2025年物理新高考备考2025年（版）物理《三维设计》一轮总复习（提升版）第1讲　光电效应和波粒二象性

课标要求备考策略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。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数守恒写出核反应方程。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。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。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。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光电效应现象与光电效应方程的应用、原子核式结构、氢原子光谱规律、能级跃迁、核衰变与核反应方程、核能与爱因斯坦质能方程是近几年高考的命题热点。复习过程中加强对α粒子散射实验的理解，深刻理解氢原子的能级结构及光电效应方程；加强对核反应方程特别是衰变的理解；强化对核能、质能方程的理解和应用第1讲光电效应和波粒二象性考点一黑体辐射及实验规律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温度的不同而有所不同。2.黑体、黑体辐射的实验规律（1）黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。（2）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了与温度有关，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。3.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）。1.【黑体和黑体辐射】关于黑体与黑体辐射，下列说法正确的是（）A.一般物体辐射电磁波的情况与温度无关，只与材料的种类及表面情况有关B.黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，所以看起来是黑色的C.随着温度的升高，黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加D.黑体辐射随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动解析：C一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，也与材料的种类及表面情况有关，故A错误；黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，并不是看起来是黑色的，故B错误；随着温度的升高，黑体辐射电磁波的辐射强度将会增加，故C正确；黑体辐射随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故D错误。2.【黑体辐射的规律】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：C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表明，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。3.【能量子公式ε＝hν的应用】（2022·江苏高考4题）上海光源通过电子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后 （）A.频率减小 B.波长减小C.动量减小 D.速度减小解析：B根据ε＝hν可知光子的能量增加后，光子的频率增大，又根据λ＝cν可知光子波长减小，故A错误，B正确；根据p＝ℎλ可知光子的动量增大，但光子的速度始终不变，故C、考点二光电效应1.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，这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子。（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）光电效应规律①每种金属都有一个截止频率νc，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或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，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。2.爱因斯坦光电效应方程（1）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。（2）逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝hcλ（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。▢判断小题1.光子和光电子都不是实物粒子。 （×）2.只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应。 （×）3.要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于或等于该金属的逸出功。 （√）4.光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。 （×）1.光电效应的两条分析思路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与截止频率νc的关系：W0＝hνc。3.四点提醒（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。【例1】（2024·山西太原模拟）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照射阴极K，电流计G的指针发生偏转，那么 （）A.增加单色光a的强度一定能使电流计的指针发生偏转B.用单色光b照射时通过电流计的电流由d到cC.只增加单色光b的强度一定能使通过电流计的电流增大D.单色光a的波长一定小于单色光b的波长答案：C解析：用单色光a照射阴极K，电流计的指针不发生偏转，说明单色光a的频率小于阴极K的截止频率，增加单色光a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；只增加单色光b的强度可以使光电流增大，通过电流计的电流增大，故C正确；单色光b能使阴极K发生光电效应，说明单色光b的频率大于阴极K的截止频率，也就大于单色光a的频率，单色光b的波长一定小于单色光a的波长，故D错误。1.【光电效应的分析】1887年赫兹发现了光电效应现象；1905年爱因斯坦用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。现在利用光电效应原理制成的光电器件已经被广泛应用于生产、生活、军事等领域。