2018年高考考点完全题物理考点通关练：考点41 波粒二象性

这是一份2018年高考考点完全题物理考点通关练：考点41 波粒二象性，共16页。试卷主要包含了2016年江苏高考第12题C等内容，欢迎下载使用。

考点41　波粒二象性
考点名片
考点细研究：本考点命题要点有：(1)光电效应现象及其产生条件；(2)爱因斯坦光电效应方程；(3)光的波粒二象性。其中考查到的如：2016的全国卷Ⅰ第33题(1)、2016年江苏高考第12题C(3)、2015年江苏高考第12题C(1)、2015年全国卷Ⅰ第35题(1)、2014年广东高考第18题、2014年江苏高考第12题C(1)、2013年北京高考第20题、2013年上海高考第2题等。高考对本考点的考查率较高，以考查识记能力为主，主要考查光电效应、爱因斯坦光电效应方程等考点，试题难度不大。
备考正能量：预计今后对本考点内容仍将以经典物理理论、新情景为命题背景，结合最新科技成果命题。仍以选择题、填空题为命题形式，难度不会很大。

一、基础与经典
1．关于光电效应，下列说法正确的是(　　)
A．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
B．光电子的动能越大，光电子形成的电流强度就越大
C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能大
D．对于任何一种金属，都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应
答案　D
解析　由爱因斯坦的光电效应方程Ek＝hν－W0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，不成正比；单位时间经过电路的电子数越多，电流越大；不可见光的频率不一定比可见光的频率大，因此用不可见光照射金属不一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能大；入射光的频率大于金属板的极限频率或入射光的波长小于金属板的极限波长，才能产生光电效应。
2．用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)

A．光只有粒子性没有波动性
B．光只有波动性没有粒子性
C．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性
D．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性
答案　D
解析　由这些照片可以看出，少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动呈现出波动性，故D正确。
3．1927年戴维逊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。如图所示的是该实验装置的简化图，下列说法不正确的是(　　)

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
答案　C
解析　亮条纹是电子到达概率大的地方，该实验说明物质波理论是正确的，该实验说明实物粒子具有波动性，不能说明光子具有波动性。
4.爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释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ν0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<ν0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　由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0和W0＝hν0(W0为金属的逸出功)可得，Ek＝hν－hν0，可见图象的斜率表示普朗克常量，D正确；只有ν≥ν0时才会发生光电效应，C错误；金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错误；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错误。
5．用强度相同的红光和蓝光分别照射同一种金属，均能使该金属发生光电效应。下列判断正确的是(　　)
A．用红光照射时，该金属的逸出功小，用蓝光照射时，该金属的逸出功大
B．用红光照射时，该金属的截止频率低，用蓝光照射时，该金属的截止频率高
C．用红光照射时，逸出光电子所需时间长，用蓝光照射时，逸出光电子所需时间短
D．用红光照射时，逸出的光电子最大初动能小，用蓝光照射时，逸出的光电子最大初动能大
答案　D
解析　金属的逸出功是由金属本身决定的，与入射光情况无关，A错误。由W0＝hν0知金属的截止频率由金属本身的情况决定，B错误。由光电效应的规律可知产生光电效应时瞬间可发生，与照射光的颜色无关，C错误。由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及ν红<ν蓝可知，D正确。
6．在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示。则可判断出(　　)

