(新高考)高考物理一轮复习课时练习第13章第1讲《光电效应波粒二象性》(含解析)

课程标准内容及要求核心素养及关键能力核心素养关键能力1.了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。模型构建物理建模能力2.了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。物理规律理解能力3.了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护。物理规律理解能力4.认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。科学推理分析计算能力5.通过实验，了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。物理规律分析计算能力6.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。第1讲光电效应波粒二象性一、光电效应及其规律1.光电效应现象照射到金属表面的光，能使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.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.光电效应规律(1)每种金属都有一个截止频率，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，一般不超过10－9s。(4)当入射光的频率大于截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。【自测1】(2020·河南南阳市上学期期末)用光电管进行光电效应实验中，分别用频率不同的单色光照射到同种金属上。下列说法正确的是()A.频率较小的入射光，需要经过足够长的时间照射才能发生光电效应B.入射光的频率越大，极限频率就越大C.入射光的频率越大，遏止电压就越大D.入射光的强度越大，光电子的最大初动能就越大答案C解析只要入射光的频率低于金属的极限频率，无论时间多长，入射光的强度多大，都不会发生光电效应，故A错误；金属材料的性质决定金属的逸出功，而逸出功决定极限频率，与入射光的频率无关，故B错误；根据eUc＝hν－W0可知，入射光的频率越大，遏止电压就越大，故C正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，可知光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大，与光照强度无关，故D错误。二、爱因斯坦光电效应方程1.光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝hν。2.逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值。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.光电效应方程(1)表达式：hν＝Ek＋W0或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电子的最大初动能。【自测2】(2020·福建南平市第一次质检)单色光B的频率为单色光A的两倍，用单色光A照射到某金属表面时，从金属表面逸出的光电子最大初动能为E1。用单色光B照射该金属表面时，逸出的光电子最大初动能为E2，则该金属的逸出功为()A.E2－E1 B.E2－2E1C.2E1－E2 D.eq\f(E1＋E2,2)答案B解析根据光电效应方程，用单色光A照射到某金属表面时，E1＝hν－W逸出功用单色光B照射到某金属表面时，E2＝h·2ν－W逸出功解得W逸出功＝E2－2E1，故B项正确。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，即光具有波粒二象性。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。【自测3】(多选)下列说法中正确的是()A.光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说B.在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方C.光的双缝干涉实验中，大量光子打在光屏上的落点是有规律的，暗纹处落下光子的概率小D.单个光子表现出粒子性，大量光子表现出波动性答案CD命题点一光电效应现象和方程的应用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。2.两条对应关系(1)光的强度大→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→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。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＝hνc。【例1】(2020·山东潍坊市第二次高考模拟)如图1所示，分别用频率为ν、2ν的光照射某光电管，对应的遏止电压之比为1∶3，普朗克常量用h表示，则()图1A.用频率为eq\f(1,3)ν的光照射该光电管时有光电子逸出B.该光电管的逸出功为eq\f(1,2)hνC.用2ν的光照射时逸出光电子的初动能一定大D.