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2020年高考物理一轮复习文档:第13章近代物理初步第59讲 学案
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[研读考纲明方向]
[重读教材定方法]
(对应人教版选修3-5的页码及相关问题)
1.P31结合图17.2-2阅读“光电效应的实验规律”一段。从图17.2-3中各图线能得出什么规律?
提示:由图可知,随着正向电压增大,光电流趋于饱和值,且光的颜色一定时(黄光),光越强饱和光电流越大;加反向电压时,光电流逐渐减小到零,即存在遏止电压,且遏止电压与光的频率有关,与光的强度无关,频率越大,遏止电压越大。
2.P33[思考与讨论]推导Uc与ν、W0的关系。
提示:由mev=eUc,Ek=hν-W0,Ek=mev,联立得eUc=hν-W0。
3.P34[例题]体会由实验数据画出图象的方法,图17.2-4中图象的斜率、截距分别有什么物理意义?
提示:由Ek=hν-W0,Ek=eUc得Uc=ν-,故Uc-ν 图象的斜率为,令Uc=0,得横截距νc=,即截止频率,纵截距即ν=5.5×1014 Hz时的遏止电压。
4.P37阅读教材:哪些现象说明光具有粒子性?哪些现象说明光具有波动性?
提示:粒子性:光电效应、康普顿效应;波动性:光的干涉、衍射、偏振。
5.P58图18.4-2思考:一群氢原子处于量子数为3的激发态时,可发出几种频率的光子?
提示:3种
6.P69[问题与练习]T6,Cu里有多少质子?多少中子?
提示:29个质子,37个中子。
7.P71阅读教材:β衰变中出现的电子来源于哪里?
提示:核内中子转化为一个质子和一个电子。
8.P73[问题与练习]T6,铋210的半衰期是5天,经过多少天后,20 g铋还剩1.25 g?
提示:m=m0·,代入数据得t=20天。
9.P82图19.5-3思考:重核裂变时比结合能变大还是变小?轻核聚变时呢?
提示:都变大。
第59讲 光电效应 波粒二象性
考点一 光电效应的实验规律和光电效应方程
1.光电效应现象
在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象,叫做光电效应,发射出来的电子叫做光电子。
2.光电效应的实验规律
(1)存在着饱和光电流:即光照条件不变时,随着电压增大,光电流趋于一个饱和值。对于一定颜色(频率)的光,入射光越强,饱和光电流越大,即单位时间内发射的光电子数越多。
(2)存在着遏止电压Uc:即存在使光电流减小到零的反向电压。这说明光电子有初速度且初速度的最大值vc满足mev=eUc。遏止电压只与光的频率有关,与光的强弱无关,这表明光电子的能量只与入射光的频率有关。
(3)存在截止频率νc:当入射光的频率小于截止频率νc(又叫极限频率)时,不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。
(4)光电效应具有瞬时性:光照射到金属表面时,产生光电流的时间不超过10-9 s,即光电效应的发生几乎是瞬时的。
3.爱因斯坦光电效应方程
(1)光子说:空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。光子的能量为ε=hν,其中h是普朗克常量,其值为6.63×10-34 J·s。
(2)光电效应方程:Ek=hν-W0。
其中hν为入射光的能量,Ek为光电子的最大初动能,即逸出光电子初动能的最大值;W0是金属的逸出功即电子从金属中逸出所需做功的最小值。
4.爱因斯坦光电效应方程对实验规律的解释
(1)爱因斯坦光电效应方程表明光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关,而与光的强弱无关,即规律(2)。
(2)只有当hν>W0时,才有Ek>0,从而有光电子逸出,νc=就是光电效应的截止频率,即规律(3)。
(3)频率ν一定的光,光较强时,单位时间照射的光子数较多,产生的光电子数较多,因而饱和光电流较大,即规律(1)。
(4)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,即光电流几乎是瞬时产生的,即规律(4)。
5.几组重要概念的理解
(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:光照射到金属表面时,电子吸收光子的全部能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍作用而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于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。
(4)入射光强度与光子能量:入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。所以光的强度I=nhν,n是单位时间内照射到单位面积上的光子数。从此式可以看出饱和光电流正比于n,所以只有当光的频率一定时,饱和光电流与入射光强度成正比;对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
1.(多选)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是( )
A.有光子从锌板逸出
B.有电子从锌板逸出
C.验电器指针张开一个角度
D.锌板带负电
答案 BC
解析 由于光电效应,在光的照射下锌板中的电子从锌板表面逸出,A错误,B正确;验电器与锌板相连,锌板因失去电子带正电,验电器指针张开一个角度,C正确,D错误。
2.[教材母题] (人教版选修3-5 P36·T4)铝的逸出功是4.2 eV,现在将波长200 nm的光照射铝的表面。
(1)求光电子的最大初动能。
(2)求遏止电压。
(3)求铝的截止频率。
[变式子题] (多选)用如图所示的装置研究光电效应现象,当用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA。移动变阻器的触点c,当电压表的示数大于或等于0.8 V时,电流表读数为0,则( )
A.光电管阴极的逸出功为2.4 eV
B.开关S断开后,电流表G示数不为0
C.光电子的最大初动能为0.8 eV
