2022届高考物理一轮复习14.1光电效应波粒二象性学案新课标人教版

第1讲　光电效应　波粒二象性

知识点一　光电效应及其规律

1．光电效应现象

在光的照射下，金属中的____________从表面逸出的现象，发射出来的电子叫做________．

2．光电效应的产生条件

入射光的频率________金属的极限频率．

3．光电效应规律

(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须________这个极限频率才能产生光电效应．

(2)光电子的最大初动能与入射光的____________无关，只随入射光频率的增大而________．

(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s.

(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成________．

知识点二　爱因斯坦光电效应方程

1．光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝________.

2．逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的________．

3．最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的________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．光电效应方程

(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝________.

(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电子的____________．

知识点三　光的波粒二象性与物质波

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，因此光波是一种概率波．

(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．

思考辨析

(1)光子和光电子都是实物粒子．(　　)

(2)只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应．(　　)

(3)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功．(　　)

(4)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性．(　　)

(5)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应现象．(　　)

(6)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性．(　　)

(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性．(　　)

教材改编

[人教版选修3－5·P30·演示实验改编]如图所示，用紫外线灯照射锌板，发现验电器的指针偏转，以下说法正确的是(　　)

A．锌板带正电，指针带负电

B．锌板带负电，指针带正电

C．锌板带正电，指针带正电

D．锌板带负电，指针带负电

考点一　光电效应规律

自主演练

1．四点提醒

(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→光电流饱和值大；

(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．

3．三个关系式

(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＝hνc.

4．区分光电效应中的四组概念

(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子．

(2)光电子的动能与光电子的最大初动能．

(3)光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．

[多维练透]

1．(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是(　　)

A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大．饱和光电流变大

B．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大

C．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生

D．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关

2．用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19 J．已知普朗克常量为6.63×10－34 J·s，真空中的光速为3.00×108 m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　)

A．1×1014 Hz  B．8×1014 Hz

C．2×1015 Hz  D．8×1015 Hz

3．如图甲所示，合上开关，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零．调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数不为零，当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零．把电路改为图乙，当电压表读数为2.0 V时，逸出功及电子到达阳极时的最大动能分别为(　　)

A．1.5 eV、0.6 eV  B．1.7 eV、1.9 eV

C．1.9 eV、2.6 eV  D．3.1 eV、4.5 eV

4.[2019·北京卷，19]光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流．表中给出了6次实验的结果．

由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)

A．两组实验采用了不同频率的入射光

B．两组实验所用的金属板材质不同

C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV

D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大

考点二　光电效应的图象分析

师生共研

光电效应中常见的四个图象

题型1|Ek－ν图象

例1 用如图甲所示的装置研究光电效应现象，闭合电键S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应．图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系图象，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)，下列说法中正确的是(　　)

A．普朗克常量为h＝

B．断开电键S后，电流表G的示数不为零

C．仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大

D．保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变

题型2|I－U图象

例2 (多选)研究光电效应的实验电路图如图(a)所示，实验中得到的光电流I与光电管两端电压U的关系图象如图(b)所示．下列说法正确的是(　　)

A．若把滑动变阻器的滑片向右滑动，光电流一定增大

B．甲与乙是同一种光，且甲的光强大于乙

C．由图(b)可知，乙光的频率小于丙光的频率

D．若将甲光换成丙光来照射K极，则K极所用材料的逸出功将减小

题型3|Uc ­ ν图象

例3 如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图象，则下列说法正确的是(　　)

A．图象的斜率为普朗克常量

B．该金属的截止频率约为5.5×1014 Hz

C．由图象可得该金属的逸出功为0.5 eV

D．由图象可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系

练1　用不同频率的光分别照射钨(W)和锌(Zn)，产生光电效应，根据实验可画出光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图线．已知钨的逸出功是4.54 eV，锌的逸出功为4.62 eV，若将二者的图线画在同一个Ek－ν坐标系中，则正确的图象是下图中的(　　)

练2　[2021·宁夏石嘴山适应性测试]如图1所示是研究光电效应的实验装置．某同学选用甲、乙两种单色光做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图2所示．已知普朗克常量为h，电子的电荷量为e，下列说法正确的是(　　)

A．由图2可知，甲光光子频率等于乙光光子频率

B．由图2可知，甲光的强度小于乙光的强度

C．甲、乙光分别照射阴极K时，光电子逸出时最大初动能不同

D．由图2可知，甲光照射时光电子的最大初动能大于乙光照射时光电子的最大初动能

考点三　光的波粒二象性　物质波

师生共研

1．对光的粒子性和波动性的理解：

2.物质波：德布罗意波是概率波，衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方，但概率的大小受波动规律的支配．

 (多选)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．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹

B．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构

C．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构

D．光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关

练3　下列有关光的波粒二象性的说法中，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．大量光子的行为往往显示出粒子性

练4　(多选)1927年，戴维孙和革末完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一．如图所示是该实验装置的简化图，下列说法正确的是(　　)

A．亮条纹是电子到达概率大的地方

B．该实验说明物质波理论是正确的

C．该实验再次说明光子具有波动性

D．该实验说明实物粒子具有波动性

第1讲　光电效应　波粒二象性

基础落实

知识点一

1．电子　光电子

2．大于等于

3．(1)大于等于　(2)强度　增大　(4)正比

知识点二

1．hν

2．最小值

3．电子

4．(1)hν－W0　(2)最大初动能

知识点三

1．(1)波动　(2)粒子　(3)波粒二象

2．(1)大　小　(2)

