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    高中物理一轮复习材料 知识点 第十五章:原子物理

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    高中物理一轮复习材料 知识点 第十五章:原子物理

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    这是一份高中物理一轮复习材料 知识点 第十五章:原子物理,共26页。学案主要包含了光电效应,爱因斯坦的光电效应理论,光的波粒二象性与物质波,天然放射现象和原子核等内容,欢迎下载使用。
    第1讲 光电效应 波粒二象性
    一、光电效应
    1.光电效应现象
    (1)定义: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)产生条件:入射光的频率大于或等于金属的极限频率。
    2.光电效应的三条规律
    (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。
    二、爱因斯坦的光电效应理论
    1.光子说
    (1)在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子,光子的能量ε=hν。
    (2)普朗克常量:h=6.63×10-34 J·s。
    2.爱因斯坦光电效应方程
    (1)表达式:Ek=hν-W0。
    (2)各量的意义:
    ①ν:照射光的频率。
    ②W0:为逸出功,指使电子脱离某种金属所做功的最小值。
    ③Ek :为光电子的最大初动能,指发生光电效应时,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。
    (3)公式的意义: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光电子的最大初动能Ek=eq \f(1,2)mevc2。
    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循波动规律的表现,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。
    微点判断
    (1)光子和光电子都是实物粒子。(×)
    (2)只要入射光的强度足够强,就可以使金属发生光电效应。(×)
    (3)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。(√)
    (4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。(×)
    (5)光的频率越高,光的粒子性越明显,但仍具有波动性。(√)
    (6)德国物理学家普朗克提出了量子假说,成功地解释了光电效应规律。(×)
    (7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应,证实了光的粒子性。(√)
    (一) 光电效应规律的理解及应用(精研点)
    1.与光电效应有关的五组概念对比
    (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。光子是因,光电子是果。
    (2)光电子的动能与光电子的最大初动能: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的情况,才具有最大初动能。
    (3)光电流和饱和光电流: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,而光子能量E=hν。
    (5)光的强度与饱和光电流:频率相同的光照射金属产生光电效应,入射光越强,饱和光电流越大,但不是简单的正比关系。
    2.光电效应的研究思路
    (1)两条线索
    (2)两条对应关系
    ①入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大;
    ②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
    3.光电效应中三个重要关系
    (1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。
    (2)光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系:Ek=eUc。
    (3)逸出功W0与极限频率νc的关系:W0= hνc。
    [考法全训]
    1.[对光子说的理解]
    (2022·全国乙卷)一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10- 7 m的光,在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量为h=6.63×10-34J·s。R约为( )
    A.1×102 m B.3×102 m
    C.6×102 m D.9×102 m
    解析:选B 一个光子的能量为E=hν,ν为光的频率,光的波长与频率关系为c=λν。光源每秒发出的光子的个数为n=eq \f(P,hν)=eq \f(Pλ,hc),P为光源的功率,光子以球面波的形式传播,那么以光源为原点的球面上的光子数相同,距光源的距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3 × 1014个,那么此处的球面的表面积为S=4πR2,则eq \f(n,S)=3×1014,联立以上各式解得R≈3×102 m。
    2.[光电效应规律的研究]
    (2023·衡水高三联考)如图所示为研究光电效应的电路图。开关闭合后,当用波长为λ0的单色光照射光电管的阴极K时,电流表有示数。下列说法正确的是( )
    A.若只让滑片P向D端移动,则电流表的示数一定增大
    B.若只增加该单色光的强度,则电流表示数一定增大
    C.若改用波长小于λ0的单色光照射光电管的阴极K,则阴极K的逸出功变大