用如图所示电路图研究光电效应，用频率为ν的单色光照射光电管，能发生光电效应现象，则 （）A.此电路可用于研究光电管的饱和电流B.用频率小于ν的单色光照射阴极K时，金属的截止频率不同C.增加入射光的强度，遏止电压Uc不变D.滑动变阻器滑片P从左端缓慢向右移动时，电流表示数逐渐增大解析：C此电路研究的是光电管的遏止电压，不可用于研究光电管的饱和电流，故A错误；金属的截止频率只与自身有关，与外界光照条件无关，故B错误；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故C正确；因光电管所加电压为反向电压，则滑片从左向右移动，电压变大，射到A极的电子变少，电流变小，电流表示数变小，故D错误。2.【光电效应方程的应用】某金属在一束单色光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能为Ek，已知该金属的逸出功为W0，普朗克常量为h。根据爱因斯坦的光电效应理论，该单色光的频率ν为 （）A.Ekℎ C.Ek－W解析：D根据爱因斯坦的光电效应方程可知hν＝W0＋Ek，解得该单色光的频率为ν＝W0＋Ek3.【光电效应规律的综合】如图所示，分别用波长为λ、2λ的光照射光电管的阴极K，对应的遏止电压之比为3∶1，则光电管的极限波长是 （）A.2λ B.3λC.4λ D.6λ解析：C根据eUc＝12mvm2＝ℎcλ－ℎcλ0，则eUc1＝ℎcλ－ℎcλ0，eUc2＝ℎc2λ－ℎcλ0，其中考点三光电效应中常见的四类图像图像名称图线形状获取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系①截止频率νc：图线与ν轴交点的横坐标②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝｜－E｜＝E③普朗克常量h：图线的斜率k＝h图像名称图线形状获取信息遏止电压Uc与入射光频率ν的关系①截止频率νc：图线与横轴的交点的横坐标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：此时两极之间接反向电压）图像名称图线形状获取信息颜色相同、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饱和电流：电流的最大值③最大初动能：Ek＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2Uc－ν图像【例2】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，如图所示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 （）A.钠的逸出功为hνcB.钠的截止频率为8.5×1014HzC.图中直线的斜率为普朗克常量hD.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比答案：A解析：根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc＝Ekm，根据光电效应方程有Ekm＝hν－W0，当Uc为0时，解得W0＝hνc，A正确；钠的截止频率为νc，根据题图可知，截止频率小于8.5×1014Hz，B错误；结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc＝ℎeν－W0e，可知图中直线的斜率表示ℎe，C错误；根据遏止电压与入射光的频率关系式可知，遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系，Ekm－U图像【例3】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（）答案：C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，则图像C正确，A、B、D错误。I－U图像【例4】研究光电效应的电路如图甲所示，用蓝光、较强的黄光和较弱的黄光分别照射密封真空管中的金属极板K，极板发射出的光电子在电路中形成的光电流I与A、K之间的电压U的关系图像如图乙所示。关于1、2、3三条曲线，下列说法正确的是（）A.2、3为用黄光照射时得到的曲线，曲线2对应的黄光较强B.1、3为用黄光照射时得到的曲线，曲线1对应的黄光较强C.当滑动变阻器的滑片在最左端时，电流表示数一定为零D.电压表示数越大，则光电流越大，截止频率越小答案：B解析：蓝光比黄光频率高，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，对逸出的光电子，根据动能定理可知Ek＝eUc，联立解得Uc＝ℎνe－W0e，因此蓝光的截止电压更高，2号曲线对应蓝光，1、3曲线对应黄光，而曲线1饱和电流较大，因此对应较强的黄光，曲线3对应较弱的黄光，故A错误，B正确；当滑动变阻器在最左端时，外接电压为零，此时光电效应产生的光电流不为零，电流表示数不为零，故C错误；当光电流达到饱和时，光电流的大小和光的强度有关，与外接电压无关，外接电压再增大时，光电流大小不变，考点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＝ℎp，p为运动物体的动量，h▢判断小题1.光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。 （√）2.法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性。 （√）1.【光和实物粒子的波粒二象性】图甲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。图乙是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（）A.图甲这些照片说明光只有粒子性没有波动性B.图甲这些照片说明光只有波动性没有粒子性C.图乙中该实验再次说明光子具有波动性D.图乙中该实验说明实物粒子具有波动性解析：D光具有波粒二象性，题图甲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；题图乙是电子束的衍射实验，证明实物粒子具有波动性，而不是光子具有波动性，故C错误，D正确。2.【物质波】已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，电子的质量为9.11×10－31kg，一个电子和一滴直径约为4μm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（已知油的密度ρ＝0.8×103kg/m3） （）A.10－8 B.106C.108 D.1016解析：C根据德布罗意波长公式λ＝ℎp，由p＝2mEk，解得λ＝ℎ2mEk。由题意可知，电子与油滴的动能相同，则其波长与质量的二次方根成反比，所以有λ电λ油＝m油m电，m油＝ρ·16πd3＝0.8×103×16×3.14×（4×10－6）3kg≈2.7×10－14kg，代入数据解得λ电λ3.【实物粒子的波粒二象性】（多选）电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10－23kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10－31kg，普朗克常量取6.6×10－34J·s，下列说法正确的是（）A.