A．甲光的频率大于乙光的频率
B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
答案　B
解析　由图象知甲光、乙光对应的遏止电压Uc2相等，且小于丙光对应的遏止电压Uc1，所以甲光和乙光对应的光电子最大初动能相等且小于丙光的光电子最大初动能，故D项错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0知甲光和乙光的频率相等，且小于丙光的频率，甲光和乙光的波长大于丙光的波长，故A错误、B正确；而截止频率是由金属决定的，与入射光无关，故C错误。
7．(多选)在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能发生光电效应。对于这两个过程，下列四个物理过程中，一定不同的是(　　)
A．遏止电压 B．饱和光电流
C．光电子的最大初动能 D．逸出功
答案　ACD
解析　同一种单色光照射不同的金属，入射光的频率和光子能量一定相同，金属逸出功不同，根据光电效应方程Ek＝hν－W0知，最大初动能不同，则遏止电压不同；同一种单色光照射，入射光的强度相同，所以饱和光电流相同。故选A、C、D。
8．(多选)某半导体激光器发射波长为1.5×10－6 m，功率为5.0×10－3 W的连续激光。已知可见光波长的数量级为10－7 m，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，该激光器发出的(　　)
A．是紫外线
B．是红外线
C．光子能量约为1.3×10－18 J
D．光子数约为每秒3.8×1016个
答案　BD
解析　由于该激光器发出的光波波长比可见光长，所以发出的是红外线，A错误，B正确。光子能量E＝hν＝h≈1.3×10－19 J，C错误。每秒发射的光子数n＝≈3.8×1016个，D正确。
9．(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的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.27，与纵轴交点坐标0.5)。由图可知(　　)

A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B．该金属的截止频率为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
答案　AC
解析　图线在横轴上的截距为截止频率，A正确、B错误；
由光电效应方程Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，C正确；金属的逸出功为：W0＝hν0＝ eV＝1.77 eV，D错误。
10．(多选)如图是产生X射线的装置，叫做X射线管，图中的K是阴极，A是阳极。通电时，由阴极发出的电子，打在阳极上，从阳极上激发出X射线(也称X光)。设其中光子能量的最大值等于电子到达阳极时的动能。已知阴极与阳极之间的电势差U、普朗克常量h，电子电荷量e和光速c，则(设电子初速度为零)(　　)

A．X射线是从阳极A发出的
B．高压电源的a端为负极
C．X射线管发出的X射线的最长波长为
D．X射线管发出的X射线的最短波长为
答案　AD
解析　X射线是从阳极A发出的，A选项正确；高压电源对电子加速，所以a端是正极，B错误。当电子的动能全部转化为X射线的能量时，其波长最短，由eU＝h得，λmin＝，选项D正确，C错误。
二、真题与模拟
11．2016·全国卷Ⅰ](多选)现用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－W，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－W得eU＝hν－W，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。
12．2015·江苏高考](多选)波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有(　　)
A．光电效应现象揭示了光的粒子性
B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性
C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等
答案　AB
解析　光电效应说明光具有粒子性，A正确。衍射是波的特点，说明中子具有波动性，B正确。黑体辐射的实验规律说明光具有粒子性，C错误。动能相等的质子和电子，二者动量不同，所以动量p不相等，由λ＝可知德布罗意波长不相等，D错误。
13．2015·全国卷Ⅱ](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．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
E．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
答案　ACD
解析　衍射和干涉是波特有的现象，选项A、C正确；光电效应体现了光的粒子性，选项E错误；射线在云室中穿过，留下的径迹是粒子的轨迹，选项B错误；电子显微镜利用了电子的波动性来观测物质的微观结构，选项D正确。
14．2014·广东高考](多选)在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)
A．增大入射光的强度，光电流增大
B．减小入射光的强度，光电效应现象消失
C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应
D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大
答案　AD
解析　光电流的大小与入射光的强度成正比，A正确。若发生光电效应，入射光的频率必须大于某个特定频率，与光照强度无关，B错误。本题中并未说明ν是否是极限频率，因此减小入射光的频率仍有可能发生光电效应，C错误。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，D正确。
15．2014·上海高考]在光电效应的实验结果中，与光的波动理论不矛盾的是(　　)
A．光电效应是瞬时发生的
B．所有金属都存在极限频率
C．光电流随着入射光增强而变大
D．入射光频率越大，光电子最大初动能越大
答案　C
解析　光具有波粒二象性，既具有波动性又具有粒子性，光电效应证实了光的粒子性。因为光子的能量是一份一份的，不能积累，所以光电效应具有瞬时性，这与光的波动性矛盾，不选A项；同理，因为光子的能量不能积累，所以只有当光子的频率大于金属的极限频率时，才会发生光电效应，不选B项；光强增大时，光子数量增多，所以光电流会增大，这与波动性无关，C项正确；一个光电子只能吸收一个光子，所以入射光的频率增大，光电子吸收的能量变大，所以最大初动能变大，不选D项。
16. 2017·宁厦银川模拟]以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实。
光电效应实验装置示意如图。用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量)(　　)

