新高考物理一轮复习讲义课件第15章第1讲光电效应波粒二象性（含解析）

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第1讲　光电效应　波粒二象性
主干梳理 对点激活
5．对光电效应规律的解释
光既具有波动性，又具有粒子性
一 堵点疏通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，就能发生光电效应。(　　)3．光电效应说明光具有粒子性，说明光的波动说是错误的。(　　)4．电子枪发射电子的现象就是光电效应。(　　)5．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(　　)6．光的波长越长，越容易发生干涉和衍射现象。(　　)7．光电效应方程Ek＝hν－W0中ν为入射光子的频率，而不是金属的极限频率。(　　)8．不同的金属一定对应着相同的极限频率。(　　)
二 对点激活1．(2017·上海高考)光子的能量与其(　　)A．频率成正比 B．波长成正比C．速度成正比 D．速度平方成正比
解析　根据ε＝hν可知，光子的能量与其频率成正比，A正确。
2. (人教版选择性必修第三册·P71·问题改编)(多选)如图所示，用导线把不带电的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
解析　用紫外线照射锌板时，锌板里的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出，称之为光电子，故A错误，B正确；锌板与验电器相连，带有相同电性的电荷，锌板失去电子带正电，且失去的电子越多，带正电的电荷量越多，验电器指针张角越大，故C正确，D错误。
3．(人教版选择性必修第三册·P77·T1改编)(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
解析　增大入射光的强度，单位时间内照射到单位面积上的光子数增加，则光电流增大，故A正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光强度无关，故B错误；用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率小于ν的光照射时，若光的频率仍大于极限频率，则仍会发生光电效应，C错误；根据hν－W0＝Ek可知，改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大，故D正确。
4. (人教版选择性必修第三册·P75·图改编)(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出(　　)A．该金属的截止频率B．普朗克常量C．该金属的逸出功D．单位时间内逸出的光电子数
5．关于物质波，以下说法正确的是(　　)A．任何一个运动着的物体都有一种波与之对应B．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波C．动能相等的质子和电子相比，质子的物质波波长长D．宏观物体不会发生明显的衍射或干涉现象，所以没有物质波
考点细研 悟法培优
考点 1　　光电效应规律的理解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。光子是光电效应的因，光电子是果。(2)光电子的初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，只需克服原子核的引力做功的情况，光电子才具有最大初动能。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)入射光的强度与光子的能量：入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，即I＝nhν，n是单位时间照射到单位面积上的光子数。(5)光的强度与饱和光电流：饱和光电流随入射光的强度增大而增大的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，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的强度之间没有简单的正比关系。
2．四点提醒(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。(2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。(4)光电子不是光子，而是电子。3．三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。(3)逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc。
4．两条对应关系(1)光强大(频率一定时)→光子数目多→发射光电子多→饱和光电流大。(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
例1　(2020·江苏省扬州市3月检测)在光电效应实验中，某实验小组用同种频率的单色光，先后照射锌和银的表面，都能产生光电效应。对这两个过程，下列四个物理量中，可能相同的是(　　)A．饱和光电流B．遏止电压C．光电子的最大初动能D．逸出功
(1)逸出功由谁决定？提示：金属。(2)饱和光电流与什么有关？提示：光强。
对光电效应的几点提醒(1)光的频率决定光子的能量，ε＝hν。(2)光的强度是指单位时间光照射到单位面积上的能量，即I＝nhν，所以单位时间照射到单位面积上的光子数由光强和光的频率共同决定。(3)光电子逸出后的最大初动能由光子的频率和逸出功共同决定。(4)由Ek＝hν－W0求出的是光电子的最大初动能，金属内部逸出的光电子的动能小于这个值，而且光电子的射出方向是随机的，不一定都能到达阳极。(5)每秒逸出的光电子数决定着饱和光电流的大小，而不是光电流的大小。
解析　根据光电效应方程，用单色光A照射某金属表面时，有E1＝hν－W逸出功，用单色光B照射该金属表面时，有E2＝h·2ν－W逸出功，联立解得W逸出功＝E2－2E1，故A、C、D错误，B正确。
[变式1－2]　 (2020·贵州省贵阳市3月份调研)如图所示为一光电管电路，滑动变阻器触头位于ab上某点，用黄光照射光电管阴极，电表指针无偏转，要使电表指针偏转，可采取的可行措施有(　　)A．增大黄光的强度B．换用蓝光照射C．将P向a滑动D．将电源正、负极对调
解析　由题意可知，光电管两端加的是正向电压，则电表指针没有偏转，是由于没有发生光电效应，发生光电效应的条件为ν＞ν0，故只有换用频率较高的蓝光照射，才可能发生光电效应，使电流表指针发生偏转，故A、C、D错误，B正确。
考点 2　　光电效应的图像分析
例2　(2020·河北省张家口市一模)利用如图甲所示的电路完成光电效应实验，金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图乙所示，图乙中U1、ν1、ν0均已知，电子电荷量用e表示。下列说法正确的是(　　)