D.改用能量为2 eV的光子照射,电流表G也有电流,但电流较小
答案 ABC
解析 该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数大于或等于0.8 V时,电流表示数为0,则光电子的最大初动能为0.8 eV,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,W0=3.2 eV-0.8 eV=2.4 eV,故A、C项正确;用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时发生了光电效
应,有光电子逸出,开关S断开后,没有反向电压,则有电流流过电流表,故B项正确;改用能量为2 eV的光子照射,由于光子的能量小于逸出功,不能发生光电效应,无光电流,故D项错误。
3.(2017·全国卷Ⅲ)(多选)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( )
A.若νa>νb,则一定有Ua
B.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb
C.若Ua
D.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb
答案 BC
解析 光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eU=Ek,根据光电效应方程可知Ek=hν-W0,若νa>νb,则Eka>Ekb,Ua>Ub,选项A错误,选项B正确;若Ua
考点二 光电效应的图象问题
1.光电效应实验装置
(1)甲图是光电管正常工作的电路,光电流未达到最大值之前其大小与光强、电压有关,达到最大值后,光电流与光强成正比(频率一定)。
(2)乙图是光电管加反向电压的电路图,可以研究光电管的遏止电压。
2.四类图象
(2018·南宁模拟)某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象,分别用a、b、c三束单色光照射图甲中的光电管的阴极,得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示,其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同,均为Ua,则下列论述正确的是( )
A.a、c两束光的光强相同
B.a、c两束光的频率相同
C.b光束光子的能量最小
D.b光束的波长最长,遏止电压最大
解析 由图可知,a、c两束光的遏止电压相同,则频率相同,a的饱和电流较大,因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量较大,光强较大,故A项错误,B项正确;根据eU=hν-W,入射光的频率越高,对应的遏止电压U越大,所以b光的频率最大,能量最大,且对应的波长最短,故C、D项错误。
答案 B
方法感悟
研究光电效应的两条线索
1.爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了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Ekm与入射光频率ν的关系如图所示,其中νc为极限频率。从图中可以确定的是( )
A.逸出功与ν有关
B.Ekm与入射光强度成正比
C.当ν<νc时,会逸出光电子
D.图中直线的斜率与普朗克常量有关
答案 D
解析 逸出功是由金属自身决定的,与ν无关,A错误。Ekm随入射光频率的增大而增大,但不是正比关系,与入射光强度无关,B错误。当ν<νc时,无光电子逸出,C错误。由Ek=hν-W0知,Ekν图象的斜率为h,D正确。
2.小明用金属铷为阴极的光电管,观测光电效应现象,实验装置如图甲所示。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。
(1)图甲中电极A为光电管的________(填“阴极”或“阳极”);
(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,则铷的截止频率νc=________ Hz,逸出功W0=________ J;
(3)如果实验中入射光的频率ν=7.00×1014 Hz,则产生的光电子的最大初动能Ek=________ J。
答案 (1)阳极
(2)(5.12~5.18)×1014'(3.39~3.43)×10-19
(3)(1.21~1.25)×10-19
解析 (1)由光电管的结构知,A为阳极。
(2)Ucν图象中横轴的截距表示截止频率νc,
逸出功W0=hνc=6.63×10-34×5.12×1014 J≈3.39×10-19 J。
(3)由爱因斯坦的光电效应方程Ek=hν-W0,可求结果Ek=6.63×10-34×7.00×1014 J-3.39×10-19 J≈1.25×10-19 J。
考点三 光的波粒二象性
1.光的波粒二象性
2.物质波(德布罗意波)
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去,得出物质波(德布罗意波)的概念:任何一个运动着的物体都有一种波与它对应,该波的波长λ=。
1.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
答案 C
解析 光具有波粒二象性,故A错误;电子是组成原子的基本粒子,有确定的静止质量,是一种物质实体,光子代表着一份能量,没有静止质量,故B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正确;大量光子运动的规律表现出光的波动性,故D错误。
2.光具有波粒二象性,那么能够证明光具有波粒二象性的现象是( )
A.光的反射及小孔成像
B.光的干涉、光的衍射、光的色散
C.光的折射及透镜成像
D.光的干涉、光的衍射和光电效应
答案 D
解析 表明光具有波动性的典型现象是光的干涉和衍射现象,表明光具有粒子性的典型现象是光电效应和康普顿效应。故选D。
3.2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源。X射线是一种高频电磁波,若X射线在真空中的波长为λ,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则( )
