适用于新高考新教材广西专版2024届高考物理一轮总复习第15章近代物理第1节光电效应波粒二象性课件

第1节光电效应波粒二象性第十五章内容索引0102强基础增分策略增素能精准突破【课程标准】

1.通过实验,了解光电效应现象。能根据实验结论说明光的波粒二象性。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。2.知道实物粒子具有波动性,了解微观世界的量子化现象。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。3.了解人类探索原子结构的历史。知道原子核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构。4.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数守恒写出核反应方程。5.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。6.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【核心素养】

【试题情境】

生活实践类霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等学习探索类光电效应现象、爱因斯坦光电效应方程及其意义、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、原子核的组成、核反应方程、放射性和原子核衰变、半衰期及其统计意义、放射性同位素的应用、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等【考向预测】

本章内容属于高考考查的热点,题型一般为选择题,可能与其他知识结合出计算题。考查的具体内容主要包括以下几点:①原子的能级跃迁;②原子核的衰变规律;③核反应方程的书写;④质量亏损和核能的计算;⑤三种射线的特点及应用;⑥光电效应的规律及应用等。还要注意学科内的综合问题,比如光电效应与带电粒子在电场和磁场中运动的综合,核反应与动量的综合等强基础增分策略一、光电效应

不是特指可见光,也包括不可见光1.定义:在光的照射下,金属中的

从表面逸出的现象(逸出的电子称为光电子)。

2.产生条件:入射光的频率

截止频率。

电子大于或等于3.光电效应规律(1)存在着饱和电流:对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数

。

(2)存在着遏止电压和截止频率:光电子的能量只与入射光的

有关,而与入射光的

无关。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。

(3)光电效应具有瞬时性:当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,在照到金属时会立即产生光电流,即光电效应几乎是瞬时发生的。越多频率强弱二、光子说及光电效应方程1.光子说空间传播的光是一份一份的,每一份叫一个光子,一个光子的能量为E=hν,其中h=6.63×10-34J·s,称为普朗克常量。2.光电效应方程(1)表达式:光电子的最大初动能Ek与入射光光子的能量hν和逸出功W0之间的关系:Ek=

。其

中逸出功是指使某种金属原子中的电子脱离金属所做功的

。

(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的

,剩下的表现为逸出电子的

。

由金属本身决定,与入射光无关

hν-W0

最小值逸出功初动能三、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

性。

(2)光电效应说明光具有

性。

(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的

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

的地方,暗条纹是光子到达概率

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=

,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。

波动粒子波粒二象大小易错辨析

(1)只要光照射的时间足够长,任何金属都能发生光电效应。(

)(2)光电子就是光子。(

)(3)截止频率越大的金属材料逸出功越大。(

)(4)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小。(

)(5)入射光的频率越大,逸出功越大。(

)××√××应用提升1.(2022河南许昌期末)从古代的微粒说到托马斯·杨和菲涅耳的光的波动说,从麦克斯韦的光的电磁理论到爱因斯坦的光子理论,人类对光的认识构成了一部科学史诗。已知普朗克常量为h,光在真空中的速度、频率和波长分别为c、ν和λ。根据爱因斯坦的光子理论,光子能量E等于(

)答案

B

2.光电管的原理图如图所示,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.若减小入射光强度,电路中可能没有光电流B.若增加电路中电源电压,电路中光电流可能先增大后不变C.若将电源极性反接,电路中一定没有光电流产生D.若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K,电路中一定没有光电流答案

B解析

题目中说明已经发生了光电效应,减小入射光强度,光电流减小,不可能没有,选项A错误;增加电路中电源电压,电路中光电流增大,当达到饱和电流时光电流不再变化,选项B正确;若将电源极性反接,电路中不一定没有光电流,只有当U>Uc时才遏止住最大初动能的光电子,没有电流产生,所以C错误;当λ1>λ0时,可能入射光频率仍然大于截止频率,还可以发生光电效应,所以D错误。3.(多选)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,已知紫外线的频率大于锌的截止频率,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.锌板带负电答案

BC4.(2022江苏无锡期中)下列实验中,深入地揭示了光的粒子性的是(

)答案

A

解析

X射线被石墨散射后部分波长变长(即康普顿效应),说明光子具有动量,深入地揭示了光的粒子性,故A正确;阴极射线通过多晶薄膜后得到的衍射图样,说明电子具有波动性,故B错误;轰击金箔的α粒子中有少数发生较大偏转,说明占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围,进而揭示了原子具有核式结构,故C错误;氢原子发射的光经三棱镜分光后,呈现线状谱,揭示了氢原子具有分立能级的特征,故D错误。5.(人教版教材选择性必修第三册P77习题改编)铝的逸出功是4.2eV,现在将波长为200nm的光照射铝的表面(结果保留一位小数)。(1)求光电子的最大初动能。(2)求遏止电压。答案