    D.若改用波长大于λ0的单色光照射光电管的阴极K,则电流表的示数一定为零
    解析:选B 电路所加电压为正向电压,如果电流达到饱和电流,增加电压,电流也不会增大,故A错误;只增加该单色光的强度,相同时间内逸出的光子数增多,电流增大,故B正确;金属的逸出功只与阴极材料有关,与入射光无关,故C错误;改用波长大于λ0的单色光照射,虽然光子能量变小,但也有可能发生光电效应,可能有光电流,故D错误。
    3.[爱因斯坦光电效应方程的应用]
    (2023·临沂高三模拟)用如图所示的实验装置研究光电效应现象。所用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,电流表G的示数不为零,移动变阻器的触点c,发现当电压表的示数大于或等于1.7 V 时,电流表示数为零,则在该实验中( )
    A.光电子的最大初动能为1.05 eV
    B.光电管阴极的逸出功为1.7 eV
    C.开关S断开,电流表G示数为零
    D.当滑动触头向a端滑动时,电压表示数增大
    解析:选D 由题目可知,遏止电压Uc=1.7 V,最大初动能Ek=eUc=1.7 eV,选项A错误;根据光电效应方程可知,逸出功W0=E-Ek=1.05 eV,选项B错误;断开开关S,光电效应依然发生,有光电流,光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路,电流表中电流不为零,选项C错误;电源电压为反向电压,当滑动触头向a端滑动时,反向电压增大,电压表示数增大,电流表中电流减小,选项D正确。
    (二) 光电效应的图像及应用(精研点)
    光电效应四类图像对比
    [考法全训]
    1.[Ek-ν图像]
    (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Ek与入射光频率ν的关系图像,由图像可知( )
    A.该金属的逸出功为E
    B.入射光频率为eq \f(ν0,2)时,产生的光电子的最大初动能为eq \f(E,2)
    C.入射光频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为2E
    D.该图线的斜率表示普朗克常量h
    解析:选AD 根据爱因斯坦的光电效应方程hν-W=Ek,由图像可知,纵坐标的截距表示W,该图线的斜率表示普朗克常量h,所以该金属的逸出功为E,A、D正确;由图像可知,金属的极限频率为ν0,所以入射光频率为eq \f(ν0,2)时,不能发生光电效应,B错误;由于hν0=W=E,入射光频率为2ν0时,代入公式解得Ek=h·2ν0-W=h·ν0=E,则产生的光电子的最大初动能为E,C错误。
    2.[Uc-ν图像]
    (2022·河北高考)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h
    D.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
    解析:选A 根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc=Ekmax,根据光电效应方程有Ekmax=hν-W0,结合图像可知,当Uc为0时,解得W0=hνc,A正确;钠的截止频率为νc,根据图像可知,截止频率小于8.5×1014Hz,B错误;结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc=eq \f(h,e)ν-eq \f(W0,e),可知,图中直线的斜率表示eq \f(h,e),C错误;根据遏止电压与入射光的频率关系式可知,遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系,不是成正比,D错误。
    3.[同频率入射光的I-U图像]
    红外测温仪的原理是:任何物体的温度在高于绝对零度(-273 ℃)时都会向外发出红外线,有一种额温枪通过红外线照射到温度传感器,发生光电效应,将光信号转化为电信号,计算出温度数据。已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线,如图甲所示,用该红外线照射光电管的阴极K时,电路中有光电流产生,实验得到的电流随电压变化的图像如图乙所示,已知h=6.63×10-34 J·s,e=1.6×10-19 C,则( )
    A.波长为10 μm的红外线在真空中的频率为3×1014 Hz
    B.将图甲的电源反接,一定不会产生电信号
    C.由图乙数据可知,该光电管的阴极金属逸出功约为0.1 eV
    D.若人体温度升高,则辐射红外线的强度减弱,光电管转换成的光电流减小
    解析:选C 波长为10 μm的红外线在真空中的频率为ν=eq \f(c,λ)=3×1013 Hz,故A错误;由题图甲可知,当电源反接时,电子受到的力向右,因为电子有一定的初动能,当所加电压小于遏止电压时,就会有电子到达A极板,此时有电信号,故B错误;当加的反向电压大于遏止电压时,没有电信号,由题图乙可知,遏止电压为0.02 V,故最大初动能Ek=eUc=0.02 eV,由光电效应方程,有Ek=hν-W逸,可得W逸≈0.1 eV,故C正确;若人体温度升高,则辐射红外线的强度增强,光电管转换成的光电流增大,故D错误。
    4.[不同频率入射光的I-U图像比较]
    在研究光电效应中电子的发射情况与照射光的强弱、光的颜色的关系时,将a、b、c三束光照射到同一光电管的阴极上,得到的光电流与电压的关系如图所示,可知( )
    A.a光的频率高于c光的频率
    B.c光的频率高于b光的频率
    C.单位时间内,c光入射的光子数大于b光入射的光子数
    D.a光照射时逸出光电子的最大初动能可能比b光照射时的大
    解析:选C 由爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W0,其中Ek=eUc,可以看出遏止电压与频率呈线性关系,频率越大,遏止电压越大,所以由图像可知,a光的频率等于c光的频率,c光的频率低于b光的频率,故A、B错误;由图可得,c光对应饱和光电流大于b光对应的饱和光电流,因为饱和光电流越大,单位时间内逸出的光电子数越多,且逸出的光电子数等于入射的光子数,所以单位时间内c光入射的光子数大于b光入射的光子数,故C正确;因为最大初动能为Ek=eUc,所以a光照射时逸出光电子的最大初动能一定比b光照射时的小,故D错误。