加正向电压时，用2ν的光照射时饱和光电流一定大答案B解析根据光电效应方程eUc1＝hν－W0，eUc2＝h·2ν－W0，eq\f(Uc1,Uc2)＝eq\f(1,3)，联立解得W0＝eq\f(1,2)hν，频率为eq\f(1,3)ν的单色光光子能量h·eq\f(1,3)ν＜W0，故用频率为eq\f(1,3)ν的光照射该光电管时不能发生光电效应，即无光电子逸出，故A错误，B正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光子频率越大，光电子的最大初动能越大，但是逸出光电子的初动能小于等于最大初动能，所以用2ν的光照射时逸出光电子的最大初动能一定大，但初动能不一定大，故C错误；在发生光电效应的前提下，饱和光电流的强度只与光照强度有关，电压只是增加光电子的动能，增大电流。到达一定程度之后肯定要受到光电子数量的约束，电流不再增大，故D错误。【变式1】(2020·四川泸州市二诊)如图2所示为光电效应实验装置图。实验中用a光照射光电管时，灵敏电流计有示数；而用b光照射光电管时，灵敏电流计没有示数。则下列说法中正确的是()图2A.a光频率大于b光频率B.若增加b光的照射时间，灵敏电流计将会有示数C.若增大b光的光照强度，灵敏电流计将会有示数D.用b光照射时，适当增大电源的输出电压，灵敏电流计将会有示数答案A解析实验中用a光照射光电管时，灵敏电流计有示数，说明能够发生光电效应；而用b光照射光电管时，灵敏电流计没有示数，说明不能发生光电效应，可知a光频率大于b光频率，选项A正确；根据光电效应的规律可知，若增加b光的照射时间以及增加b光的光照强度，都不能发生光电效应，则灵敏电流计都不会有示数，选项B、C错误；用b光照射时不能发生光电效应，即使适当增大电源的输出电压，也不会发生光电效应，灵敏电流计也不会有示数，选项D错误。【例2】(2020·山东省等级考试模拟卷)如图3所示，有一束单色光入射到极限频率为ν0的金属板K上，具有最大初动能的某出射电子，沿垂直于平行板电容器极板的方向，从左侧极板上的小孔入射到两极板间的匀强电场后，到达右侧极板时速度刚好为零。已知电容器的电容为C，带电荷量为Q，极板间距为d，普朗克常量为h，电子电荷量的绝对值为e，不计电子的重力。关于电容器右侧极板的带电情况和入射光的频率ν，以下判断正确的是()图3A.带正电，ν0＋eq\f(Qe,Ch) B.带正电，ν0＋eq\f(Qe,Chd)C.带负电，ν0＋eq\f(Qe,Ch) D.带负电，ν0＋eq\f(Qe,Chd)答案C解析电子在电容器里做减速运动，所以受到向左的电场力的作用，所以场强方向向右，电容器右侧极板带负电。一束单色光入射到极限频率为ν0的金属板K上，射出电子的最大初动能为Ek，则hν－W0＝Ek，hν0＝W0，电子在电容器中减速运动，由动能定理得－eU＝0－Ek，电容器两极板间的电势差为U＝eq\f(Q,C)，根据以上各式，解得ν＝ν0＋eq\f(Qe,Ch)，故选项C正确，A、B、D错误。【变式2】(2018·全国卷Ⅱ，17)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J。已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.1×1014Hz B.8×1014HzC.2×1015Hz D.8×1015Hz答案B解析根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0＝heq\f(c,λ)－hν0，代入数据解得ν0≈8×1014Hz，B正确。【变式3】(多选)(2017·全国卷Ⅲ，19)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Ua＜UbB.若νa＞νb，则一定有Eka＞EkbC.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb答案BC解析由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0，由动能定理得Ek＝eU，若分别用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同。当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故选项D错误。命题点二光电效应的图像图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h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：图线与横轴的交点的横坐标②饱和光电流Im1、Im2：光电流的最大值③最大初动能：Ek＝eUc光的颜色不同时，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＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①极限频率νc：图线与横轴的交点的横坐标值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(注：此时光电管两极之间接反向电压)【例3】(2020·山东省等级考试第二次模拟卷)如图4甲为光电效应实验的电路图，利用不同频率的光进行光电效应实验，测得光电管两极间所加电压U与光电流I的关系如图乙中a、b、c、d四条曲线所示。用νa、νb、νc、νd表示四种光的频率，下列判断正确的是()图4A.νb＞νc＞νd＞νa B.νd＞νb＞νc＞νaC.νd＞νc＞νb＞νa D.