(1)2.0eV

(2)2.0V解析

(1)Ek=-W0=2.0

eV。(2)由-eUc=0-Ek,解得Uc=2.0

V。增素能精准突破考点一光电效应规律的理解及应用[师生共研]一、与光电效应有关的概念对比1.光子与光电子:光子不带电;光电子是光电效应时发射出来的电子,其本质是电子。2.光电子的初动能与光电子的最大初动能:光电子的初动能小于等于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。4.入射光强度与光子能量:入射光强度是指单位时间内照射到单位面积上的总能量,与光子的能量和单位时间内光子的数目有关。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。二、对光电效应规律的解释

实验规律理解存在截止频率νc电子从金属表面逸出,首先需要克服金属原子核的引力做功W0,要使入射光子能量不小于W0,对应的频率νc=,即截止频率光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大,与入射光强度无关电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能,对于确定的金属,W0是一定的,故光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大具有瞬时性光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要能量积累的过程入射光越强,饱和光电流越大入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,因而饱和光电流越大三、光电管上加正向与反向电压情况分析(1)光电管加正向电压时的情况①P右移时,参与导电的光电子数增加;②P移到某一位置时,所有逸出的光电子恰好都参与了导电,光电流恰好达到最大值;③P再右移时,光电流不再增大。(2)光电管加反向电压时的情况①P右移时,参与导电的光电子数减少;②P移到某一位置时,所有逸出的光电子恰好都不参与导电,光电流恰好为0,此时光电管两端加的电压为遏止电压;③P再右移时,光电流始终为0。【典例突破】典例1.如图所示,有一束单色光入射到截止频率为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,到达右侧极板时速度刚好为零。已知电容器的电容为C,所带电荷量为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(

)思维点拨

根据电容的定义式求出两板间电压

,电子在两板间运动时,根据动能定理得-eU=0-Ek,求出最大初动能。由W0=hν0计算出金属的逸出功,根据光电效应方程hν-W0=Ek求出入射光的频率。答案

C解析

电子在电容器里面减速运动,受到向左的电场力的作用,所以电场强度方向向右,电容器右侧的极板带负电。一束单色光入射到截止频率为ν0的金属板K上,射出电子的最大初动能为Ek,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=,根据以上各式,解得ν=ν0+,故选项C正确,选项A、B、D错误。考题点睛

考点考向点睛光电效应光电效应方程规律:正确理解光电效应中的能量关系和光子、截止频率、逸出功等概念是解决问题的关键方法:据光电效应方程hν=W0+Ek及动能定理列方程分析素养点拨

解决本类问题主要是抓好两个过程,一个是电子从金属板逸出过程,根据光电效应方程列式,另一个是电子在两板间减速运动过程,根据动能定理列式。【对点演练】1.(2022北京昌平期末)激光制冷技术在很多领域得到了广泛的应用。由分子动理论可知,分子或原子运动越剧烈,物体温度越高。激光制冷的原理就是利用大量光子(光子说认为光是一份一份的,每一份为一个光子)阻碍原子运动,使其减速,从而降低物体的温度。如图所示,某时刻一个原子位于Oxyz坐标系的原点,两束完全相同的激光,沿x轴从相反的方向对原子进行照射。根据多普勒效应,当原子迎着光束的方向运动时,其接收到的光的频率会升高。当原子接收到的光的频率等于该原子的固有频率时,原子吸收光子的概率最大。下列说法正确的是(

)A.为使原子减速,所用激光的频率应等于原子的固有频率B.为使原子减速,所用激光的频率应大于原子的固有频率C.假设原子可以吸收光子,当原子向x轴正方向运动时,a激光可使原子减速D.假设原子可以吸收光子,当原子向x轴负方向运动时,a激光可使原子减速答案

D

解析

原子向着激光束运动时,由于多普勒效应,光子的频率增加,而原来激光的光子的频率刚好是略小于原子可吸收的频率,此时由于多普勒效应使得原子接收到的光的频率等于该原子的固有频率,刚好被原子吸收,原子发生跃迁,由于原子与激光束是相向运动的,原子的动量减小,动能减小,达到原子减速的目的,故A、B错误;当原子向x轴正方向运动时,a激光的光子与原子碰撞之后,使原子跃迁,原子动量增大,动能增大,可使原子加速,故C错误;当原子向x轴负方向运动时,a激光的光子与原子碰撞之后,使原子跃迁,原子动量减小,动能减小,可使原子减速,故D正确。2.(2022广西河池期末)如图所示,用一单色光照射光电管的阴极K,金属材料K的逸出功为W0。调节滑动变阻器的滑片P,当灵敏电流计的示数恰好为零时,电压表的示数为U。已知电子电荷量为e,普朗克常量为h,光在真空中的传播速度为c,则该单色光的波长为(

