2021高考物理鲁科版一轮复习教师用书：第十二章第1节　光电效应　波粒二象性

第十二章　原子与原子核

[全国卷考情分析]——供老师参考

第1节　光电效应　波粒二象性

一、黑体辐射与能量子

1.黑体与黑体辐射

(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.

a.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加.

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.

2.能量子

(1)定义: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=6.63×10-34 J·s.

二、光电效应

1.定义:在物理学中,在光的照射下电子从物体表面逸出的现象称为光电效应.

2.产生条件:入射光的频率大于或等于极限频率.

3.光电效应规律

(1)极限频率的存在:入射光的频率必须大于或等于极限频率ν0.才能发生光电效应,与入射光强度及照射时间无关.不同金属材料的极限频率不同.

(2)当产生光电效应时,光电流大小随入射光强度的增大而增大.

(3)光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系,如图所示.即光电子的最大初动能随着入射光频率的增加而增加,而与入射光强度无关.

(4)光电效应具有瞬时性:只要光的频率大于极限频率,即使用极弱的入射光,光电子总能立刻(约10-9 s)发射出来.

三、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,每一份叫做一个光的能量子,简称光子,光子的能量ε=hν.其中h=6.63×10-34 J·s(称为普朗克常量).

2.逸出功W

使电子脱离某种金属所做功的最小值.金属越活跃,逸出功越小,越容易发生光电效应.

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.爱因斯坦光电效应方程

(1)表达式:hν=W+mv2.

(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W,剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能mv2.

四、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=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量.

1.思考判断

(1)要想在光电效应实验中测到光电流,入射光子的能量必须大于金属的逸出功.(　√　)

(2)光子和光电子都是实物粒子.(　×　)

(3)只要入射光的强度足够强,就可以使金属发生光电效应.(　×　)

(4)光的频率越高,光的粒子性越明显,但仍具有波动性.(　√　)

(5)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比.(　×　)

2.(2019·贵州遵义检测)下表给出了一些金属材料的逸出功.

现用波长为400 nm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=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s)(　A　)

A.2种 B.3种

C.4种 D.5种

解析:要发生光电效应,则入射光的能量必须大于金属的逸出功,而波长为400 nm的光的能量E=hν=h=6.63×10-34× J≈4.97×10-19 J,大于铯和钙的逸出功,所以A项正确.

3.(2019·河北保定月考)如图所示,弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器铝箔有张角,则该实验(　D　)

A.只能证明光具有波动性

B.只能证明光具有粒子性

C.只能证明光能够发生衍射

D.证明了光具有波粒二象性

解析:弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性,验电器铝箔有张角,说明锌板发生了光电效应,证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,D项正确.

4.

(2019·吉林长春一模)(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mv2与入射光频率ν的关系图象.由图象可知(　ABC　)

A.该金属的逸出功等于E

B.该金属的逸出功等于hν0

C.入射光的频率为2ν0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

解析:根据光电效应方程得mv2=hν-W,故逸出功W=E,A项正确;当mv2=0时,ν=ν0,故W=E=hν0,B项正确;当ν=2ν0时,mv2=2hν0-hν0=hν0=E,C项正确;当入射光的频率为时,不发生光电效应,D项错误.

考点一　光电效应规律

1.两条线索

2.定量分析时应抓住三个关系式

(1)爱因斯坦光电效应方程:hν=W+mv2.

(2)最大初动能与遏止电压的关系:mv2=eU0.

(3)逸出功与极限频率的关系:W=hν0.

[例1]

(2019·安徽合肥二模)如图所示是光电管的原理图,已知当有波长为λ0的光照射到阴极K上时,电路中有光电流,则(　B　)

A.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

B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K,电路中一定有光电流

C.增加电路中电源两极电压,电路中光电流一定增大

D.若将电源极性反接,电路中一定没有光电流产生

解析:当用波长为λ0的光照射阴极K时,电路中有光电流,只有换用频率更大,也就是用波长比λ0小的光照射阴极K时才一定有光电流,换用波长比λ0大的光照射时情况不确定,A项错误,B项正确;当光电流达到饱和时,增大两极电压,光电流不变,C项错误;若将电源极性反接,光电子做减速运动,若接近A极时还没有减速到零,电路中就可能有光电流产生,D项错误.

[针对训练] 关于光电效应,下列说法正确的是(　A　)

A.极限频率越大的金属材料逸出功越大

B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应

C.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

D.用频率不同的单色光照射同种金属表面都能发生光电效应,则频率越大的饱和电流越大

解析:由金属材料的逸出功W=hν0,知极限频率越大,其逸出功越大,故A正确;发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属材料的极限频率,与入射光的强度、照射时间无关,故B错误;金属材料的逸出功是材料本身的特性,与光电子的最大初动能无关,故C错误;饱和电流的大小与入射光的强度有关,与入射光的频率无关,故D错误.

