15.1光电效应 波粒二象性(解析版)-2023年高考物理一轮复习提升核心素养

这是一份15.1光电效应 波粒二象性(解析版)-2023年高考物理一轮复习提升核心素养，共16页。试卷主要包含了1光电效应 波粒二象性，626×10－34 J·s．等内容，欢迎下载使用。
15.1光电效应 波粒二象性
一、光电效应及其规律
1．光电效应现象
在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子．
2．光电效应的产生条件
入射光的频率大于或等于金属的极限频率．
3．光电效应规律
(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于或等于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10－9 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正比．
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＝hν.
2．逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值．
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．光电效应方程
(1)表达式：hν＝Ek＋W0或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电子的最大初动能．
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波动性．
(2)光电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．
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大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，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＝eq \f(h,p)，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．
黑体辐射及实验规律
1．热辐射
(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射．
(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同．
2．黑体、黑体辐射的实验规律
(1)黑体：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对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，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．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，如图．
3．能量子
(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子．
(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)．
例题1.
(多选)关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是( )
A．黑体能够完全吸收照射到它上面的光波
B．随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加
C．随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动
D．黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关
【答案】AD
【解析】
能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体，A正确；由题图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，选项B错误；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，选项C错误；一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关，选项D正确．
在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ＝6.4×10－7 m，每个激光脉冲的能量E＝1.5×10－2 J．求每个脉冲中的光子数目．(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s.计算结果保留一位有效数字)
【答案】 5×1016
【解析】
每个光子的能量为E0＝hν＝heq \f(c,λ)，每个激光脉冲的能量为E，所以每个脉冲中的光子数目为：N＝eq \f(E,E0)，联立且代入数据解得：N＝5×1016个．
关于热辐射，下列说法不正确的是（ ）
A．物体在室温下辐射的主要成分是波长较短的电磁波
B．随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多
C．给一块铁块加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色
D．辐射强度按波长的分布情况随物体温度的变化而有所不同，这是热辐射的一种特性