A．U＝－ B．U＝－
C．U＝2hν－W D．U＝－
答案　B
解析　假设电子吸收光子个数为n(n>1)，则Ek＝nhν－W，又Ek＝eU，解得U＝－，B正确。
17．2017·甘肃联考]当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时(　　)
A．锌板带负电
B．有正离子从锌板逸出
C．有电子从锌板逸出
D．锌板会吸附空气中的正离子
答案　C
解析　锌板在紫外线的照射下产生了光电效应，说明锌板上有光电子飞出，所以锌板带正电，C正确，A、B、D错误。
18．2016·广东广州二模](多选)如图所示是光控继电器的示意图，K是光电管的阴极。下列说法正确的是(　　)

A．图中a端应是电源的正极
B．只要有光照射K，衔铁就被电磁铁吸引
C．只要照射K的光强度足够大，衔铁就被电磁铁吸引
D．只有照射K的光频率足够大，衔铁才被电磁铁吸引
答案　AD
解析　电路中要产生电流，则a端接电源的正极，使逸出的光电子在光电管中加速，放大器的作用是将光电管中产生的电流放大后，使铁芯磁化，将衔铁吸住，A正确。根据光电效应产生的条件可知，只有照射K的光频率足够大，才能产生光电效应，产生光电效应时，衔铁才被电磁铁吸引，B错误，D正确。根据光电效应方程知，能否发生光电效应与入射光的强度无关，由金属的逸出功和入射光的频率决定，故C错误。
19．2016·浙江宁波期末]一个德布罗意波波长为λ1的中子和另一个德布罗意波波长为λ2的氘核同向正碰后结合成一个氚核，该氚核的德布罗意波波长为(　　)
A. B.
C. D.
答案　A
解析　中子的动量p1＝，氘核的动量p2＝，对撞后形成的氚核的动量p3＝p2＋p1，所以氚核的德布罗意波波长λ3＝＝，A正确。
20．2016·衡水中学模拟](多选)从光的波粒二象性出发，下列说法正确的是(　　)
A．光是高速运动的微观粒子，每个光子都具有波粒二象性
B．光的频率越高，光子的能量越大
C．在光的干涉中，暗条纹的地方是光子不会到达的地方
D．在光的干涉中，亮条纹的地方是光子到达概率最大的地方
答案　BD
解析　光不是实物粒子，光具有波粒二象性，单个光子表现出粒子性，A错误；光的频率越高，光子的能量越大，B正确；在干涉条纹中亮纹是光子到达概率大的地方，暗纹是光子到达概率小的地方，C错误、D正确。

一、基础与经典
21.如图所示是研究光电管产生的电流的电路图，A、K是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的极限频率为ν0。现将频率为ν(大于ν0)的光照射在阴极上，则：

(1)________是阴极，阴极材料的逸出功等于________。
(2)加在A、K间的正向电压为U时，到达阳极的光电子的最大动能为________，将A、K间的正向电压从零开始逐渐增加，电流表的示数的变化情况是______________。
(3)为了阻止光电子到达阳极，在A、K间应加上Uc＝________的反向电压。
(4)下列方法一定能够增加饱和光电流的是(　　)
A．照射光频率不变，增加光强
B．照射光强度不变，增加光的频率
C．增加A、K电极间的电压
D．减小A、K电极间的电压
答案　(1)K　hν0　(2)hν－hν0＋eU　逐渐增大，直至保持不变　(3)　(4)A
解析　(1)被光照射的金属将有光电子逸出，故K是阴极，逸出功与极限频率的关系为W0＝hν0。
(2)根据光电效应方程可知，逸出的光电子的最大初动能为hν－hν0，经过电场加速获得的能量为eU，所以到达阳极的光电子的最大动能为hν－hν0＋eU，随着电压增加，单位时间内到达阳极的光电子数量将逐渐增多，但当从阴极逸出的所有光电子都到达阳极时，再增大电压，也不可能使单位时间内到达阳极的光电子数量增多。所以，电流表的示数先是逐渐增大，直至保持不变。
(3)从阴极逸出的光电子在到达阳极的过程中将被减速，被电场消耗的动能为eUc，如果hν－hν0 ＝eUc，就将没有光电子能够到达阳极，所以Uc＝。
(4)要增加单位时间内从阴极逸出的光电子的数量，就需要增加照射光单位时间内入射光子的个数，所以只有A正确。
22．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＝eU0＝1.6×10－19 C×0.6 V＝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＝h－h，代入数据得λ0＝0.66 μm。
二、真题与模拟
23. 2015·全国卷Ⅰ]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________。