考点二　光电效应的图象问题

[例2] (多选)如图(甲)所示,在光电效应实验中,某同学用相同频率的单色光,分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管,结果都能发生光电效应.图(乙)为其中一个光电管的遏止电压U0随入射光频率ν变化的函数关系图象.对于这两个光电管,下列判断正确的是(　ABC　)

A.因为材料不同逸出功不同,所以遏止电压U0不同

B.光电子的最大初动能不同

C.因为光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和电流也可能相同

D.两个光电管的U0ν图象的斜率可能不同

解析:因为不同材料有不同逸出功,所以遏止电压U0不同,A项正确;根据光电效应方程hν=W+mv2,因为不同材料有不同逸出功,所以光电子的最大初动能不同,B项正确;在入射光的频率大于极限频率的情况下,发射出的光电子数与入射光的强度成正比,光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和电流也可能相同,C项正确;由U0=-.可知,U0ν的图象的斜率k=是常数,D项错误.

1.(mv2-ν图象)(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率变化的图线(直线与横轴的交点的刻线为4.27,与纵轴交点的刻线为0.5).由图可知(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s)(　AC　)

A.该金属的极限频率为4.27×1014 Hz

B.该金属的极限频率为5.5×1014 Hz

C.该图线的斜率表示普朗克常量

D.该金属的逸出功为0.5 eV

解析:由光电效应方程hν=W+mv2,可知在mv2ν图象中,图线在横轴上的截距为极限频率,图线的斜率为普朗克常量,故A,C正确,B错误;当mv2=hν-W=0时,金属的逸出功W=hν0= eV≈1.77 eV,D项错误.

2.

(IU图象)(多选)用甲、乙两种单色光照射同一金属做光电效应实验,发现光电流与电压的关系如图所示.已知普朗克常量为h,被照射金属的逸出功为W,遏止电压为U0,电子的电荷量为e.下列说法正确的是(　AD　)

A.甲光的强度大于乙光的强度

B.甲光的频率大于乙光的频率

C.甲光照射时产生的光电子初动能均为eU0

D.乙光的频率为

解析:根据光的强度越强,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,选项A正确;由题图可知,甲、乙两光的遏止电压相同,根据光电效应方程hν=W+mv2,可知甲、乙两光的频率相同,选项B错误;甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eU0,选项C错误;根据mv2=hν-W及mv2=eU0,可得ν=,选项D正确.

考点三　光的波粒二象性　物质波

1.对光的波粒二象性的进一步理解

2.物质波

(1)定义:任何运动着的物体都有一种波与之对应,这种波也叫德布罗意波.

(2)波长或频率:λ=,ν=,h是普朗克常量.

[例3] (2019·北京海淀适应性练习)对光的认识,下列说法不正确的是(　C　)

A.个别光子的行为表现出粒子性,大量光子的行为表现出波动性

B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的

C.大量光子表现出波动性时,就不具有粒子性,少量光子表现出粒子性时,就不再具有波动性

D.光的波粒二象性应理解为:在某种情况下光的波动性表现明显,在另外某种情况下,光的粒子性表现明显

解析:个别光子的行为往往表现出来的是粒子性,而大量光子表现出来的是波动性,A项正确;光的波动性是光子本身特有的属性,并不是光子之间的相互作用引起的,B项正确;光的波粒二象性是指光在某种情况下光的波动性表现明显,但不是没有粒子性,只是粒子性不明显;反之,在另外某种情况下,光的粒子性表现明显,波动性不明显,故C项错误,D项正确.

(3)微观粒子的波动性与机械波不同,微观粒子的波是概率波.

[针对训练] (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(　ACD　)

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:干涉是波具有的特性,电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,说明电子具有波动性,故A正确;β粒子在云室中受洛伦兹力的作用,做的是圆周运动,与波动性无关,故B错误;利用慢中子衍射来研究晶体的结构说明中子可以产生衍射现象,说明中子具有波动性,故C正确;电子显微镜利用了电子衍射,电子的物质波的波长比可见光的波长短得多,所以分辨率也高得多,故D正确.

1.(2018·全国Ⅱ卷,17)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(　B　)

A.1×1014 Hz B.8×1014 Hz

C.2×1015 Hz D.8×1015 Hz

解析:设单色光的最低频率为ν0,由hν=W+mv2知mv2=hν1-W,0=hν0-W,又知ν1=,整理得ν0=-,解得ν0≈8×1014 Hz,选项B正确.

2.(2019·江西瑞金二模)(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

解析:由hν=W+mv2知,h=W+m,h=W+m,又v1=2v2,所以W=,光的波长小于或等于3λ时方能发生光电效应,故A,D正确.

3.(2019·山东青岛模拟)(多选)一单色光照到某金属表面时,有光电子从金属表面逸出,下列说法中正确的是(　AC　)

A.无论增大照射光的频率还是增加照射光的强度,金属的逸出功都不变

B.只延长照射光照射时间,光电子的最大初动能将增加

C.只增大照射光的频率,光电子的最大初动能将增大

D.只增大照射光的频率,光电子逸出所经历的时间将缩短

解析:增大照射光的频率,或增加照射光的强度,金属逸出功都将不变,逸出功只取决于金属本身的性质,A项正确;根据光电效应方程hν=W+mv2可知,光电子的最大初动能由照射光的频率和逸出功决定,只延长照射光照射时间,光电子的最大初动能将不变,B项错误;只增大照射光的频率,光电子的最大初动能将增大,C项正确;光电子逸出所经历的时间不超过10-9 s,与光的频率无关,D项错误.

4.

(2015·全国Ⅰ卷,35)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得mv2=hν-W,

又因为mv2=eUc,

得到Uc=ν-,

所以=k,h=ek;-=b,W=-eb.

答案:ek　-eb