【答案】A
【解析】A．物体在室温下辐射的主要成分是波长较长的电磁波，以不可见的红外线为主，故A错误；
B．随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多，故B正确；
C．给一块铁块加热，随着温度的升高，热辐射中波长较短的成分越来越多，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，故C正确；
D．辐射强度按波长的分布情况随物体温度的变化而有所不同，这是热辐射的一种特性，故D正确。
本题选错误的，故选A。
光电效应
1．光电效应的分析思路
2．光电效应图像
例题2.(多选)如图所示，甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图像，以下说法正确的是( )
A．由图甲可求得普朗克常量h＝eq \f(be,a)
B．由图乙可知虚线对应金属的逸出功比实线对应金属的逸出功小
C．由图丙可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大
D．由图丁可知电压越高，则光电流越大
【答案】BC
【解析】
根据光电效应方程，结合动能定理可知eUc＝Ek＝hν－W0＝hν－hνc，变式可得Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(h,e)νc，斜率k＝eq \f(b,2a)＝eq \f(h,e)，解得普朗克常量为h＝eq \f(be,2a)，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，纵轴截距的绝对值表示逸出功，则实线对应金属的逸出功比虚线对应金属的逸出功大，故B正确；入射光频率一定，饱和电流由入射光的强度决定，即光的颜色不变的情况下，入射光越强，光子数越多，饱和电流越大，故C正确；分析题图丁可知，当达到饱和电流以后，增加光电管两端的电压，光电流不变，故D错误．
研究光电效应的电路图如图所示，关于光电效应，下列说法正确的是( )
A．任何一种频率的光，只要照射时间足够长，电流表就会有示数
B．若电源电动势足够大，滑动变阻器滑片向右滑，电流表的示数能一直增大
C．调换电源的正负极，调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数可能变为零
D．光电效应反映了光具有波动性
【答案】 C
【解析】
能否发生光电效应取决于光的频率，与照射时间长短无关，A错误；增加极板间电压，会出现饱和电流，电流表示数不会一直增大，B错误；调换电源正负极，若反向电压达到遏止电压，则电流表示数变为零，C正确；光电效应反映了光具有粒子性，D错误．
(多选)一定强度的激光(含有三种频率的复色光)沿半径方向入射到半圆形玻璃砖的圆心O点，如图甲所示．现让经过玻璃砖后的A、B、C三束光分别照射相同的光电管的阴极(如图乙所示)，其中C光照射时恰好有光电流产生，则( )
A．若用B光照射光电管的阴极，一定有光电子逸出
B．若用A光和C光分别照射光电管的阴极，A光照射时逸出的光电子的最大初动能较大
C．若入射光的入射角从0开始增大，C光比B光先消失
D．若是激发态的氢原子直接跃迁到基态辐射出B光、C光，则C光对应的能级较低
【答案】BC
【解析】
由题图甲可得，B光和C光为单色光，C光的折射率大，频率高；A光除了B、C光的反射光线外，还含有第三种频率的光，为三种光的复合光．C光照射光电管恰好有光电流产生，用B光照射同一光电管，不能发生光电效应，故A错误；A光为三种频率的复合光，但A光中某频率的光发生了全反射，其临界角最小，折射率最大，频率最高，则A光和C光分别照射光电管的阴极时，A光照射时逸出的光电子的最大初动能较大，故B正确；根据sin C＝eq \f(1,n)可知，C光的临界角比B光小，若入射光的入射角从0开始增大，C光比B光先消失，故C正确；C光的频率比B光高，根据能级跃迁规律可知，若是激发态的氢原子直接跃迁到基态辐射出B光、C光，则C光对应的能级较高，故D错误．
光的波粒二象性与物质波
例题3.
(2022·上海师大附中高三学业考试)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)所示的图像，则( )
A．图像(a)表明光具有波动性
B．图像(c)表明光具有粒子性
C．用紫外线观察不到类似的图像
D．实验表明光是一种概率波
【答案】 D
【解析】
题图(a)只有分散的亮点，表明光具有粒子性；题图(c)呈现干涉条纹，表明光具有波动性，A、B错误；紫外线也具有波粒二象性，也可以观察到类似的图像，C错误；实验表明光是一种概率波，D正确．
(多选)根据物质波的理论,下列说法正确的是( )
A.微观粒子有波动性,宏观物体没有波动性
B.微观粒子和宏观物体都具有波动性
C.宏观物体的波动性不易被察觉,因为它的波长太长
D.速度相同的质子和电子,电子的波动性更为明显
【答案】BD
【解析】 一切运动的物体都有一种波与它相对应,所以宏观物体、微观粒子都具有波动性,选项A错误,选项B正确;物质波的波长与其动量的关系为λ=hp,因宏观物体的动量较大,所以其德布罗意波长非常短,不易观察到其波动性,选项C错误;速度相同的质子和电子,电子的质量较小,动量较小,物质波的波长较长,故波动性较明显,选项D正确。
在中子衍射技术中,常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m=1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10 m的热中子动量的数量级为( )
A.10-17 kg·m/sB.10-19 kg·m/s
C.10-21 kg·m/sD.10-24 kg·m/s
【答案】D