(1)正向电压越大，光电流越大吗？提示：不一定，当达到饱和光电流时不再变化。(2)如何推导Uc­ν的函数关系？提示：Ek＝hν－W0，W0＝hν0，Ek＝Uce联立。
[变式2－1]　(2020·福建省泉州市第二次质量检测)(多选)如图甲为研究光电效应的实验装置，用频率为ν的单色光照射光电管的阴极K，得到光电流I与光电管两端电压U的关系图线如图乙所示，已知电子电荷量的绝对值为e，普朗克常量为h，则(　　)
[变式2－2]　(2020·山东省泰安市四模)爱因斯坦提出光电效应理论获得诺贝尔物理学奖已近100年。用金属钙做实验时，得到的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。用其他金属做实验，得到的Ek­ν图线也为直线。表中列出了几种金属的截止频率和逸出功，下列判断正确的是(　　)
解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，Ek­ν图线的斜率等于普朗克常量h，因此各种不同金属的Ek­ν图线的斜率相同，A、B错误；Ek­ν图线的延长线与纵轴交点的坐标绝对值等于逸出功，则Ek1＝3.20 eV，Ek2＝2.29 eV，因此Ek2＜Ek1，C错误，D正确。
A．如用金属钨做实验，得到的Ek­ν图线的斜率比图中直线的斜率大B．如用金属钨做实验，得到的Ek­ν图线的斜率比图中直线的斜率小C．如用金属钠做实验，得到的Ek­ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0，－Ek2)，则Ek2＞Ek1D．如用金属钠做实验，得到的Ek­ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0，－Ek2)，则Ek2＜Ek1
考点 3　　光的波粒二象性和物质波1. 对光的波粒二象性的理解光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：(1)从数量上看：个别光子的作用效果往往容易表现出粒子性；大量光子的作用效果往往容易表现出波动性。(2)从频率上看：频率越低的光波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高的光粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，其穿透本领越强。
例3　下列关于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 (1)光子是实物粒子吗？提示：不是。(2)什么时候光子显示波动性？提示：波长较长易显示波动性，大量光子显示波动性。
尝试解答　选C。光既有波动性又有粒子性，A错误；光子不带电，没有静止质量，而电子带负电，有质量，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，C正确；个别光子的作用效果往往表现为粒子性，大量光子的作用效果往往表现为波动性，D错误。
波粒二象性的深入理解(1)虽然平时看到的宏观物体运动时，看不出其波动性，但也有一个波长与之对应。例如飞行中的子弹的波长约为10－34 m。(2)波粒二象性是微观粒子的特殊性质，一切微观粒子都存在波动性；宏观物体也存在波动性，只是波长太小，难以观测。
[变式3]　(2020·江苏省盐城市6月模拟)(多选)运动的微观粒子具有波粒二象性，有能量E、动量p，也对应着一定的波长λ。m表示粒子的质量，下列图像正确的是(　　)
高考模拟 随堂集训
1．(2019·北京高考)光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)A．两组实验采用了不同频率的入射光B．两组实验所用的金属板材质不同C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eVD．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
解析　光子的能量E＝hν，两组实验中入射光子的能量不同，故入射光的频率不同，A正确；由爱因斯坦的光电效应方程hν＝W＋Ek，可求出两组实验中金属板的逸出功W均为3.1 eV，故两组实验所用的金属板材质相同，B错误；由hν＝W＋Ek，W＝3.1 eV，当hν＝5.0 eV时，Ek＝1.9 eV，C正确；相对光强越强，单位时间内射出的光子数越多，单位时间内逸出的光电子数越多，形成的光电流越大，D正确。
2．(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 HzC．2×1015 Hz D．8×1015 Hz
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Uaνb，则一定有Eka>EkbC．若Uaνb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb
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Ek＝hν－W0可知，若νa>νb，则Eka>Ekb，Ua>Ub，A错误，B正确；若Ua4．(2017·北京高考)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1 nm＝10－9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲，“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　)A．10－21 J B．10－18 JC．10－15 J D．10－12 J
解析　普朗克常量h的单位为J·s；由W＝Fl及F＝ma可推导：1 J·s＝1 N·m·s＝1 kg·m·s－2·m·s＝1 kg·m2/s。
5．(2019·天津高考)第26届国际计量大会决定，质量单位“千克”用普朗克常量h定义，“国际千克原器”于2019年5月20日正式“退役”。h的数值为6.63×10－34，根据能量子定义，h的单位是________，该单位用国际单位制中的力学基本单位表示，则为________。
7．(2019·江苏高考)在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ＝6.4×10－7 m，每个激光脉冲的能量E＝1.5×10－2 J。求每个脉冲中的光子数目。(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s。计算结果保留一位有效数字)答案　5×1016
一、选择题(本题共11小题，每小题7分，共77分。其中1～7题为单选，8～11题为多选)
1. (2020·河北省保定市二模)黑体辐射的研究表明：辐射强度、波长分布与辐射体的温度有密切关系。此研究对冶金工业的迅速发展有巨大贡献。如图所示，图中画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系，从中可以看出(　　)
A．温度越高，辐射电磁波的波长越短B．温度越低，辐射电磁波的波长越长C．同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强D．不同温度时辐射强度的最大值变化无规律可循