答案　ek　－eb
解析　由光电效应方程，光电子的最大初动能Ek＝hν－W。根据动能定理，－eUc＝0－Ek，联立解得：Uc＝ν－。对照题给遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系图象，可知：图象斜率k＝，解得普朗克常量h＝ek。图象在纵轴上的截距b＝－，解得所用材料的逸出功W＝－eb。
24．2017·山东济南调研]小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意如图甲所示。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)Uc－ν图象中横轴的截距表示截止频率ν0，逸出功W0＝hν0＝6.63×10－34×5.12×10－14 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＝6.63×10－34×7.00×1014－3.39×10－19 J＝1.25×10－19 J。
25．2016·江苏高考]几种金属的逸出功W0见下表：
金属
钨
钙
钠
钾
铷
W0(×10－19 J)
7.26
5.12
3.66
3.60
3.41
用一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应。已知该可见光的波长的范围为4.0×10－7～7.6×10－7 m，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。
答案　钠、钾、铷
解析　可见光中波长最短的光子的能量最大，能量E＝＝＝4.97×10－19 J。逸出功小于或等于该能量的金属会发生光电效应，查表可知为钠、钾、铷。
26．2017·江西质检]A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB。求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功。
答案　2∶1　EA－2EB
解析　光子能量E＝hν，动量p＝，且ν＝，得p＝，则pA∶pB＝2∶1，A照射时，光电子的最大初动能EA＝hνA－W0。同理，EB＝hνB－W0，又hνA∶hνB＝2∶1，解得W0＝EA－2EB。
27．2017·云南昆明一中测试]紫光在真空中的波长为4.5×10－7 m，问：
(1)紫光光子的能量是多少？
(2)用它照射极限频率νc＝4.62×1014 Hz的金属钾能否产生光电效应？
(3)若能产生，则光电子的最大初动能为多少？(h＝6.63×10－34 J·s)
答案　(1)4.42×10－19 J　(2)能　(3)1.36×10－19 J
解析　(1)E＝hν＝h＝4.42×10－19 J。
(2)ν＝＝6.67×1014 Hz，因为ν>νc，所以能产生光电效应。
(3)光电子的最大初动能Ek＝hν－W0＝h(ν－νc)＝1.36×10－19 J。
28．2016·石家庄一中月考]如图所示，相距为d的两平行金属板A、B足够大，板间电压恒为U，有一波长为λ的细激光束照射到B板中央，使B板发生光电效应，已知普朗克常量为h，金属板B的逸出功为W0，电子质量为m，电荷量为e，求：

(1)从B板运动到A板所需时间最短的光电子，到达A板时的动能；
(2)光电子从B板运动到A板时所需的最长时间。
答案　(1)eU＋－W0　(2)d
解析　(1)根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，光子的频率为ν＝，光电子的最大初动能为Ek＝－W0。能以最短时间到达A板的光电子，是初动能最大且垂直于板面离开B板的电子，设到达A板的动能为Ek1，由动能定理，得eU＝Ek1－Ek，所以Ek1＝eU＋－W0。
(2)能以最长时间到达A板的光电子，是离开B板时的初速度为零或运动方向平行于B板的光电子。则d＝at2＝，得t＝d。