【解析】由德布罗意波长公式λ=hp可得p=hλ≈3.64×10-24 kg·m/s,因此热中子的动量的数量级为10-24 kg·m/s,故D正确。
1. 下列说法正确的是（ ）
A．只有温度高的物体才会有热辐射
B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量
C．黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以反射电磁波
D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关
【答案】D
【解析】A．任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能力越强，故A错误；
BC．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叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，故BC错误；
D．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，与构成黑体的材料、形状无关，而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，故D正确。
故选D。
2. 如图所示，用绿光照射一光电管，能发生光电效应。欲使光电子从阴极逸出时的初动能增大，应该（ ）
A．改用红光照射
B．改用紫光照射
C．增大光电管上的加速电压
D．增大绿光的强度
【答案】B
【解析】A．由爱因斯坦光电效应方程
Ek=hν-W
增加最大初动能，只需要入射光的频率变大。红光的频率比绿光小，不一定发生光电效应，即使发生了，光电子的最大初动能也变小，故A错误；
B．由爱因斯坦光电效应方程
Ek=hν-W
增加最大初动能，只需要入射光的频率变大。紫光的频率比绿光的大，一定发生光电效应，光电子的最大初动能增大，故B正确；
C．由爱因斯坦光电效应方程
Ek=hν-W
增加最大初动能，只需要入射光的频率变大。增大光电管的加速电压，不影响阴极逸出时的初动能，故C错误；
D．由爱因斯坦光电效应方程
Ek=hν-W
增加最大初动能，只需要入射光的频率变大。增加绿光照射强度只是增大了光电流强度，故D错误。
故选B。
3. 某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图所示，表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料（ ）
A．仅钠能产生光电子B．仅钠、铜能产生光电子
C．仅钠、铂能产生光电子D．都能产生光电子
【答案】D
【解析】根据光电效应方程可知
只要光的波长小于某金属的极限波长，就有光电子逸出，该光源发出的光的波长最小值小于100 nm，小于钠、铜、铂的极限波长，故三种金属都能产生光电子。
故选D。
4. 光电管的原理图如图所示，已知当有波长为的光照到阴极K上时，电路中有光电流，则（ ）
A．若减小入射光强度，电路中可能没有光电流
B．若增加电路中电源电压，电路中光电流可能先增大后不变
C．若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生
D．若换用波长为λ1（λ1>λ0）的光照射阴极K，电路中一定没有光电流
【答案】B
【解析】A．能否发生光电效应与光的频率有关，与光的强度无关，减小入射光强度，光电流减小，不可能没有，A错误；
B．增加电路中电源电压，电路中光电流增大，当达到饱和电流时光电流不再变化，B正确；
C．若将电源极性反接，电路中不一定没有光电流，只有当U>Uc时才遏止住最大初动能的光电子，没有电流产生，C错误；
D．当时，可能入射光频率仍然大于截止频率，还可以发生光电效应，D错误。
故选B。
5. 如图甲所示为研究光电效应的实验装置，电源和电表的正负极可以对调，某同学选用a、b、c三束不同的单色光分别照射同一光电管，发现光电流与电压的关系图像如图乙所示，下列说法正确的是（ ）
A．三束光的频率关系为
B．单位时间内产生的光电子数的关系为na>nb>nc
C．用a、b、c三束光照射时，逸出光电子的最大初动能的关系为Ekb>Eka>Ekc
D．用a、b、c三束光照射时，逸出光电子的动能大小一定为Ekb>Ekc>Eka
【答案】B
【解析】ACD．由动能定理和爱因斯坦光电效应方程

遏制电压越大，频率越大，可知三束光的频率关系为
光电子逸出时最大初动能的关系为
Ekb>Ekc>Eka
在某种光的照射下逸出的光电子的动能介于0与最大初动能之间，故ACD错误；
B．饱和光电流越大，说明单位时间内产生的光电子数越多，即
na>nb>nc
故B正确。
故选B。
6. 用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验，当用频率为ν1的光照射时，遏止电压的大小为U1，当用频率为ν2的光照射时，遏止电压的大小为U2。已知电子电荷量的大小为e，则下列表示普朗克常量和该种金属的逸出功正确的是（ ）
A．h=B．h=
C．W0=D．W0=
【答案】D
【解析】根据光电效应方程得
Ek=hν-W0
根据动能定理得
eUc=Ek
联立两式解得

则
解得
故D正确，ABC错误。
故选Ｄ。
7. （多选）对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是（ ）
A．微波是指波长在10-3m到10m之间的电磁波
B．微波和声波一样都只能在介质中传播
C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射
D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说
