高考物理模型全归纳 第100讲+电磁波+光电效应与波粒二象性

高考物理全归纳——模型专题

在高中物理教学中，引导学生认识、理解和建立“物理模型”，是培养学生创造性思维和创新能力的有效途径。

一、什么是物理模型

自然界中事物与事物之间总是存在着千丝万缕的联系，并都处在不断的变化之中。面对复杂多变的自然界，进行科学研究时，总是遵循这样一条重要的原则，即从简到繁，先易后难，循序渐进，逐次深入。

物理模型有三个类型：（1）物理研究对象的理想化（对象模型）；（2）物理条件的理想化（条件模型）；（3）物理过程的理想化（过程模型）

二、为什么要建立物理模型

1、帮助学生掌握学习方法      2、落实“过程与方法”的教学目标

3、提高学生解决问题能力

三、如何帮助学生的建立物理模型

（一）提高认识，重视过程：

对研究对象建立理想的物理模型和在研究物理过程中选择最简单的物理模型，在教学中是经常涉及到的，但学生总不能从中得到启示。

（二）概括总结，触类旁通：

新课程提出高中阶段应给学生更多的空间，让学生较独立地进行科学探究，培养学生的自主探究、自主学习、自已解决问题的能力。

第100讲 电磁波 光电效应与波粒二象性

1．（2021•天津）光刻机是制造芯片的核心装备，利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片。为提高光刻机清晰投影最小图像的能力，在透镜组和硅片之间充有液体。紫外线进入液体后与其在真空中相比（　　）

A．波长变短 B．光子能量增加 

C．频率降低 D．传播速度增大

2．（2022•江苏）光源通过电子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后（　　）

A．频率减小 B．波长减小 C．动量减小 D．速度减小

3．（2022•河北）如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知（　　）

A．钠的逸出功为hνc 

B．钠的截止频率为8.5×1014Hz 

C．图中直线的斜率为普朗克常量 

D．遏止电压Uc与入射光频率v成正比

一.知识回顾

1．麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场(如图所示)。

2．电磁场：变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。

3．电磁波

(1)产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。

(2)电磁波是横波，在空间传播不需要介质。

电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图所示。

(3)电磁波的波速：真空中电磁波的波速与光速相同，c＝3.0×108 m/s。

(4)v＝λf对电磁波同样适用。

(5)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。

(6)赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论。

(7)电磁波与机械波的比较

4．电磁波的发射

(1)发射电磁波的条件

①要有足够高的振荡频率；

②必须是开放电路，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。

(2)信号的调制：为了利用电磁波传递信号，就要对电磁波调制。有调幅和调频两种调制方法。

①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。

②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。

5．电磁波的传播

三种传播方式：天波、地波、直线传播。

6．电磁波的接收

(1)当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫作电谐振。

(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐。

(3)从经过调制的高频振荡电流中还原出原来的信号的过程叫作解调，它是调制的逆过程。调幅波的解调也叫检波。

7.　电磁波谱　Ⅰ

（1）定义

按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱。

将电磁波按波长从长到短排列顺序是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。

（2）电磁波谱的特性、应用

说明

(1)波长不同的电磁波，表现出不同的特性。其中波长较长的无线电波和红外线，易发生干涉、衍射现象；波长较短的X射线、γ射线，穿透能力较强。

(2)电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线和γ射线都有重叠。

(3)不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。

(4)电磁波的能量随频率的升高而增大。

一.必备知识

1.光电效应：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．光电效应的实验规律

(1)存在截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。不同金属的截止频率不同，即截止频率与金属自身的性质有关。

(2)存在饱和电流：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值，即在一定的光照条件下，单位时间阴极K发射的光电子的数目是一定的。实验表明，光的频率一定时，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。

(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光电子的初动能有最大值，Ekm＝mev＝eUc，称为光电子的最大初动能。实验表明，遏止电压(或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。

(4)光电效应具有瞬时性：当入射光的频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时发生的。

4.爱因斯坦光电效应方程

（1）光子说

光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量为hν，其中h＝6.63×10－34 J·s(称为普朗克常量)。这些能量子后来称为光子。

（2）逸出功W0

要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功。

（3）光电子的最大初动能

在光电效应中，金属中的电子吸收光子后，除了要克服金属的逸出功外，有时还要克服原子的其他束缚而做功，这时光电子的初动能就比较小；当逸出过程只克服金属的逸出功而逸出时，光电子的初动能称为最大初动能。

（4）爱因斯坦光电效应方程

表达式：Ek＝hν－W0。

物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的最大初动能Ek＝mev2。

(5)对光电效应规律的解释

（6）三个关系式

爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。

最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。

逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc。

（7）两条对应关系

光强大(频率一定时)→光子数目多→发射光电子多→饱和光电流大。

光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。

（8）光电效应的图像分析

5．光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。

(2)光电效应和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，即光具有波粒二象性。

(4)光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝。

6．物质波

(1)1924年，法国物理学家德布罗意提出：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，这种波叫作物质波，也叫德布罗意波。所以实物粒子也具有波粒二象性。

