江苏版2023版高三一轮总复习物理第15章第1节光电效应波粒二象性

[高考备考指南]知能模块考点内容高考(江苏卷)五年命题情况对照分析20172018201920202021适应性2021命题分析第1节光电效应波粒二象性普朗克黑体辐射T12：德布罗意波T12：光电效应规律、光子的动量T12：能量子T12：黑体辐射、原子跃迁、动量守恒T14：光电效应T9：光电效应高考命题有选择题、填空题、计算题。命题热点为光电效应规律、原子跃迁、原子核的衰变规律、核反应方程及核能的计算。光电效应粒子的波动性第2节原子结构和原子核原子的核式结构模型T12：结合能T12：半衰期T12：核反应方程、核聚变T12：原子跃迁T3：核反应方程氢原子光谱和玻尔的原子模型原子核的组成放射元素的衰变核力和结合能核裂变和核聚变核心素养物理观念：光电效应、氢原子光谱、原子跃迁、核能、质能方程。科学思维：光电管、核能的计算方法。科学探究：通过实验，了解光电效应现象。科学态度与责任：光谱分析、射线的应用、核电站。光电效应波粒二象性一、黑体辐射与能量子1．热辐射(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的温度不同而有所不同。2．黑体与黑体辐射(1)黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体。(2)黑体辐射：辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，如图所示。3．普朗克能量子假说当带电微粒辐射或吸收能量时，是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个最小能量值ε叫作能量子，ε＝hν。二、光电效应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，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子。2．光电效应的产生条件入射光的频率大于或等于金属的截止频率。3．光电效应的四个规律(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截止频率才能产生光电效应。(2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的。(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大。(4)当入射光的频率大于或等于截止频率时，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。4．遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc。(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。三、爱因斯坦光电效应方程1．光子说在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s(称为普朗克常量)。2．逸出功W0使电子脱离某种金属所做功的最小值。3．最大初动能发生光电效应时，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。4．爱因斯坦光电效应方程(1)表达式：Ek＝hν－W0。(2)物理意义：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)mev2。四、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守波动规律的表现，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。一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)光子说中的光子，指的是光电子。 (×)(2)只要光足够强，照射时间足够长，就一定能发生光电效应。 (×)(3)极限频率越大的金属材料逸出功越大。 (√)(4)原子中绝大部分是空的，原子核很小。 (√)(5)核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。 (√)(6)在玻尔模型中，原子的状态是不连续的。 (√)二、教材习题衍生1．(黑体辐射的理解)关于热辐射，下列说法中正确的是()A．一般物体的热辐射强度只与物体的温度有关B．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，所以黑体一定是黑的C．一定温度下，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值D．温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长增大的方向移动C[一般物体的热辐射强度与温度有关之外，还与材料，表面状态等因素有关，故A错误；如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。但黑体可以向外辐射，不能说颜色是黑色的，故B错误；根据黑体辐射实验规律可得黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，故C正确；根据黑体辐射实验规律，黑体热辐射强度的极大值随温度的升高向波长较小的方向移动，故D错误。]2．(光电效应及其规律)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．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D．遏止电压的大小与入射光的频率成正比，与入射光的光强无关A[根据光电效应实验得出的结论：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，故A正确，B错误；遏止电压的大小与入射光的频率有关但不成正比，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若低于截止频率，则没有光电流产生，故C、D错误。]3．(光的波粒二象性与物质波)(2020·浙江卷)下列说法正确的是()A．质子的德布罗意波长与其动能成正比B．天然放射的三种射线，穿透能力最强的是α射线C．光电效应实验中的截止频率与入射光的频率有关D．电子束穿过铝箔后的衍射图样说明电子具有波动性D[由德布罗意波长λ＝eq\f(h,p)可知，质子的波长与动量成反比，而动量与动能关系为p＝eq\r(2mEk)，所以A项错误；天然放射的三种射线，穿透能力最强的是γ射线，B项错误；光电效应实验中的截止频率是指使金属恰好发生光电效应时入射光的频率，即hν＝W，只与金属的逸出功W有关，C项错误；衍射是波的特性，所以电子束穿过铝箔的衍射图样说明电子具有波动性，D项正确。]黑体辐射与能量子1．(黑体辐射规律的理解)黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知，下列说法错误的是()A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动B[黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，故A正确，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，反之，随着温度的降低，黑体辐射强度的极大值向波长较长的方向移动，故C、D正确。]2．(黑体辐射规律的应用)(2020·江苏卷)“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B[若人体温度升高，则人体的热辐射强度I变大，由ε＝hν，故对应的频率ν变大，由c＝λν知对应的波长λ变小，选项B正确。]3．(能量量子化的计算)(2019·江苏卷)在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ＝6.4×10－7m，每个激光脉冲的能量E＝1.5×10－2J。求每个脉冲中的光子数目。(已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3×108m[解析]光子能量ε＝eq\f(hc,λ)光子数目n＝eq\f(E,ε)代入数据得n≈5×1016。[答案]5×10161．黑体辐射的实验规律(1)对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。(2)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。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，如图。2．能量子(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。(3)发光功率与单个光子能量的关系：发光功率P＝n·ε，其中n为单位时间发出的光子数目，ε为单个光子的能量。光电效应规律和光电效应方程的应用1．(光电效应的产生条件)如图所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K上时，电路中有光电流，则()A．若仅增大光照强度，电路中光电流一定增大B．若仅将电源极性反接，电路中一定没有光电流C．若仅换用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流D．若仅将电路中滑动变阻器的滑片向右滑动，电路中光电流一定增大A[题图中光电管加的是正向电压，若仅增大光照强度，电路中光电流一定增大，故A正确；若将电源极性反接，其电压值小于截止电压时仍有电流，故B错误；由题意，入射光的波长为λ0时，能发生光电效应，若换用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，入射光的频率减小，仍然可能发生光电效应，电路中可能有光电流，故C错误；若仅将电路中滑动变阻器的滑片向右滑动，光电管两端电压增大，如果已经达到饱和光电流，则光电流不会增大，故D错误。]2．(光电效应现象的理解)用如图所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转。