    (三) 对波粒二象性、物质波的理解(固基点)
    [题点全练通]
    1.[粒子性与康普顿效应]
    (2023·洛阳高三模拟)波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的是( )
    A.电子束通过双缝后形成的干涉图样可用电子的粒子性解释
    B.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
    C.康普顿效应说明光具有波动性
    D.黑体既不反射电磁波,也不向外辐射电磁波
    解析:选B 电子束通过双缝后形成的干涉图样可用电子的波动性解释,选项A错误;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,选项B正确;康普顿效应说明光具有粒子性,选项C错误;自然界的任何物体都向外辐射电磁波,黑体是一个理想化的物体,它能吸收各种电磁波而不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,故D错误。
    2.[对粒子性与波动性的理解]
    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
    解析:选D 光具有波粒二象性,这些照片说明少量光子的运动显示粒子性,大量光子的运动显示波动性,故D正确。
    3.[对波粒二象性的理解]
    (多选)关于光的波粒二象性,正确的说法是( )
    A.光的频率越高,光子的能量越大,粒子性越显著
    B.光的波长越长,光的能量越小,波动性越显著
    C.频率高的光子不具有波动性,波长较长的光子不具有粒子性
    D.个别光子产生的效果往往显示粒子性,大量光子产生的效果往往显示波动性
    解析:选ABD 光具有波粒二象性,但在不同情况下表现不同,频率越高,波长越短,粒子性越强,反之波动性明显,个别光子易显示粒子性,大量光子易显示波动性,A、B、D正确。
    [要点自悟明]
    1.对光的波粒二象性的理解
    2.物质波
    (1)定义:任何运动着的物体都有一种波与之对应,这种波叫做物质波,也叫德布罗意波。
    (2)物质波的波长:λ=eq \f(h,p)=eq \f(h,mv),h是普朗克常量。
    eq \a\vs4\al([课时跟踪检测])
    1.“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的,能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高,则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情 况是( )
    A.I增大,λ增大 B.I增大,λ减小
    C.I减小,λ增大 D.I减小,λ减小
    解析:选B 根据黑体辐射规律,可知随温度升高,各种波长的辐射强度都增大,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故人体热辐射强度I随温度的升高而增大,其极大值对应的波长减小,B正确。
    2.赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现,接收电路的电极如果受到光照,就更容易产生电火花。此后许多物理学家相继证实了这一现象,即照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出。最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是( )
    A.玻尔 B.康普顿
    C.爱因斯坦 D.德布罗意
    解析:选C 玻尔引入量子化的观念解释了氢原子光谱,A错误;康普顿提出康普顿效应,发现了光子不仅具有能量,还具有动量,证明了光具有粒子性,B错误;爱因斯坦提出光子说,从理论上解释了光电效应的实验现象,C正确;德布罗意提出一切物质都具有波粒二象性,D错误。
    3.(2023·湛江高三模拟) 如图甲所示,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,阴极K在受到光照时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整,电源的正负极也可以对调。闭合开关后,阳极A吸收阴极K发出的光电子,在电路中形成光电流。现分别用蓝光、弱黄光、强黄光照射阴极K,形成的光电流与电压的关系图像如图乙所示,图中a、b、c光依次为( )
    A.蓝光、弱黄光、强黄光
    B.弱黄光、蓝光、强黄光
    C.强黄光、蓝光、弱黄光
    D.蓝光、强黄光、弱黄光
    解析:选C 设遏止电压为Uc,由动能定理eUc=Ek=hν-W0可知,对于同一种金属W0不变,遏止电压与入射光的频率有关。对于一定频率的光,无论光的强弱如何,截止电压都是一样的,故a、c是同种颜色的光,在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大,a为强黄光,c为弱黄光。b的遏止电压最大,故b光的频率最大,为蓝光。选项C正确。
    4.用频率分别为ν和2ν的光照射某种金属材料,两种情况下测得的该金属材料发生光电效应的遏止电压之比为1∶4,已知普朗克常量为h,则该金属的逸出功为( )
    A.eq \f(4,3)hν B.eq \f(2,3)hν
    C.eq \f(1,3)hν D.eq \f(1,2)hν
    解析:选B 设该金属的逸出功为W0,根据爱因斯坦光电效应方程以及动能定理有:Ek1=hν-W0=eUc1,Ek2=2hν-W0=eUc2,由题意可知eq \f(Uc2,Uc1)=4,联立以上各式解得W0=eq \f(2,3)hν,故选B。
    5.(2021·江苏高考)如图所示,分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究,其截止频率ν1

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