第十六章原子物理学第79课时光电效应和波粒二象性2025高考物理二轮专题

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　（人教版选择性必修第三册P71问题）把一块锌板连接在验电器 上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察 验电器指针的变化。
（1）紫外线照射该金属极板时有光电子逸出，验电器的张角变小。 （　√　）
（2）增大入射光的强度时，逸出的光电子初动能增大。（　×　）
（3）用绿光照射该金属极板时也一定能使验电器张角变小。 （　×　）
（4）换用红外线照射时也一定能使验电器张角变小。（　×　）
考点一　黑体辐射和能量子　[素养自修类]1. 【能量子公式ε＝hν的应用】（2022·全国乙卷17题）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＝6.63×10－34 J·s。R约为（　　）
2. 【黑体辐射的实验规律】（多选）关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是 （　　 ）
解析：　能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物 体称为黑体，选项A正确；由题图可知，随着温度的降低，各种波 长的光辐射强度都有所减小，选项B错误；随着温度的升高，黑体 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项C错误；一般物体 辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关，选项D正确。
1. 黑体辐射的实验规律随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方 面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
2. 能量子（1）普朗克假设：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某 一最小能量值ε的整数倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……他把这 个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。（2）表达式为ε＝hν，这里的ν是带电微粒的振动频率，即带电微粒 吸收或辐射电磁波的频率。
考点二　光电效应规律的理解及应用　[互动共研类]
1. 光电效应的两条对应关系
入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
2. 光电效应中三个重要关系式
（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。
3. 光电管上加正向与反向电压情况分析
【典例1】　用如图所示的实验装置研究光电效应现象。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，移动滑动变阻器的触点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（　　 ）
解析：由题可知，遏止电压Uc＝1.7 V，最大初动能Ek＝eUc＝1.7 eV，A错误；根据光电效应方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05 eV，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，C 错误；电源电压为反向电压，当触点c向a端滑动时，反向电压增 大，电压表示数增大，电流表示数减小，D正确。
1. 【爱因斯坦光电效应方程的应用】光电管是一种利用光照产生电流的装置，当入射光照射在管中金属 板上时，可以形成光电流。表中记录了某同学进行光电管实验时的 数据。
由表中数据得出的以下论断中正确的是（　　 ）
解析：　入射光子的能量相同，根据ε＝hν可知三次实验采用了相 同频率的入射光，故A错误；三次实验中入射光子的能量与逸出光 电子的最大初动能相同，根据Ek＝hν－W0可知，三次实验中光电管 中金属板的逸出功相同，因此金属板材质相同，故B错误；饱和光 电流与光照强度有关，故C错误；根据Ek1＝ε1－W0，Ek2＝ε2－W0， 代入数据得Ek2＝1.8 eV，故D正确。
2. 【对光子说的理解】（2023·浙江1月选考11题）被誉为“中国天眼”的大口径球面射电 望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天 体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐 射光子中，有η（η＜1）倍被天眼接收，天眼每秒接收到该天体发 出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h，则该天体发射频率为ν光 子的功率为（　　）
考点三　光电效应的图像问题　[多维探究类]　光电效应的三类图像的对比分析
考向一　光电效应的Ek-ν图像问题
【典例2】　用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电 效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图像，已 知钨的逸出功是4.54 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将二者的图线画 在同一个Ek-ν图像中，如图所示，用实线表示钨的Ek-ν图线，虚线表 示锌的Ek-ν图线，则正确反映这一过程的是（　　 ）
考向二　光电效应的I-U图像问题【典例3】　在研究光电效应现象时，先后用单色光a、b、c照射同一 光电管，所得到的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图 所示，下列说法正确的是（　　 ）
解析：根据题图可知单色光c的遏止电压小于单色光b的遏止电压，根 据eUc＝Ek＝hν－W0可知，b、c两种单色光频率不同，所以颜色不 同，故A错误；由题图可知单色光a、b的遏止电压相同，则单色光a、 b的频率相同，在光的频率相同的情况下，入射光越强，饱和电流越 大，单色光a的饱和电流大于单色光b的饱和电流，则单色光a的光照 强度大于单色光b的光照强度，故B错误；电路中的饱和电流与光照强 度有关，在其他条件相同的情况下，光照强度越大，光电流越大，故 增大c光的光照强度，电路中的饱和电流将增大，故C正确；射出的光 电子的最大初动能与光照强度无关，故D错误。
考向三　光电效应的Uc-ν图像问题
【典例4】　（2022·河北高考4题）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（　　 ）
考点四　对波粒二象性和物质波的理解　[素养自修类]1. 【对波粒二象性的理解】下图1是用很弱的光做双缝干涉实验得到的不同数量的光子照射到感 光胶片上的照片。下图2是1927年戴维森和G. P. 汤姆孙分别完成的电 子衍射实验简化图，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之 一。关于这两个图片，下列说法中正确的是（　　）
解析：　光具有波粒二象性，题图1说明少量光子粒子性表现 明显，大量光子波动性表现明显，故A、B错误；题图2是电子 束的衍射实验，证明实物粒子具有波动性，而不是光子，故C错 误，D正确。