)答案

A

解析

由爱因斯坦光电效应方程得Ekm=hν-W0,又Ekm=eU,c=νλ,3.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I。答案

(1)Ue+hν-W0

(2)解析

(1)根据光电效应方程可知hν-W0=Ek0逸出的光电子在电场中加速向A运动,根据动能定理有eU=Ekm-Ek0联立解得Ekm=eU+hν-W0。考点二光电效应四类图像问题[名师破题]四类图像

【典例突破】典例2.如图甲所示是研究光电效应的电路图。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间的电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图乙所示。则下列说法正确的是(

)A.甲光照射光电管发出光电子的初动能一定小于丙光照射光电管发出光电子的初动能B.单位时间内甲光照射光电管发出的光电子数比乙光的少C.用强度相同的甲、丙光照射该光电管,则单位时间内逸出的光电子数相等D.对于不同种金属,若照射光频率不变,则逸出光电子的最大初动能与金属的逸出功为线性关系审题指导

关键词句获取信息甲光、乙光对应的遏止电压Uc1相同,与丙光对应的遏止电压Uc2不同,说明甲、乙光对应光电子最大初动能相同,而丙光对应光电子最大初动能与甲、乙光不同;甲、乙光对应饱和光电流不同,说明入射光强度不同用强度相同的甲、丙光照射该光电管光强度相同是单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,不同频率的光单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数不同对于不同种金属,若照射光频率不变不同金属的逸出功不同;若照射光频率不变,则光子的能量hν不变答案

D解析

当光照射到K极时,如果入射光的频率足够大(大于K极金属的截止频率),就会从K极发出光电子。当反向电压增加到某一值时,电流表A中电流就会变为零,此时

,式中vc表示光电子的最大初速度,e为电子的电荷量,Uc为遏止电压,由题图乙可知丙光的最大初动能较大,故丙光的频率较大,但丙光照射光电管发出光电子的初动能不一定比甲光照射光电管发出光电子的初动能大,所以A错误。对于甲、乙两束频率相同的光来说,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,所以B错误。对甲、丙两束不同频率的光来说,光强度相同是单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,由于丙光的光子频率较高,每个光子的能量较大,所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数就较少,所以单位时间内发出的光电子数就较少,因此C错误。对于不同金属,若照射光频率不变,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,知Ek与金属的逸出功为线性关系,D正确。考题点睛

考点考向点睛光电效应光电效应方程及图像规律:明确光强度、饱和电流、逸出功、最大初动能、遏止电压等概念及它们间的制约关系方法:由hν=W0+Ek和eUc=Ekm结合光电流决定因素分析素养点拨

解答光电效应有关图像问题的三个关键点(1)明确图像的种类。(2)弄清图线的纵轴、横轴截距的物理意义。(3)选准光电效应的有关方程。【对点演练】4.(多选)用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流与入射光的强弱、频率等物理量的关系。图中A、K两极间的电压大小可调,电源的正负极也可以对调,分别用a、b、c三束单色光照射,调节A、K间的电压U,得到光电流I与电压U的关系如图乙所示。则(

)A.由欧姆定律可知,图甲中电压表的示数为零时,电流表的示数也为零B.描绘图乙纵轴右侧部分的图像时,直流电源的左侧为正极C.单色光a和c的频率相同,a光的强度比c光的大,b光的频率最大D.若用a、b两束单色光分别照射某种金属,若b光恰能使该金属发生光电效应,则a光一定不能使该金属发生光电效应答案

CD解析

由题图乙可知,电压表示数为零时,仍有光电流,因为光电子有初动能,A项错误;描绘题图乙纵轴右侧部分的图像时,光电管两侧应加正向电压,直流电源的右侧为正极,B项错误;根据入射光的频率越大,对应的遏止电压越大,知b光的频率最大,a光、c光的遏止电压相等,a光对应的光电流大,因此a光子数多,那么a光的强度较强,C项正确;发生光电效应,入射光的频率必须大于金属的截止频率,因为a光的频率小于b光的频率,b光恰能使该金属发生光电效应,则a光一定不能使该金属发生光电效应,D项正确。5.用金属钙做光电效应实验时,得到的光电子的最大初动能Ekm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Ekm-ν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(

)金属钨钙钠截止频率ν0/(1014

Hz)10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金属钨做实验,得到的Ekm-ν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Ekm-ν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Ekm-ν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Ekm-ν图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2<Ek1答案

D解析

根据爱因斯坦光电效应方程hν-W0=Ekm,整理得Ekm=hν-W0,Ekm-ν图线的斜率等于普朗克常量h,因此各种不同金属的Ekm-ν图线的斜率相同,A、B错误;Ekm-ν图线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。6.(2022河北卷)下图是密立根