A.E=,p=0 B.E=,p=
C.E=,p=0 D.E=,p=
答案 D
解析 根据E=hν,且λ=,c=λν可得X射线每个光子的能量为E=,每个光子的动量为p=。故选D。
课后作业
[巩固强化练]
1.(多选)用绿光照射一个光电管,能产生光电效应,欲使光电子从阴极逸出时最大初动能增大,可以( )
A.改用红光照射 B.改用紫光照射
C.改用蓝光照射 D.增加绿光照射时间
答案 BC
解析 光电子的最大初动能和照射时间和照射强度无关,D错误;根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,光的频率越大,光电子的最大初动能越大,蓝光、紫光的频率比绿光的大,故改用蓝光、紫光照射,则光电子从阴极逸出时最大初动能增大,A错误,B、C正确。
2.(多选)下列说法正确的是( )
A.动量相同的电子和质子,其德布罗意波长相同
B.光电效应现象说明光具有粒子性,光子具有能量
C.康普顿效应说明光具有粒子性,光子具有动量
D.黑体辐射的实验规律说明在宏观世界里能量是连续的
答案 ABC
解析 根据物质波波长公式λ=可知,当质子和电子动量相同时,其德布罗意波长相同,A正确;光电效应现象说明光具有粒子性,光子具有能量,B正确;康普顿效应说明光具有粒子性,光子具有动量,C正确;黑体辐射的实验规律说明在微观世界里能量是分立的,D错误。
3.已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz,在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应,比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子,钙逸出的光电子具有较大的( )
A.波长 B.频率 C.能量 D.动量
答案 A
解析 根据爱因斯坦光电效应方程:Ekm=hν-hν0,因为钙的ν0大,所以从钙表面逸出的光电子的最大初动能Ekm较小,由p=知,该光电子的动量较小,根据λ=可知波长较大,根据E=hν可知频率较小,B、C、D错误,A正确。
4.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( )
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光束光子能量较小,该金属板不会发生光电效应
答案 B
解析 a、b、c三束单色光,其波长关系为λa∶λb∶λc=1∶2∶3,因为光子频率ν=,知光子频率之比为6∶3∶2;设a光的频率为6a,根据光电效应方程Ekm=hν-W0得,Ek=h·6a-W0,Ek=h·3a-W0,联立两式计算得出逸出功W0=ha,Ek=ha,c光的光子频率为2a>a,能发生光电效应,最大初动能Ekm′=h·2a-W0=ha=Ek,故B正确,A、C、D错误。
5.(多选)用某单色光照射金属钛表面,发生光电效应,从钛表面放出光电子的最大初动能与入射光频率的关系如图,则下列说法正确的是( )
A.钛的逸出功为6.67×10-19 J
B.钛的极限频率为1.0×1015 Hz
C.光电子的最大初动能为1.0×10-18 J
D.由图线可求得普朗克常量为6.67×10-34 J·s
E.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
答案 ABD
解析 根据光电效应方程Ek=hν-W0知,图线的斜率等于普朗克常量,则h= J·s≈6.67×10-34 J·s,故D正确;当光电子最大初动能为零时,入射光的频率等于金属的极限频率,则ν0=1.0×1015 Hz,可知逸出功W0=hν0=6.67×10-34×1×1015 J=6.67×10-19 J,故A、B正确;入射光的频率越大,光电子的最大初动能越大,根据该图无法得出光电子的最大初动能,故C错误;由图可知,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,不是正比关系,故E错误。
6.如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用波长λ=0.50 μm的绿光照射阴极K,实验测得流过表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律,取h=6.63×10-34 J·s。结合图象,求:(结果保留两位有效数字)
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能;
(2)该阴极材料的极限波长。
答案 (1)4.0×1012 个 9.6×10-20 J (2)0.66 μm
解析 (1)光电流达到饱和时,阴极发射的光电子全部到达阳极A,阴极每秒钟发射的光电子的个数:
n==(个)=4.0×1012(个)。
光电子的最大初动能为:
Ekm=eUc=1.6×10-19×0.6 J=9.6×10-20 J。
(2)设阴极材料的极限波长为λ0,根据爱因斯坦光电效应方程:Ekm=hν-W0=h-h,
代入数据得λ0≈0.66 μm。
[真题模拟练]
7.(2018·全国卷Ⅱ)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
答案 B
解析 由光电效应方程Ek=hν-W0,得W0=hν-Ek=h-Ek。刚好发生光电效应的临界条件是最大初动能Ek=0时,入射光的频率为ν0,则W0=hν0,代入数据可得:ν0=8×1014 Hz,故B正确。
8.(2016·全国卷Ⅰ)(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,饱和光电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.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
E.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
答案 ACE
解析 保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,单位时间内逸出的光电子个数增加,则饱和光电流变大,故A正确;饱和光电流的大小与入射光的频率无直接关系,故B错误;由Ek=hν-W0,可知C正确;当入射光的频率小于金属的极限频率时,光电效应不能发生,故D错误;由eU=mv2=hν-W0得eU=hν-W0,可见,遏止电压U随ν的增大而增大,与入射光的光强无关,故E正确。