思考辨析

(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√　(7)√

教材改编

解析：本题考查光电效应，用紫外线灯照射锌板，有电子逸出，所以锌板带正电，验电器指针与锌板连接，同样带正电．所以C正确，A、B、D错误．

答案：C

考点突破

1．解析：在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大饱和光电流越大，因此A正确；根据Ekm＝hν－W可知，对于同一光电管，逸出功W不变，当频率变高时最大初动能Ekm变大，因此B正确；由光电效应规律可知，当频率低于极限频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此C错误；由Ekm＝eUc和Ekm＝hν－W，得hν－W＝eUc，遏止电压只与入射光频率有关，与入射光强无关，因此D正确．

答案：ABD

2．解析：设单色光的最低频率为ν0，由Ek＝hν－W知Ek＝hν1－W，0＝hν0－W，又知ν1＝整理得ν0＝，解得ν0≈8×1014 Hz.

答案：B

3．解析：用光子能量为hν＝2.5 eV的光照射阴极，电流表读数不为零，说明能发生光电效应，当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零，说明电子不能到达阳极，由动能定理eUc＝Ek知，最大初动能Ek＝eUc＝0.6 eV，由光电效应方程hν＝Ek＋W0知W0＝1.9 eV，对图乙，当电压表读数为2.0 V时，电子到达阳极的最大动能E′k＝Ek＋eU′＝0.6 eV＋2 eV＝2.6 eV，故选项C正确．

答案：C

4．解析：本题考查了光电管在光照下产生光电流的现象和考生的实验数据分析能力，培养了考生的科学探究素养．

表格中入射光子的能量不同，根据光子的能量E＝hν可知两组实验采用的入射光的频率不同，再由光电效应方程解得两组实验中金属的逸出功都是3.1 eV，所以A选项正确，B选项不正确；当入射光子的能量为5.0 eV时，Ekm＝hν－W＝1.9 eV，故C选项正确；当入射光子的能量为5.0 eV时，相对光强越强，单位时间内飞出的光电子越多，光电流越大，所以D项正确．

答案：B

例1　解析：根据Ekm＝hν－W0得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，等于b，当最大初动能为零时，入射光的频率等于截止频率，所以金属的截止频率为ν0＝a，那么普朗克常量为h＝，故A项错误；电键S断开后，因光电效应现象中，光电子存在最大初动能，因此电流表G的示数不为零，故B项正确；根据光电效应方程可知，入射光的频率与最大初动能有关，与光的强度无关，故C项错误；若保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，则光子数目减小，那么电流表G的示数会减小，故D项错误．

答案：B

例2　解析：滑动变阻器的滑片向右滑动，光电流可能增大，也可能已达到饱和电流而不变，A错误；由图(b)可知，甲、乙两光的遏止电压相同，说明它们使光电管上逸出的光电子的最大初动能相同，即它们的频率相同，但甲、乙两光的饱和电流不同，说明它们的光强不同，因甲光的饱和电流大于乙光的饱和电流，故甲的光强大于乙，B正确；入射光频率越大，逸出光电子的最大初动能越大，遏止电压越大，结合图(b)分析可知，C正确；逸出功只由金属本身决定，与入射光无关，D错误．

答案：BC

例3　解析：根据光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，又Ekm＝eUc，解得Uc＝，可知图线的斜率k＝，故A项错误；当遏止电压为零时，入射光的频率等于金属的截止频率，大约为4.2×1014 Hz，故B项错误；图线的斜率k＝，则逸出功W0＝hν0＝keν0＝×4.2×1014 eV＝1.6 eV，故C项错误；根据光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，即eUc＝hν－W0，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，故D项正确．

答案：D

练1　解析：由光电效应方程知，对金属钨，有Ek＝hν－4.54 eV，对金属锌，有Ek＝hν－4.62 eV，所以图象的斜率相同，图线应平行；又有W0＝hνc，则图线的横轴的截距越大，金属的极限频率越大，A正确．

答案：A

练2　解析：本题考查光电效应，体现科学推理要素，符合“四翼”考查要求的基础性．

根据爱因斯坦光电效应方程有

Ekm＝hν－W

根据动能定理有－eUc＝0－Ekm

联立得eUc＝hν－W

由于遏止电压Uc相同，则两种光的频率相同，故A正确；

根据光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判断甲光的强度较大，故B错误；

根据动能定理有－eUc＝0－Ekm

即eUc＝Ekm

可知遏止电压相同，则光电子的最大初动能相同，故C、D错误．

答案：A

例4　解析：β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹，可以说明β射线是一种粒子，故A错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，慢中子衍射说明中子是一种波，故B正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，利用了电子束的德布罗意波长短，提高显微镜的分辨率，说明电子是一种波，故C正确；光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，说明光是一种粒子，故D错误．

答案：BC

练3　解析：光既有波动性又有粒子性，故A项错误；光子不带电，没有静止质量，而电子带负电，有质量，故B项错误；光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著，故C项正确；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住表现为波动性，故D项错误．

答案：C

练4　解析：电子属于实物粒子，电子衍射实验说明电子具有波动性，说明物质波理论是正确的，与光的波动性无关，B、D正确，C错误；物质波也是概率波，亮条纹是电子到达概率大的地方，A正确．

答案：ABD