而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，那么()A．a光的波长一定大于b光的波长B．增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转C．用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到cD．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大D[用一定频率的a单色光照射光电管时，电流计指针会发生偏转，知νa>ν0，a光的波长小于b光的波长，故A项错误；发生光电效应的条件：ν>ν0，增加b光的强度不能使电流计G的指针发生偏转，故B项错误；发生光电效应时，电子从光电管左端运动到右端，而电流的方向与电子定向移动的方向相反，所以流过电流计G的电流方向是c流向d，故C项错误；增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大，故D项正确。]3．(光电效应规律的研究)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10.5eV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6.0V；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4.5eVB．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12eV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9.5eV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D[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6.0V时，电流表示数为0，可知阴极K的遏止电压为6.0V，光电子点的最大初动能为6.0eV，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，W0＝10.5eV－6.0eV＝4.5eV，故A正确；现保持滑片P位置不变，增大光的强度时仍然发生了光电效应，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12eV的光照射阴极A，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9.5eV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6V，若把滑片P向左移动少许时，电子仍然可能不能到达K极，所以电流计的读数可能为零，故D错误。]1．对光电效应的四点提醒(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。2．两条分析线索(1)(2)3．定量分析时应抓住三个关系式(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＝hν0。4．区分光电效应中的三组概念(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。(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。光电效应的图像问题图像名称图线形状读取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线Ekm＝hν－hν0①截止频率(极限频率)：横轴截距②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h最大初动能Ek与电压U变化的关系图线Ekm＝eU＋hν－W逸出功①纵轴截距：hν－W逸出功②斜率：e遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线Uce＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W逸出功①截止频率νc：横轴截距②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压Uc：横轴截距②饱和光电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ekm＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2Uc­ν图像1．对于钠和钙两种金属，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图所示。用h、e分别表示普朗克常量和电子电荷量，则()A．钠的逸出功大于钙的逸出功B．图中直线的斜率为eq\f(h,e)C．在得到这两条直线时，必须保证入射光的光强相同D．若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较高B[根据Uce＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W逸出功，即Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W逸出功,e)，则由图像可知钠的逸出功小于钙的逸出功，选项A错误；图中直线的斜率为eq\f(h,e)，选项B正确；在得到这两条直线时，与入射光的强度无关，选项C错误；根据eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W逸出功，若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较低，选项D错误。]2．如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图像，则下列说法正确的是()A．图像的斜率为普朗克常量B．该金属的截止频率约为5.5×1014HzC．由图像可得该金属的逸出功为0.5eVD．由图像可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系D[根据光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，又Ekm＝eUc，解得Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)，可知图线的斜率k＝eq\f(h,e)，故A项错误；当遏止电压为零时，入射光的频率等于金属的截止频率，大约为4.2×1014Hz，故B项错误；图线的斜率k＝eq\f(h,e)，则逸出功W0＝hν0＝keν0＝eq\f(0.5,1.3×1014)×4.2×1014eV＝1.6eV，故C项错误；根据光电效应方程得，Ekm＝hν－W0，即eUc＝hν－W0，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，故D项正确。]Ek­U图像3．(2021·江苏卷)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()ABCDC[由光电效应方程：hν＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＋W0，又W0＝hν0，光电子到达A极板过程，由动能定理：eU＝Ekm－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)，联立知，光电子到达A板时动能的最大值Ekm＝eU＋hν－hν0，可见Ekm­U图像的斜率为e，纵截距为hν－hν0。由题知，1材料的截止频率小于2材料的截止频率，即ν1＜ν2，且入射光相同，则hν－hν1＞hν－hν2，可见用材料1和2进行光电效应实验得到的Ekm­U图线相互平行，且用材料1进行光电效应实验得到的Ekm­U图像的纵截距较大，故C正确，A、B、D错误。]Ek­ν图像4．用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)。下列说法正确的是()甲乙A．普朗克常量为h＝eq\f(a,b)B．断开开关S后，电流表G的示数不为零C．仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大D．保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变B[由Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h＝eq\f(b,a)，故A错误；断开开关S后，仍有光电子产生，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的光电子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。]I­U图像5．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()甲乙A．电压U增大，光电流I一定增大B．通过电流计G的电流方向由c到dC．用同频率的光照射K极，光电子的最大初动能与光的强弱有关D．光电管两端电压U为零时一定不发生光电效应B[由题图可知，该电压是正向电压，电子受到的电场力也增加，达到阳极的光电子数目增加，光电流增加；但当光电流达到饱和值时，它的大小就与电压的增加无关，故A错误；由题图甲可以看出，发生光电效应的光电子方向从d到c，因此通过电流计G的电流方向由c到d，故B正确；根据爱因斯坦光电方程Ekm＝hν－W可知，光电子的最大初动能只与频率有关，与光的强弱无关，故C错误；光电管两端电压U为零时，只要光的频率大于金属的极限频率，就有光电子从金属表面逸出，就能发生光电效应，故D错误。]光的波粒二象性物质波1．(波粒二象性的理解)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C[光既有波动性又有粒子性，故A项错误；光子不带电，没有静止质量，而电子带负电，有质量，故B项错误；光的波长越长，其波动性越