2. 【对康普顿效应的理解】实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实，关于上述逆康普顿散射，下列说法正确的是（　　 ）
解析：　根据题意，在逆康普顿散射中，能量从电子转移到光 子，所以散射后电子的速度和能量变小，光子的能量变大，光子的 频率变大，故A、C、D错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－ W0可知，h和W0为定值，ν越大，Ek越大，因此若散射前的入射光照 射某金属表面时能发生光电效应，则散射光照射该金属时，光电子 的最大初动能将变大，故B正确。
3. 【对物质波的理解】（2021·浙江6月选考13题）已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电 子的质量为9.11×10－31 kg，一个电子和一滴直径约为4 μm的油滴具 有相同动能，则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为（　　）
1. 对光的波粒二象性的理解
巧学 妙解 应用
考点一　黑体辐射和能量子1. （2021·天津高考2题）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（　　 ）
解析：　紫外线进入液体后，频率不变，光子能量不变，波长变 短，传播速度变小，选项A正确，B、C、D错误。
2. 下列关于在两种不同温度下某一定质量的气体的分子速率分布图像 [纵坐标f（v）表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比，横坐 标v表示分子的速率]和两种不同温度下黑体辐射的强度与波长的关 系的图像符合实验规律的是（　　 ）
解析：　两种不同温度下某一定质量的气体的分子速率分布图像 与坐标轴围成的面积应相等，且温度较高的气体分子速率大的占比 更多，故A、B错误；黑体辐射的实验规律：随着温度的升高，一 方面各种波长的辐射强度都增加，另一方面辐射强度的极大值向波 长较短的方向移动，故C正确，D错误。
考点二　光电效应规律的理解及应用3. 关于光电效应，下列说法正确的是（　　 ）
解析：　逸出功W0＝hνc，W0∝νc，故A正确；只有照射光的频率ν 大于或等于金属截止频率νc，才能发生光电效应，故B错误；由光 电效应方程Ek＝hν－W0知，入射光频率ν不确定时，无法确定Ek与 W0的关系，故C错误；频率一定，入射光的光强越大，单位时间内 逸出的光电子数越多，故D错误。
4. 如图所示，在研究光电效应的实验中，保持P的位置不变，用单色 光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转；改用另一频率的单色 光b照射K，电流计的指针发生偏转，那么（　　 ）
解析：　用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转，说 明a光的频率小于阴极K的截止频率，增加a光的强度也无法使电流 计的指针发生偏转，故A错误；电子运动方向从d到c，电流方向从c 到d，故B错误；只增加b光的强度可以使光电流增大，使通过电流 计的电流增大，故C正确；b光能使阴极K发生光电效应，b光的频 率大于阴极K的截止频率也就大于a光的频率，b光的波长一定小于a 光的波长，故D错误。
考点三　光电效应的图像问题
5. 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＜ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系的图像是（　　 ）
解析：　光电管所加电压为正向电压，则根据爱因斯坦光电效应 方程可知光电子到达A极时动能的最大值Ekm＝Ue＋hν－hν截止，可 知Ekm-U图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上 的截距越小，因ν1＜ν2，故C正确，A、B、D错误。
6. 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（　　 ）
解析：　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， 所以由题图可知，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；由题图可得，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，且射入的光子数越多逸出的光电子数就越多，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。
7. 某种金属发生光电效应时逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像如图所示，图线与横轴的交点为ν0，图线的延长线与纵轴的交点为－E，下列说法正确的是（　　 ）
考点四　对波粒二象性和物质波的理解8. 关于光的波粒二象性，下列说法正确的是（　　 ）
解析：　光既具有粒子性，又具有波动性，大量的光子波动性比 较明显，个别光子粒子性比较明显，并不矛盾和对立，故A错误； 光是概率波，不同于机械波；光的粒子性也不同于质点，即单个光 子既具有粒子性也具有波动性，故B错误；单个光子既具有粒子性 也具有波动性，只是大量的光子波动性比较明显，个别光子粒子性 比较明显，故C错误；由于光既具有波动性，又具有粒子性，即光 的波动性与粒子性是光子本身的一种属性，故无法只用其中一种去 说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性，故D正确。
9. （多选）（2023·海南高考10题）已知一个激光发射器功率为P，发 射波长为λ的光，光速为c，普朗克常量为h，则（　　）
10. （多选）（2023·浙江6月选考15题）有一种新型光电效应量子材 料，其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时，只产生动能和动量 单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝，在与缝相 距为L的观测屏上形成干涉条纹，测得条纹间距为Δx，已知电子质 量为m，普朗克常量为h，光速为c，则（　　）
11. 利用如图所示的电路研究光电效应现象，滑片P的位置在O点的正 上方。已知入射光的频率大于阴极K的截止频率，且光的强度较 大，则（　　 ）
解析：　遏止电压仅与入射光频率有关，与入射光的强度无关， 故A错误；P不移动时，由于题图中在光电管中所加电压为零，管 中无电场，电子从K向右逸出不受电场力，有些光电子到达A极形 成光电流，微安表应有示数，故B错误；P向a端移动，在光电管两 极间形成使从K极逸出的电子减速的电场，光电流减小，微安表的 示数变小，故C错误；P向b端移动，则分压所得正向电压变大，由 eUAK＝EkA－Ek初，光电子到达阳极A的最大动能增大，故D正确。
12. （2023·江苏高考14题）“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳 辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太 阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳， 每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳 中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：（1）每个光子的动量p和能量E；
（2）太阳辐射硬X射线的总功率P。