9.(2018·湖北武汉联考)(多选)在X射线管中,由阴极发射的电子(不计初速度)被加速后打到阳极,会产生包括X光在内的各种能量的光子,其中光子能量的最大值等于电子的动能。已知阳极与阴极之间的电势差U、普朗克常量h、电子电荷量e和光速c,则可知该X射线管发出的X光的( )
A.最短波长为 B.最长波长为
C.最小频率为 D.最大频率为
答案 AD
解析 根据动能定理知电子到达阳极的动能为eU,设X光的能量为E,依题意有eU≥E,再根据光速与波长和频率的关系公式c=λν、光子能量E=hν,则可得λ≥,ν≤,故A、D正确。
10.(2018·广州市高中毕业综合测试)已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,1 eV=1.6×10-19 J。在光电效应实验中,金属钯的逸出功为1.9 eV,要使钯表面发出的光电子的最大初动能为1.0 eV,入射光的频率约为( )
A.2.2×1014 Hz B.4.6×1014 Hz
C.4.6×1015 Hz D.7.0×1014 Hz
答案 D
解析 根据光电效应方程Ek=hν-W0,又Ek=1.0 eV=1.6×10-19 J,W0=1.9 eV=1.9×1.6×10-19 J=3.04×10-19 J,代入已知量,注意都取国际单位,可得ν≈7.0×1014 Hz。故D正确。
11.(2018·银川模拟)如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路。当用强度一定的黄光照射到光电管上时,测得电流表的示数随电压变化的图象如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.若改用红光照射光电管,一定不会发生光电效应
B.若照射的黄光越强,饱和光电流将越大
C.若用频率更高的光照射光电管,则光电管中金属的逸出功越大
D.若改用蓝光照射光电管,图象与横轴交点在黄光照射时的右侧
答案 B
解析 根据光电效应方程知,Ekm=hν-W0,红光的频率小于黄光的频率,红光照射不一定发生光电效应,但不是一定不会发生光电效应,故A错误;增加入射光的强度,则单位时间内产生的光电子数目增加,饱和光电流将增大,故B正确;光电管中金属的逸出功的大小是由材料本身决定的,与入射光的频率无关,故C错误;根据光电效应方程知,Ekm=hν-W0,蓝光的频率大于黄光的频率,则光电子的最大初动能增大,所以反向遏止电压增大,图象与横轴交点在黄光照射时的左侧,故D错误。
12.(2018·衡水中学5月冲刺模拟考试)用图甲所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系,电流计G测得的光电流I随光电管两端电压U的变化如图乙所示,则( )
A.通过电流计G的电流方向由d到c
B.电压U增大,光电流I一定增大
C.用同频率的光照射K极,光电子的最大初动能与光的强弱无关
D.光电管两端电压U为零时一定不发生光电效应
答案 C
解析 电流方向与逃逸出来的光电子运动方向相反,所以通过电流计G的电流方向由c到d,故A错误;在光照条件不变的情况下,随着所加电压U增大,光电流先增大,最后趋于饱和值不变,故B错误;用同频率的光照射K极,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,光电子的最大初动能与光的频率有关,与光的强弱无关,故C正确;光电管两端电压U为零时,光电效应照样发生,故D错误。
13.(2018·太原模拟)2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器。他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理。如图所示电路可研究光电效应规律。图中标有A和K的为光电管,其中A为阳极,K为阴极。理想电流计可检测通过光电管的电流,理想电压表用来指示光电管两端的电压。现接通电源,用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K,电流计中有示数,若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动,电流计的读数逐渐减小,当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零,读出此时电压表的示数为6.0 V;现保持滑片P位置不变,以下判断错误的是( )
A.光电管阴极材料的逸出功为4.5 eV
B.若增大入射光的强度,电流计的读数为零
C.若用光子能量为12 eV的光照射阴极K,光电子的最大初动能一定变大
D.若用光子能量为9.5 eV的光照射阴极K,同时把滑片P向左移动少许,电流计的读数一定不为零
答案 D
解析 该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数等于6.0 V时,电流表示数恰为0,知道光电子的最大初动能为6.0 eV,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,W0=10.5 eV-6.0 eV=4.5 eV,故A正确;现保持滑片P位置不变,增大光的强度时仍然会发生光电效应,但光电子的最大初动能不变,所以不会有电流流过电流表,故B正确;若用光子能量为12 eV的光照射阴极K,入射光的频率增大,根据光电效应方程可知,光电子的最大初动能一定增大,故C正确;改用能量为9.5 eV的光子照射,入射光的频率减小,根据光电效应方程可知,光电子的最大初动能一定减小,此时的遏止电压小于6 V,若把滑片P向左移动少许,电子仍然可能不能到达A极,所以电流计的读数可能为零,故D错误。
14.(2018·江苏高考)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)
答案 1∶2
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。
[研读考纲明方向]
[重读教材定方法]
(对应人教版选修3-5的页码及相关问题)
1.P31结合图17.2-2阅读“光电效应的实验规律”一段。从图17.2-3中各图线能得出什么规律?