【答案】ACD
【解析】A．微波是电磁波中按波长分类波长较小的一种，微波是指波长在10-3m到10m之间电磁波，故A正确；
B．微波是电磁波，电磁波既能在介质中传播也能在真空中传播，而声波是机械波，只能在介质中传播，故B错误；
C．黑体向外辐射的是热量，是以光子的形式辐射的，而光是电磁波，所以黑体的热辐射实际上是电磁辐射故，C正确。
D．普朗克在研究黑体辐射的过程中提出了黑体辐射的能量是一份一份的，从而提出了能量子的假说，故D正确。
故选ACD。
8. （多选）如图所示，电路中所有元件完好，光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过。其原因可能是（ ）
A．入射光太弱B．入射光波长太长
C．光照时间太短D．电源电压太大
【答案】BD
【解析】波长越长，光的频率越低
AB．金属存在截止频率，入射光的频率超过截止频率的光照射金属时才会有光电子射出。入射光的频率低于截止频率，不能产生光电效应，光电效应的产生与光照强弱无关，B正确，A错误；
D．电路中电源正、负极接反，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，D正确；
C．光电效应的产生与光照时间无关，C错误。
故选BD。
9. （多选）如图所示，用某一频率的光照射光电管的阴极，阴极材料的逸出功为W，光电子的最大初动能为Ek，缓慢向右移动滑动变阻器的滑片发现电流表示数逐渐增大，当滑片移动到某一位置以后，再移动滑片电流表示数不再增加，此时电流表示数为0.16 A。已知h为普朗克常量，下列说法中正确的是（ ）
A．A端接的是电源的负极
B．该实验中饱和电流为0.16 A
C．入射光的频率可能为
D．若将电源极性颠倒，缓慢向右移动滑片，当电流表示数刚好为零时，电压表示数为
【答案】BD
【解析】AB．由题意可知，当逃逸出来的所有电子全部到达阳极时电流表的示数不再随着滑片的右移而增大，所以此时加的是正向电压，A端接的是电源的正极，饱和电流为0.16 A，故A错误，B正确；
C．由爱因斯坦光电效应方程有
Ek=hν-W
解得
ν=
故C错误；
D．若将电源极性颠倒，光电管接的是反向电压，缓慢向右移动滑片，当动能最大的电子也刚好不能到达阳极时，电流表示数刚好为零，此时有
-eU=0-Ek
所以电压表示数
U=
故D正确。
故选BD。
10.（多选）如图所示，图甲为演示光电效应的实验装置；图乙为a、b、c三种光照下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线。下列说法正确的是（ ）
A．a、b、c三种光的频率各不相同
B．b、c两种光的光强可能相同
C．若b光为绿光，a光不可能是紫光
D．图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的读数可能增大
【答案】CD
【解析】A．由光电效应方程及遏止电压的关系可得
b、c两种光的遏止电压相同，故频率相同，a光的遏止电压较小，频率较低，A错误；
B．饱和光电流与光强成正比，对比题图乙可知，b光较强，B错误；
C．a光频率较低，若b光为绿光，a光不可能是紫光，C正确；
D．题图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，增大光电管两端电压，且为正向电压，电流表的读数可能增大，但不会超过饱和光电流，D正确。
故选CD。
自主命题卷
全国卷
考
情
分
析
2021·广东卷·T1 原子核的衰变
2021·全国甲卷·T17 原子核的衰变
2021·湖南卷·T1 衰变、半衰期
2021·全国乙卷·T17 半衰期
2021·河北卷·T1 衰变、半衰期
2020·全国卷Ⅰ·T19 核反应
2021·浙江6月选考·T14 核反应
2020·全国卷Ⅱ·T18 核能
2020·天津卷·T1 原子核式结构实验
2020·全国卷Ⅲ·T19 原子核的衰变
2020·江苏卷·T12(1)(2) 黑体辐射、能级跃迁、光子的动量
2019·全国卷Ⅰ·T14 能级跃迁
2020·浙江7月选考·T14 核聚变、核能
2019·全国卷Ⅱ·T15 核能
2019·天津卷·T5 光电效应
2018·全国卷Ⅱ·T17 光电效应
试
题
情
境
生活实践类
医用放射性核素、霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等
学习探究类
光电效应现象、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等
图像名称
图线形状
获取信息
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①截止频率(极限频率)νc：图线与ν轴交点的横坐标
②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量h：图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率νc：图线与横轴的交点的横坐标
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荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压)
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：图线与横轴的交点的横坐标
②饱和电流：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饱和电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
材料
钠
铜
铂
极限波长/nm
541
268
196