解析　无论温度高低，黑体都会辐射各种波长的电磁波，故A、B错误；同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强，故C正确；温度升高，辐射强度的最大值向波长短、频率高的方向移动，故D错误。
2．下列说法中正确的是(　　)A．物质波属于机械波B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性C．德布罗意认为任何一个运动的物体，小到电子、质子、中子，大到行星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波D．宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
解析　物质波是描述实物粒子运动的波，而机械波是由质点做周期性机械运动形成的，二者不同，故A错误；不论是微观粒子，还是宏观物体，只要它们运动，就有与之对应的物质波，故B、D错误，C正确。
4．(2020·广东省汕头市一模)可见光的波长的大致范围是400～760 nm。下表给出了几种金属发生光电效应的极限波长，下列说法正确的是(　　)A．表中所列金属，钾的逸出功最大B．只要光照时间足够长或强度足够大，所有波长的可见光都可以使钠发生光电效应C．用波长为760 nm的光照射金属钠、钾，则钠逸出的光电子的最大初动能较大D．用波长为400 nm的光照射金属钠、钾，则钾逸出的光电子的最大初动能较大
5．(2020·山西省长治市3月线上模拟)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．保持入射光的光强不变，入射光的频率变高，饱和光电流变大C．保持入射光的光强不变，入射光的频率变低，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
解析　保持入射光的频率不变，因为饱和光电流与入射光的强度成正比，故入射光的光强变大，饱和光电流变大，A正确；保持入射光的光强不变，入射光的频率变高，则单位时间入射光光子数变少，饱和光电流也变小，故B错误；根据光电效应的规律，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，所以入射光的频率变低，光电子的最大初动能变小，故C错误；如果入射光的频率小于该光电管金属材料的极限频率，将不会发生光电效应，也就不会有光电流产生，故D错误。
6．(2020·江苏省宿迁市沭阳县5月联考)用图1装置研究光电效应，分别用a光、b光、c光照射阴极K得到图2中三条光电流I与A、K间的电压UAK的关系曲线，则下列说法正确的是(　　)
A．开关S扳向1时测得的数据得到的是I轴左侧的图线B．b光的光子能量大于a光的光子能量C．用a光照射阴极K时阴极的逸出功大于用c光照射阴极K时阴极的逸出功D．用b光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能小于用a光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能
解析　当开关S扳向1时，光电子在光电管中加速，此时所加的电压是正向电压，测得的数据得到的是I轴右侧的图线，故A错误；根据eUc＝Ek＝hν－W0，同种金属W0相同，则入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，由题图2可知，b光的遏止电压大于a光的遏止电压，所以b光的频率高于a光的频率，依据E＝hν可知，b光的光子能量大于a光的光子能量，故B正确；某种金属的逸出功是一定的，与入射光无关，故C错误；b光的遏止电压大于a光的遏止电压，根据eUc＝Ek＝hν－W0，可知用b光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能大于用a光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能，D错误。
8．(2021·三湘名校教育联盟高三上第二次大联考)利用图甲所示的实验装置观测光电效应，已知实验中测得某种金属的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，电子的电荷量为e＝1.6×10－19 C，则(　　)
A．电源的右端为正极B．普朗克常量为C．该金属的逸出功为eU1D．若电流表的示数为10 μA，则每秒内从阴极发出的光电子数的最小值为6.25×1012
9．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的是(　　)A．黑体辐射规律可用光的波动性解释B．光电效应现象揭示了光的粒子性C．电子束射到晶体上产生衍射图样说明电子具有波动性D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波波长也相等
10. (2020·浙江省杭州高级中学仿真模拟)用一束波长为λ的绿光照射某极限波长为λ0的金属，能产生光电效应，下列说法正确的是(　　)
A．光电管阴极的逸出功为1.8 eVB．开关S断开后，没有电流流过电流表GC．光电子的最大初动能为0.7 eVD．改用能量为1.5 eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小
11. 用如图的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2 mA，移动变阻器的滑片C，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表读数为0。则(　　)
解析　由题图可知，光电管两端所加的电压为反向电压，由电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表示数为0，可知光电子的最大初动能为0.7 eV，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，可得W0＝1.8 eV，故A、C正确；开关S断开后，用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，有光电子逸出，则有电流流过电流表，故B错误；改用能量为1.5 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错误。
13．(2021·八省联考江苏卷)(15分)我国中微子探测实验利用光电管把光信号转换为电信号。如图所示，A和K分别是光电管的阳极和阴极，加在A、K之间的电压为U。现用发光功率为P的激光器发出频率为ν的光全部照射在K上，回路中形成电流。已知阴极K材料的逸出功为W0，普朗克常量为h，电子电荷量为e。
(1)求光电子到达A时的最大动能Ekm；(2)若每入射N个光子会产生1个光电子，所有的光电子都能到达A，求回路的电流强度I。
解析　(1)根据光电效应方程有hν－W0＝Ek0逸出的电子在电场中加速向A运动，根据动能定理有Ue＝Ekm－Ek0联立解得Ekm＝Ue＋hν－W0。