提示:由图可知,随着正向电压增大,光电流趋于饱和值,且光的颜色一定时(黄光),光越强饱和光电流越大;加反向电压时,光电流逐渐减小到零,即存在遏止电压,且遏止电压与光的频率有关,与光的强度无关,频率越大,遏止电压越大。
2.P33[思考与讨论]推导Uc与ν、W0的关系。
提示:由mev=eUc,Ek=hν-W0,Ek=mev,联立得eUc=hν-W0。
3.P34[例题]体会由实验数据画出图象的方法,图17.2-4中图象的斜率、截距分别有什么物理意义?
提示:由Ek=hν-W0,Ek=eUc得Uc=ν-,故Uc-ν 图象的斜率为,令Uc=0,得横截距νc=,即截止频率,纵截距即ν=5.5×1014 Hz时的遏止电压。
4.P37阅读教材:哪些现象说明光具有粒子性?哪些现象说明光具有波动性?
提示:粒子性:光电效应、康普顿效应;波动性:光的干涉、衍射、偏振。
5.P58图18.4-2思考:一群氢原子处于量子数为3的激发态时,可发出几种频率的光子?
提示:3种
6.P69[问题与练习]T6,Cu里有多少质子?多少中子?
提示:29个质子,37个中子。
7.P71阅读教材:β衰变中出现的电子来源于哪里?
提示:核内中子转化为一个质子和一个电子。
8.P73[问题与练习]T6,铋210的半衰期是5天,经过多少天后,20 g铋还剩1.25 g?
提示:m=m0·,代入数据得t=20天。
9.P82图19.5-3思考:重核裂变时比结合能变大还是变小?轻核聚变时呢?
提示:都变大。
第59讲 光电效应 波粒二象性
考点一 光电效应的实验规律和光电效应方程
1.光电效应现象
在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象,叫做光电效应,发射出来的电子叫做光电子。
2.光电效应的实验规律
(1)存在着饱和光电流:即光照条件不变时,随着电压增大,光电流趋于一个饱和值。对于一定颜色(频率)的光,入射光越强,饱和光电流越大,即单位时间内发射的光电子数越多。
(2)存在着遏止电压Uc:即存在使光电流减小到零的反向电压。这说明光电子有初速度且初速度的最大值vc满足mev=eUc。遏止电压只与光的频率有关,与光的强弱无关,这表明光电子的能量只与入射光的频率有关。
(3)存在截止频率νc:当入射光的频率小于截止频率νc(又叫极限频率)时,不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。
(4)光电效应具有瞬时性:光照射到金属表面时,产生光电流的时间不超过10-9 s,即光电效应的发生几乎是瞬时的。
3.爱因斯坦光电效应方程
(1)光子说:空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。光子的能量为ε=hν,其中h是普朗克常量,其值为6.63×10-34 J·s。
(2)光电效应方程:Ek=hν-W0。
其中hν为入射光的能量,Ek为光电子的最大初动能,即逸出光电子初动能的最大值;W0是金属的逸出功即电子从金属中逸出所需做功的最小值。
4.爱因斯坦光电效应方程对实验规律的解释
(1)爱因斯坦光电效应方程表明光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关,而与光的强弱无关,即规律(2)。
(2)只有当hν>W0时,才有Ek>0,从而有光电子逸出,νc=就是光电效应的截止频率,即规律(3)。
(3)频率ν一定的光,光较强时,单位时间照射的光子数较多,产生的光电子数较多,因而饱和光电流较大,即规律(1)。
(4)电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,即光电流几乎是瞬时产生的,即规律(4)。
5.几组重要概念的理解
(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:光照射到金属表面时,电子吸收光子的全部能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍作用而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于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。
(4)入射光强度与光子能量:入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。所以光的强度I=nhν,n是单位时间内照射到单位面积上的光子数。从此式可以看出饱和光电流正比于n,所以只有当光的频率一定时,饱和光电流与入射光强度成正比;对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
1.(多选)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是( )
A.有光子从锌板逸出
B.有电子从锌板逸出
C.验电器指针张开一个角度
D.锌板带负电
答案 BC
解析 由于光电效应,在光的照射下锌板中的电子从锌板表面逸出,A错误,B正确;验电器与锌板相连,锌板因失去电子带正电,验电器指针张开一个角度,C正确,D错误。
2.[教材母题] (人教版选修3-5 P36·T4)铝的逸出功是4.2 eV,现在将波长200 nm的光照射铝的表面。
(1)求光电子的最大初动能。
(2)求遏止电压。
(3)求铝的截止频率。
[变式子题] (多选)用如图所示的装置研究光电效应现象,当用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA。移动变阻器的触点c,当电压表的示数大于或等于0.8 V时,电流表读数为0,则( )
A.光电管阴极的逸出功为2.4 eV
B.开关S断开后,电流表G示数不为0
C.光电子的最大初动能为0.8 eV
D.改用能量为2 eV的光子照射,电流表G也有电流,但电流较小
答案 ABC