νa＞νc＞νb＞νd答案A解析当光电管两极间所加电压为遏止电压时即光电子达到阳极的动能为0，由动能定理得eUc＝Ek，由爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W0，联立得ν＝eq\f(eUc＋W0,h)，由图乙可知Ucb＞Ucc＞Ucd＞Uca，则νb＞νc＞νd＞νa，故A正确，B、C、D错误。【变式4】(多选)(2020·江苏泰州市5月第二次模拟)图5甲是光电效应的实验装置图，图乙是通过改变电源极性得到的光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像，下列说法正确的有()图5A.由图甲可知，闭合开关，电子飞到阳极A的动能比其逸出阴极K表面时的动能小B.由图甲可知，闭合开关，向右移动滑动变阻器滑片，当电压表示数增大到某一值后，电流表的读数将不再增大C.由图乙可知，③光子的频率小于①光子的频率D.由图乙可知，①②是同种颜色的光，①的光强比②的大答案BD解析图甲所示光电管中的电场方向水平向右，电子从金属板逸出后，受到的电场力水平向左，电子做加速运动，所以电子飞到阳极A的动能比其逸出阴极K表面时的动能大，A错误；向右移动滑动变阻器滑片，光电管中电压增大，当光电管中的电流达到饱和光电流时，电流表示数将不再增大，B正确；根据光电效应方程hν＝W0＋Ek，结合遏止电压eUc＝Ek，整理得Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，③遏止电压大于①的遏止电压，所以③光子的频率大于①光子的频率，C错误；①②遏止电压相同，①②光的频率相同，所以①②是同种颜色的光，①的饱和光电流大于②的饱和光电流，①的光强比②的大，D正确。【变式5】(多选)(2020·辽宁营口市下学期3月考)某同学在研究某金属的光电效应现象时，发现该金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图6所示。若图线在横、纵坐标轴上的截距分别为a和－b，已知电子所带电荷量为e，由图线可以得到()图6A.该金属的逸出功为零B.普朗克常量为eq\f(b,a)，单位为J·HzC.当入射光的频率为2a时，逸出光电子的最大初动能为bD.当入射光的频率为3a时，遏止电压为eq\f(2b,e)答案CD解析根据光电效应方程Ek＝hν－W0，横截距表示该金属的截止频率，可知该金属的逸出功不为零，故A错误；图线的斜率k＝eq\f(b,a)表示普朗克常量，单位为J/Hz，故B错误；由图可知W0＝b，ha＝W0,则当入射光的频率为2a时，逸出光电子的最大初动能为Ek＝h·2a－W0＝b，选项C正确；当入射光的频率为3a时，则Ek＝h·3a－W0＝2b，由eU遏＝Ek可得U遏＝eq\f(2b,e)，选项D正确。命题点三光的波粒二象性和物质波1.从数量上看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。2.从频率上看频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象。3.从传播与作用上看光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。4.波动性与粒子性的统一由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝eq\f(h,λ)也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有描述波动性的物理量——频率ν和波长λ。【例4】(2020·7月浙江选考，5)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答案D解析由德布罗意波长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hν0＝W0，只与金属的逸出功W0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。【变式6】(2020·北京市第13中学开学测试)a、b两束单色光分别用同一双缝干涉装置进行实验，在距双缝恒定距离的屏上得到如图所示的干涉图样，图7甲是a光照射时形成的干涉图样，图乙是b光照射时形成的干涉图样。下列关于a、b两束单色光的说法正确的是()图7A.a光子的能量较大B.在水中a光传播的速度较小C.若用b光照射某金属没有光电子逸出，则a光照射该金属时也没有光电子逸出D.若a光是氢原子的核外电子从第三能级向第二能级跃迁时产生的，则b光可能是氢原子的核外电子从第四能级向第三能级跃迁时产生的答案C解析根据Δx＝eq\f(l,d)λ得，a光的干涉条纹间距大于b光的干涉条纹间距，所以a光的波长大于b光的波长，根据c＝λν知，a光的频率小于b光的频率，根据E＝hν，可知b光的光子能量大，故A错误；a光的折射率小于b光的折射率，根据v＝eq\f(c,n)可知，a光在水中的传播速度大，故B错误；若用b光照射某金属没有光电子逸出，因为a光的频率小于b光的频率，所以用a光照射该金属时也没有光电子逸出，故C正确；因为b光的能量大于a光的能量，氢原子的核外电子从第四能级向第三能级跃迁时产生的光子能量小于核外电子从第三能级向第二能级跃迁时产生的光子能量，故D错误。【变式7】(多选)(2020·四川凉山州第二次诊断)下列说法中正确的有()A.光在介质中的速度小于光在真空中的速度B.紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射C.光的偏振现象说明光是纵波D.