发射电子的动能约为8.0×10－15JB.发射电子的物质波波长约为5.5×10－11mC.只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉D.如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样解析：BD根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为Ek＝p22m＝（1.2×10－23）22×9.1×10－31J≈8.0×10－17J，故A错误；发射电子的物质波波长约为λ＝ℎp＝6.6×10－341.2×10跟踪训练·巩固提升1.赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接收电路的电极如果受到光照，就更容易产生电火花。此后许多物理学家相继证实了这一现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是 （）A.玻尔 B.康普顿C.爱因斯坦 D.德布罗意解析：C玻尔引入量子化的观念解释了氢原子光谱，与题意不符，A错误；康普顿提出康普顿效应，发现了光子不仅具有能量，还具有动量，证明了光具有粒子性，与题意不符，B错误；爱因斯坦提出光子说，从理论上解释了光电效应的实验现象，符合题意，C正确；德布罗意提出一切物质都具有波粒二象性，与题意不符，D错误。2.关于光的波粒二象性，下列说法正确的是 （）A.光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的B.光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C.大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D.由于光既具有波动性，又具有粒子性，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解析：D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、C错误；光是概率波，不同于机械波，光的粒子性也不同于质点，故B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。3.图示为黑体辐射的实验规律，关于黑体辐射以下叙述正确的是（）A.随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加B.随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加C.随温度升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动D.黑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解析：A根据题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，故A正确，B错误；随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故C错误；黑体辐射电磁波的情况只与温度有关，故D错误。4.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（）A.4NL2C.ηL2ℎν解析：A设天体发射频率为ν的光子功率为P，由题意可知Pt×πR24πL2×η＝Nhν，其中t＝1s，解得P5.（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解析：BC由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0，由动能定理得Ek＝eU，用单色光a、b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。6.（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 （）A.光的频率为cB.光子的能量为ℎC.光子的动量为ℎD.在时间t内激光器发射的光子数为Ptc解析：AC光的频率ν＝cλ，A正确；光子的能量E＝hν＝ℎcλ，B错误；光子的动量p＝ℎλ，C正确；在时间t内激光器发射的光子数n＝PtE＝7.（2024·山东威海模拟）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（）A.若入射光的频率为ν02，则光电子的最大初动能为B.普朗克常量为EC.该金属的逸出功随入射光的频率的增大而减小D.入射光的频率越高，单位时间内逸出的光电子数越多解析：B由题图可知，只有当入射光的频率大于截止频率ν0时，才会发生光电效应现象，故A错误；将光电效应方程Ek＝hν－W0与Ek－ν图像相结合，可知Ek－ν图像的斜率为普朗克常量h，即有h＝Eν0，故B正确；金属的逸出功是由金属本身决定的，与入射光频率无关，故C错误；入射光的频率与单位时间内逸出的光电子数无关，故8.（2024·江苏南通模拟）利用图甲所示的实验装置测量遏止电压U与入射光频率ν的关系。若某次实验中得到如图乙所示的U－ν图像。已知普朗克常量为h，则 （）A.电源的左端为正极B.K极金属的逸出功为hν1C.增大入射光的强度，遏止电压增大D.滑动变阻器滑片移至最左端，电流表示数为零解析：B测量遏止电压U与入射光频率ν的关系时，A、K之间应加反向电压，使光电子受到的电场力指向阴极，则A应与电源负极相连，所以电源的左端为负极，故A错误；由题图乙可知K极金属的截止频率为ν1，所以逸出功为W0＝hν1，故B正确；根据爱因斯坦光电效应方程和动能定理可得eUc＝Ek＝hν－W0，由上式可知遏止电压与入射光强度无关，与入射光频率有关，只有增大入射光频率时遏止电压才增大，故C错误；滑动变阻器滑片移至最左端，反向电压为零，光电子可以到达阳极形成光电流，电流表示数不为零，故D错误。9.用如图所示的实验装置研究光电效应现象。闭合开关S，用光子能量为2.75eV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头c，发现当电压表的示数大于或等于1.7V时，电流表示数为零，则在该实验中 （）A.光电子的最大初动能为1.05eVB.光电管阴极的逸出功为1.7eVC.开关S断开，电流表G示数为零D.当滑动变阻器的触头向a端滑动时，电压表示数增大解析：D由题意可知，遏止电压Uc＝1.7V，最大初动能Ek＝eUc＝1.7eV，故A错误；根据光电效应方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05eV，故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，故C错误；电源电压为反向电压，当滑动变阻器的触头向a端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，电流表中电流减小，故D正确。10.一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波