解析 该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数大于或等于0.8 V时,电流表示数为0,则光电子的最大初动能为0.8 eV,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,W0=3.2 eV-0.8 eV=2.4 eV,故A、C项正确;用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时发生了光电效
应,有光电子逸出,开关S断开后,没有反向电压,则有电流流过电流表,故B项正确;改用能量为2 eV的光子照射,由于光子的能量小于逸出功,不能发生光电效应,无光电流,故D项错误。
3.(2017·全国卷Ⅲ)(多选)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( )
A.若νa>νb,则一定有Ua
C.若Ua
答案 BC
解析 光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eU=Ek,根据光电效应方程可知Ek=hν-W0,若νa>νb,则Eka>Ekb,Ua>Ub,选项A错误,选项B正确;若Ua
考点二 光电效应的图象问题
1.光电效应实验装置
(1)甲图是光电管正常工作的电路,光电流未达到最大值之前其大小与光强、电压有关,达到最大值后,光电流与光强成正比(频率一定)。
(2)乙图是光电管加反向电压的电路图,可以研究光电管的遏止电压。
2.四类图象
(2018·南宁模拟)某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象,分别用a、b、c三束单色光照射图甲中的光电管的阴极,得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示,其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同,均为Ua,则下列论述正确的是( )
A.a、c两束光的光强相同
B.a、c两束光的频率相同
C.b光束光子的能量最小
D.b光束的波长最长,遏止电压最大
解析 由图可知,a、c两束光的遏止电压相同,则频率相同,a的饱和电流较大,因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量较大,光强较大,故A项错误,B项正确;根据eU=hν-W,入射光的频率越高,对应的遏止电压U越大,所以b光的频率最大,能量最大,且对应的波长最短,故C、D项错误。
答案 B
方法感悟
研究光电效应的两条线索
1.爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了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Ekm与入射光频率ν的关系如图所示,其中νc为极限频率。从图中可以确定的是( )
A.逸出功与ν有关
B.Ekm与入射光强度成正比
C.当ν<νc时,会逸出光电子
D.图中直线的斜率与普朗克常量有关
答案 D
解析 逸出功是由金属自身决定的,与ν无关,A错误。Ekm随入射光频率的增大而增大,但不是正比关系,与入射光强度无关,B错误。当ν<νc时,无光电子逸出,C错误。由Ek=hν-W0知,Ekν图象的斜率为h,D正确。
2.小明用金属铷为阴极的光电管,观测光电效应现象,实验装置如图甲所示。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。
(1)图甲中电极A为光电管的________(填“阴极”或“阳极”);
(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,则铷的截止频率νc=________ Hz,逸出功W0=________ J;
(3)如果实验中入射光的频率ν=7.00×1014 Hz,则产生的光电子的最大初动能Ek=________ J。
答案 (1)阳极
(2)(5.12~5.18)×1014'(3.39~3.43)×10-19
(3)(1.21~1.25)×10-19
解析 (1)由光电管的结构知,A为阳极。
(2)Ucν图象中横轴的截距表示截止频率νc,
逸出功W0=hνc=6.63×10-34×5.12×1014 J≈3.39×10-19 J。
(3)由爱因斯坦的光电效应方程Ek=hν-W0,可求结果Ek=6.63×10-34×7.00×1014 J-3.39×10-19 J≈1.25×10-19 J。
考点三 光的波粒二象性
1.光的波粒二象性
2.物质波(德布罗意波)
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去,得出物质波(德布罗意波)的概念:任何一个运动着的物体都有一种波与它对应,该波的波长λ=。
1.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
答案 C
解析 光具有波粒二象性,故A错误;电子是组成原子的基本粒子,有确定的静止质量,是一种物质实体,光子代表着一份能量,没有静止质量,故B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正确;大量光子运动的规律表现出光的波动性,故D错误。
2.光具有波粒二象性,那么能够证明光具有波粒二象性的现象是( )
A.光的反射及小孔成像
B.光的干涉、光的衍射、光的色散
C.光的折射及透镜成像
D.光的干涉、光的衍射和光电效应
答案 D
解析 表明光具有波动性的典型现象是光的干涉和衍射现象,表明光具有粒子性的典型现象是光电效应和康普顿效应。故选D。
3.2002年诺贝尔物理学奖中的一项是奖励美国科学家贾科尼和日本科学家小柴昌俊发现了宇宙X射线源。X射线是一种高频电磁波,若X射线在真空中的波长为λ,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则( )
A.E=,p=0 B.E=,p=
C.E=,p=0 D.E=,p=
答案 D
解析 根据E=hν,且λ=,c=λν可得X射线每个光子的能量为E=,每个光子的动量为p=。故选D。
课后作业
[巩固强化练]