由红光和绿光组成的一细光束从水中射向空气，在不断增大入射角时水面上首先消失的是绿光答案AD解析依据v＝eq\f(c,n)可知，光在介质中的速度小于在真空中的速度，故A正确；紫外线比紫光的波长短，更不容易发生衍射，而对于干涉只要频率相同、相位差恒定即可发生，故B错误；光的偏振现象说明光是横波，而不是纵波，故C错误；绿光的折射率大于红光的折射率，由临界角公式sinC＝eq\f(1,n)知，绿光的临界角小于红光的临界角，当光从水中射向空气，在不断增大入射角时，在水面上绿光先发生全反射，从水面上先消失，故D正确。课时限时练(限时：20分钟)对点练1光电效应现象和方程的应用1.(2020·山东泰安市4月多校联考)如图1所示为研究光电效应的装置，金属板K所用材料为铝，已知铝的逸出功为4.2eV，以下分析正确的是()图1A.只要照射时间长一些，入射光光子能量小于4.2eV时，也能发生光电效应B.若入射光光子能量大于逸出功，即使光的强度很弱，也能发生光电效应C.发生光电效应时，遏止电压与入射光的频率成正比D.研究饱和光电流和遏止电压时，电源的极性相同答案B解析能否发生光电效应不取决于光的强度，而取决于光的频率，若入射光光子能量大于逸出功则能发生光电效应，若小于逸出功则不能发生光电效应。发生光电效应后，光强的大小影响光电流的大小，选项A错误，B正确；由光电效应方程知，遏止电压与入射光的频率为一次函数关系，不是成正比，选项C错误；研究饱和光电流时A板为收集电子的板，光电管中的电场方向为A→K板，研究遏止电压时电场阻碍电子运动，光电管中的电场方向为K→A板，即研究饱和光电流和遏止电压时，电源的极性相反，选项D错误。2.(2020·湖北七市州教科研协作体5月联考)在探究光电效应现象时，某小组的同学使用频率为ν的单色光照射某金属时，逸出的光电子最大初动能为Ek，已知普朗克常量为h，则()A.用频率为eq\f(ν,2)的单色光照射该金属时有可能发生光电效应B.用频率为2ν的单色光照射该金属时逸出的光电子最大初动能等于2EkC.该金属的逸出功为hνD.若增加该光的强度，则逸出的光电子最大初动能增大答案A解析因为使用频率为ν的单色光照射某金属时能发生光电效应，则用频率为eq\f(ν,2)的单色光照射该金属时有可能发生光电效应，选项A正确；根据光电效应方程，用频率为ν的单色光照射某金属时，有Ek＝hν－W逸出功，用频率为2ν的单色光照射该金属时，有Ek′＝2hν－W逸出功，可知用频率为2ν的单色光照射该金属时，逸出的光电子最大初动能不等于2Ek，选项B错误；根据Ek＝hν－W逸出功可知，该金属的逸出功小于hν，选项C错误；逸出光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与光强无关，选项D错误。3.[2020·天津市等级考模拟(一)]频率为ν的入射光照射某金属时发生光电效应现象。已知该金属的逸出功为W，普朗克常量为h，电子电荷量大小为e，下列说法正确的是()A.该金属的截止频率为eq\f(h,W)B.该金属的遏止电压为eq\f(hν－W,e)C.增大入射光的强度，单位时间内发射的光电子数不变D.增大入射光的频率，光电子的最大初动能不变答案B解析金属的逸出功为W＝hν0，即金属的截止频率为ν0＝eq\f(W,h)，所以A错误；使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压，为Uc＝eq\f(Ek,e)，再根据爱因斯坦的光电效应方程，可得光电子的最大初动能为Ek＝hν－W，所以该金属的遏止电压为Uc＝eq\f(hν－W,e)，所以B正确；增大入射光的强度，单位时间内照射到金属上的光子数目会增大，发生了光电效应后，单位时间内发射的光电子数将增大，所以C错误；由爱因斯坦的光电效应方程可知，增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大，所以D错误。对点练2光电效应图像的理解和应用4.(2020·广东广州市下学期一模)光电效应实验，得到光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图2所示。普朗克常量、金属材料的逸出功分别为()图2A.eq\f(b,a)，b B.eq\f(b,a)，eq\f(1,b)C.eq\f(a,b)，b D.eq\f(a,b)，eq\f(1,b)答案A解析根据Ek＝hν－W0得纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，即W0＝b，图线的斜率k＝h＝eq\f(b,a)，故A正确，B、C、D错误。5.(2020·河南洛阳市一模)如图3所示为用某金属研究光电效应规律得到的光电流随电压变化关系的图像，用单色光1和单色光2分别照射该金属时，逸出的光电子的最大初动能分别为Ek1和Ek2，普朗克常量为h，则下列说法正确的是()图3A.Ek1＞Ek2B.单色光1的频率比单色光2的频率高C.增大单色光1的强度，其遏止电压会增大D.单色光1和单色光2的频率之差为eq\f(Ek1－Ek2,h)答案D解析由于Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2，且Uc1＜Uc2，所以Ek1＜Ek2，选项A错误；由Ek＝hν－W0可知ν＝eq\f(eUc＋W0,h)，所以单色光1的频率比单色光2的频率低，选项B错误；只增大照射光的强度，光电子的最大初动能不变，因此遏止电压不变，选项C错误；Ek1＝hν1－W0，Ek2＝hν2－W0，得ν1－ν2＝eq\f(Ek1－Ek2,h)，选项D正确。对点练3光的波粒二象性和物质波6.(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，它们的德布罗意波的波长也相等答案AB7.下列说法正确的是()A.铀核发生α衰变时，释放出α粒子和一定的能量，目前核电站就是利用铀核发生α衰变时释放的能量B.如果利用紫光照射