Ⅱ）实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是（ ）
A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
解析：
电子束通过双缝产生干涉图样，体现的是波动性，A正确；β射线在云室中留下清晰的径迹说明β射线是一种粒子，不能体现波动性，B错误；衍射体现的是波动性，C正确；电子显微镜观测微观结构利用了电子束的衍射现象，体现波动性，D正确．
答案：
ACD
3－3.[波动性和粒子性分析] （多选）用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图a、b、c所示的图象，则下列说法正确的是（ ）
A．图象a表明光具有粒子性
B．图象c表明光具有波动性
C．用紫外光观察不到类似的图象
D．实验表明光是一种概率波
解析：
图象a曝光时间短，通过光子数很少，呈现粒子性．图象c曝光时间长，通过了大量光子，呈现波动性，A、B正确；同时实验也表明光波是一种概率波，D正确；紫外光本质和可见光本质相同，也可以发生上述现象，C错误．
答案：
ABD
1．运用光子说对光电效应现象进行解释，可以得出的正确结论是（D）
A．当光照时间增大为原来的2倍时，光电流的强度也增大为原来的2倍
B．当入射光频率增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍
C．当入射光波长增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍
D．当入射光强度增大为原来的2倍时，单位时间内产生的光电子数目也增大为原来的2倍
2.（多选）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1921年诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率．从图中可以确定的是（CD）
A．逸出功与ν有关
B．光电子的最大初动能Ek与入射光的频率成正比
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
3．（2018·江苏卷）光电效应实验中，用波长为λ0的单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出．当波长为
的单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为，A、B两种光子的动量之比为.（已知普朗克常量为h、光速为c）
解析：
根据光电效应方程Ek＝hν－W0，又ν＝
，所以有0＝
－W0，Ek＝
－W0解得Ek＝
；又光子动量p＝
，所以A、B两种光子的动量之比为1∶2.
答案：
（1）
（2）1∶2
4．如图所示是研究光电效应的实验装置，某同学进行了如下操作：
（1）用频率为ν1的光照射光电管，此时电流表中有电流．调节滑动变阻器，将触头P向端滑动（填“a”或“b”），使电流表示数恰好变为零，记下电压表示数U1.
（2）用频率为ν2的光照射光电管，重复
（1）中的步骤，记下电压表示数U2.
已知电子的电荷量为e，由上述实验可知，普朗克常量h＝（用上述已知量和测量量表示）．
解析：
（1）对电子加反向的电场力，使之不能到达A端，则A端电势低于K端电势，P向a端滑动．
（2）由hν1－W＝eU1，hν2－W＝eU2，得h＝
.
答案：
（1）a
（2）
[A组·基础题]
1．（2019·江苏高级中学检测）下列实验中，深入地揭示了光的粒子性一面的有（A）
①X射线被石墨散射后部分波长增大 ②锌板被紫外线照射时有电子逸出但被可见光照射时没有电子逸出
③轰击金箔的α粒子中有少数运动方向发生较大偏转 ④氢原子发射的光经三棱镜分光后，呈现线状光谱
A．①② B．①②③
C．②③ D．②③④
解析：
①为康普顿散射，②为光电效应，康普顿散射和光电效应都深入揭示了光的粒子性；③为α粒子散射，未涉及光子，揭示了原子的核式结构模型．④为光的折射，揭示了氢原子能级的不连续，故选A.
2．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）（B）
A．5.5×1014Hz B．7.9×1014Hz
C．9.8×1014HzD．1.2×1015Hz
3．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）
A．2种B．3种
C．4种D．5种
4．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图象．已知钨的逸出功是3.28eV，锌的逸出功是3.34eV，若将二者的图线画在同一个Ek－ν坐标系中，图示中用实线表示钨，虚线表示锌，则下列图象正确反映这一过程的是（A）
5．（多选）（2014·海南卷）在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能发生光电效应．对于这两个过程，下列四个物理量中，一定不同的是（ACD）
A．遏止电压B．饱和光电流
C．光电子的最大初动能D．逸出功
6．（多选）用波长为λ和2λ的光照射同一种金属，分别产生的速度最快的光电子速度之比为2∶1，普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示，那么下列说法正确的有（AD）
A．该种金属的逸出功为
B．该种金属的逸出功为
C．波长超过2λ的光都不能使该金属发生光电效应
D．波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应
7．（多选）如图所示，这是一个研究光电效应的电路图，下列叙述中正确的是（AC）
A．只调换电源的极性，移动滑片P，当电流表示数为零时，电压表示数为遏止电压Uc的数值
B．保持光照条件不变，滑片P向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大
C．不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数会增大
D．阴极K需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流
[B组·能力题]
8．（多选）（2017·全国卷Ⅲ）在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量．下列说法正确的是（BC）
A．若νa>νb，则一定有UaB．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb
C．若UaD．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb
9．现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3.当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek，若改用b光束照射该金属板，飞出的光电子最大动能为
Ek，当改用c光束照射该金属板时（B）
A．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为
Ek
B．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为
Ek
C．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为
Ek
D．由于c光束光子能量最小，该金属板不会发生光电效应
10．从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量．他通过如图所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν，作出Uc－ν图象，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性．图中频率ν1、ν2，遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知，求：
（1）普朗克常量h；
（2）该金属的截止频率ν0.
解析：
根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及动能定理eUc＝Ek，可得Uc＝
ν－
ν0.结合图象知k＝
＝
.
普朗克常量h＝
.截止频率ν0＝
.
答案：
（1）
（2）
11．（2018·苏州质检）德布罗意认为，任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应，波长是λ＝
，式中p是运动物体的动量，h是普朗克常量．已知某种紫光的波长是440nm，若将电子加速，使它的德布罗意波长是这种紫光波长的10－4倍．
（1）求电子的动量大小；
（2）试推导加速电压跟德布罗意波长的关系，并计算加速电压的大小．（电子质量m＝9.1×10－31kg，电子电荷量e＝1.6×10－19C，普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，加速电压的计算结果取一位有效数字）
解析：
（1）由λ＝
，
得p＝
＝
kg·m/s＝
1．5×10－23kg·m/s.
（2）eU＝Ek＝
，又λ＝
，
联立解得U＝
，
代入数据，解得U＝8×102V.
答案：
（1）1.5×10－23kg·m/s
（2）U＝
8×102V
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