1.(多选)用绿光照射一个光电管,能产生光电效应,欲使光电子从阴极逸出时最大初动能增大,可以( )
A.改用红光照射 B.改用紫光照射
C.改用蓝光照射 D.增加绿光照射时间
答案 BC
解析 光电子的最大初动能和照射时间和照射强度无关,D错误;根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,光的频率越大,光电子的最大初动能越大,蓝光、紫光的频率比绿光的大,故改用蓝光、紫光照射,则光电子从阴极逸出时最大初动能增大,A错误,B、C正确。
2.(多选)下列说法正确的是( )
A.动量相同的电子和质子,其德布罗意波长相同
B.光电效应现象说明光具有粒子性,光子具有能量
C.康普顿效应说明光具有粒子性,光子具有动量
D.黑体辐射的实验规律说明在宏观世界里能量是连续的
答案 ABC
解析 根据物质波波长公式λ=可知,当质子和电子动量相同时,其德布罗意波长相同,A正确;光电效应现象说明光具有粒子性,光子具有能量,B正确;康普顿效应说明光具有粒子性,光子具有动量,C正确;黑体辐射的实验规律说明在微观世界里能量是分立的,D错误。
3.已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz,在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应,比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子,钙逸出的光电子具有较大的( )
A.波长 B.频率 C.能量 D.动量
答案 A
解析 根据爱因斯坦光电效应方程:Ekm=hν-hν0,因为钙的ν0大,所以从钙表面逸出的光电子的最大初动能Ekm较小,由p=知,该光电子的动量较小,根据λ=可知波长较大,根据E=hν可知频率较小,B、C、D错误,A正确。
4.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( )
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光束光子能量较小,该金属板不会发生光电效应
答案 B
解析 a、b、c三束单色光,其波长关系为λa∶λb∶λc=1∶2∶3,因为光子频率ν=,知光子频率之比为6∶3∶2;设a光的频率为6a,根据光电效应方程Ekm=hν-W0得,Ek=h·6a-W0,Ek=h·3a-W0,联立两式计算得出逸出功W0=ha,Ek=ha,c光的光子频率为2a>a,能发生光电效应,最大初动能Ekm′=h·2a-W0=ha=Ek,故B正确,A、C、D错误。
5.(多选)用某单色光照射金属钛表面,发生光电效应,从钛表面放出光电子的最大初动能与入射光频率的关系如图,则下列说法正确的是( )
A.钛的逸出功为6.67×10-19 J
B.钛的极限频率为1.0×1015 Hz
C.光电子的最大初动能为1.0×10-18 J
D.由图线可求得普朗克常量为6.67×10-34 J·s
E.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
答案 ABD
解析 根据光电效应方程Ek=hν-W0知,图线的斜率等于普朗克常量,则h= J·s≈6.67×10-34 J·s,故D正确;当光电子最大初动能为零时,入射光的频率等于金属的极限频率,则ν0=1.0×1015 Hz,可知逸出功W0=hν0=6.67×10-34×1×1015 J=6.67×10-19 J,故A、B正确;入射光的频率越大,光电子的最大初动能越大,根据该图无法得出光电子的最大初动能,故C错误;由图可知,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,不是正比关系,故E错误。
6.如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用波长λ=0.50 μm的绿光照射阴极K,实验测得流过表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律,取h=6.63×10-34 J·s。结合图象,求:(结果保留两位有效数字)
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能;
(2)该阴极材料的极限波长。
答案 (1)4.0×1012 个 9.6×10-20 J (2)0.66 μm
解析 (1)光电流达到饱和时,阴极发射的光电子全部到达阳极A,阴极每秒钟发射的光电子的个数:
n==(个)=4.0×1012(个)。
光电子的最大初动能为:
Ekm=eUc=1.6×10-19×0.6 J=9.6×10-20 J。
(2)设阴极材料的极限波长为λ0,根据爱因斯坦光电效应方程:Ekm=hν-W0=h-h,
代入数据得λ0≈0.66 μm。
[真题模拟练]
7.(2018·全国卷Ⅱ)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
答案 B
解析 由光电效应方程Ek=hν-W0,得W0=hν-Ek=h-Ek。刚好发生光电效应的临界条件是最大初动能Ek=0时,入射光的频率为ν0,则W0=hν0,代入数据可得:ν0=8×1014 Hz,故B正确。
8.(2016·全国卷Ⅰ)(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,饱和光电流变大
C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大
D.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
E.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
答案 ACE
解析 保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,单位时间内逸出的光电子个数增加,则饱和光电流变大,故A正确;饱和光电流的大小与入射光的频率无直接关系,故B错误;由Ek=hν-W0,可知C正确;当入射光的频率小于金属的极限频率时,光电效应不能发生,故D错误;由eU=mv2=hν-W0得eU=hν-W0,可见,遏止电压U随ν的增大而增大,与入射光的光强无关,故E正确。