(2)粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从的关系为：ν＝；λ＝。

二.例题精析

题型一：电磁波与光子

例1．随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术（简称5G）意味着更快的网速和更大的网络容载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波（　　）

A．频率更高 B．衍射更明显 

C．传播速度更大 D．波长更长

题型二：电磁波谱

（多选）例2．关于电磁波谱，下列说法中正确的是（　　）

A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变 

B．γ射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高 

C．紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射 

D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是γ射线 

E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信

题型三：电磁波的产生

例3．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是（　　）

A．变化的电场一定产生变化的磁场 

B．均匀变化的电场一定产生均匀变化的磁场 

C．稳定的电场一定产生稳定的磁场 

D．周期性变化的电场一定产生同频率的周期性变化的磁场

题型四：电磁波综合

（多选）例4．关于电磁波，下列说法正确的是（　　）

A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关 

B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波 

C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直 

D．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失

题型五：电磁波在生活中的应用

例5．新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人环境下消杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较（　　）

A．红外线的光子能量比紫外线的小 

B．真空中红外线的波长比紫外线的短 

C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大 

D．红外线能发生偏振现象，而紫外线不能

题型六：电磁波与机械波的区别

（多选）例6．（2021•福建）以声波作为信息载体的水声通信是水下长距离通信的主要手段。2020年11月10日，中国载人潜水器“奋斗者”号创造了10909米深潜纪录。此次深潜作业利用了水声通信和电磁通信等多种通信方式进行指令传输或数据交换，如图所示。下列说法正确的是（　　）

A．“奋斗者”号与“探索一号”通信的信息载体属于横波 

B．“奋斗者”号与“沧海”号通信的信息载体属于横波 

C．“探索一号”与通信卫星的实时通信可以通过机械波实现 

D．“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程

三.举一反三，巩固练习

1. 某金属在光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，则（　　）

A．普朗克常量为 

B．入射光的频率为3νc时，逸出的光电子的最大初动能为2E 

C．频率大于2νc的入射光照射该金属时才会发生光电效应 

D．若光在真空中的速度为c，则波长大于的光照射该金属时才会发生光电效应

2. 当具有5.0eV能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初动能是

1.5eV．为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为（　　）

A．1.5eV B．3.5eV C．5.0eV D．6.5eV

3. 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（　　）

A． B． 

C． D．

4. 下列说法正确的是（　　）

A．玻尔原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了各种原子光谱的实验规律 

B．普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一 

C．放射性原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线，γ射线在电场和磁场中都会发生偏转             

D．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能是因为这束光的光强太小

5. （多选）产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能Ek，下列说法正确的是 （　　）

A．对于同种金属，Ek与照射光的强度无关 

B．对于同种金属，Ek与照射光的波长成反比 

C．对于同种金属，Ek与光照射的时间成正比 

D．对于同种金属，Ek与照射光的频率成线性关系 

E．对于不同种金属，若照射光频率不变，Ek与金属的逸出功成线性关系

6. 为了测量储液罐中液体的液面高度，有人设计了如图甲所示装置。将与储物罐外壳绝缘的两块平行金属板构成的电容C置于储液罐中，电容C可通过开关S与电感L或电源相连。当开关从a拨到b时，由电感L与电容C构成的回路中产生振荡电流而向外辐射电磁波，再使用乙图中的调谐电路来接收甲振荡电路中的电磁波，这样就可通过测量乙中接收频率而获知甲中的发射频率，进而再通过振荡电路的振荡频率公式f即可获知电容C的值（L值已知），从而测量油罐内的液面高度。已知平行板电容器正对面积、间距一定的条件下，电容C两极板间充入电介质增加（液面上升）时，电容C增大。则下列分析判断正确的是（　　）

A．该装置适用于测量任意种类液体的液面高度 

B．当储物罐内的液面高度降低时，所测到的LC回路中电流的振荡频率变小 

C．当装置使用过久电源电动势减小时，测量的液面高度比真实值偏小 

D．该装置测得的振荡频率与所用电源的电动势大小无关

7. 利用电磁感应驱动的电磁炮，其原理示意图如图甲所示，线圈套在中空的塑料管上，管内光滑，将直径略小于管内径的金属小球静置于线圈右侧A处。图中电容器C已经充好电且上极板带正电，闭合电键S后电容器开始放电，通过线圈的电流随时间的变化规律如图乙所示，金属小球在0～t1的时间内被加速发射出去（t1时刻刚好运动到右侧管口B处）。则（　　）

A．小球在塑料管中的加速度随线圈中电流的增大而一直增大 

B．在0～t1的时间内，电容器储存的电能全部转化为小球的动能 

C．在0～t1的时间内，顺着发射方向看小球中产生的涡流沿逆时针方向 

D．适当加长塑料管一定可使小球获得更大的速度

8. LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法不正确的是（　　）

A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电 

B．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电 

C．若电容器上极板带正电，则自感电动势正在减小 

D．若电容器正在充电，则自感电动势正在阻碍电流减小