9.(2018·湖北武汉联考)(多选)在X射线管中,由阴极发射的电子(不计初速度)被加速后打到阳极,会产生包括X光在内的各种能量的光子,其中光子能量的最大值等于电子的动能。已知阳极与阴极之间的电势差U、普朗克常量h、电子电荷量e和光速c,则可知该X射线管发出的X光的( )
A.最短波长为 B.最长波长为
C.最小频率为 D.最大频率为
答案 AD
解析 根据动能定理知电子到达阳极的动能为eU,设X光的能量为E,依题意有eU≥E,再根据光速与波长和频率的关系公式c=λν、光子能量E=hν,则可得λ≥,ν≤,故A、D正确。
10.(2018·广州市高中毕业综合测试)已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,1 eV=1.6×10-19 J。在光电效应实验中,金属钯的逸出功为1.9 eV,要使钯表面发出的光电子的最大初动能为1.0 eV,入射光的频率约为( )
A.2.2×1014 Hz B.4.6×1014 Hz
C.4.6×1015 Hz D.7.0×1014 Hz
答案 D
解析 根据光电效应方程Ek=hν-W0,又Ek=1.0 eV=1.6×10-19 J,W0=1.9 eV=1.9×1.6×10-19 J=3.04×10-19 J,代入已知量,注意都取国际单位,可得ν≈7.0×1014 Hz。故D正确。
11.(2018·银川模拟)如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路。当用强度一定的黄光照射到光电管上时,测得电流表的示数随电压变化的图象如图乙所示。下列说法正确的是( )
A.若改用红光照射光电管,一定不会发生光电效应
B.若照射的黄光越强,饱和光电流将越大
C.若用频率更高的光照射光电管,则光电管中金属的逸出功越大
D.若改用蓝光照射光电管,图象与横轴交点在黄光照射时的右侧
答案 B
解析 根据光电效应方程知,Ekm=hν-W0,红光的频率小于黄光的频率,红光照射不一定发生光电效应,但不是一定不会发生光电效应,故A错误;增加入射光的强度,则单位时间内产生的光电子数目增加,饱和光电流将增大,故B正确;光电管中金属的逸出功的大小是由材料本身决定的,与入射光的频率无关,故C错误;根据光电效应方程知,Ekm=hν-W0,蓝光的频率大于黄光的频率,则光电子的最大初动能增大,所以反向遏止电压增大,图象与横轴交点在黄光照射时的左侧,故D错误。
12.(2018·衡水中学5月冲刺模拟考试)用图甲所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系,电流计G测得的光电流I随光电管两端电压U的变化如图乙所示,则( )
A.通过电流计G的电流方向由d到c
B.电压U增大,光电流I一定增大
C.用同频率的光照射K极,光电子的最大初动能与光的强弱无关
D.光电管两端电压U为零时一定不发生光电效应
答案 C
解析 电流方向与逃逸出来的光电子运动方向相反,所以通过电流计G的电流方向由c到d,故A错误;在光照条件不变的情况下,随着所加电压U增大,光电流先增大,最后趋于饱和值不变,故B错误;用同频率的光照射K极,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,光电子的最大初动能与光的频率有关,与光的强弱无关,故C正确;光电管两端电压U为零时,光电效应照样发生,故D错误。
13.(2018·太原模拟)2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器。他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理。如图所示电路可研究光电效应规律。图中标有A和K的为光电管,其中A为阳极,K为阴极。理想电流计可检测通过光电管的电流,理想电压表用来指示光电管两端的电压。现接通电源,用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K,电流计中有示数,若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动,电流计的读数逐渐减小,当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零,读出此时电压表的示数为6.0 V;现保持滑片P位置不变,以下判断错误的是( )
A.光电管阴极材料的逸出功为4.5 eV
B.若增大入射光的强度,电流计的读数为零
C.若用光子能量为12 eV的光照射阴极K,光电子的最大初动能一定变大
D.若用光子能量为9.5 eV的光照射阴极K,同时把滑片P向左移动少许,电流计的读数一定不为零
答案 D
解析 该装置所加的电压为反向电压,发现当电压表的示数等于6.0 V时,电流表示数恰为0,知道光电子的最大初动能为6.0 eV,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,W0=10.5 eV-6.0 eV=4.5 eV,故A正确;现保持滑片P位置不变,增大光的强度时仍然会发生光电效应,但光电子的最大初动能不变,所以不会有电流流过电流表,故B正确;若用光子能量为12 eV的光照射阴极K,入射光的频率增大,根据光电效应方程可知,光电子的最大初动能一定增大,故C正确;改用能量为9.5 eV的光子照射,入射光的频率减小,根据光电效应方程可知,光电子的最大初动能一定减小,此时的遏止电压小于6 V,若把滑片P向左移动少许,电子仍然可能不能到达A极,所以电流计的读数可能为零,故D错误。
14.(2018·江苏高考)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)
答案 1∶2
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。
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