2024-2025学年高中物理第二章波粒二象性章末复习课含解析粤教版选修3-5

PAGE7-章末复习课【学问体系】eq\a\vs4\al(波粒二象性)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(光电效应\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(光电效应与光电流,光电流的变更,极限频率①,遏止电压)),光子\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(光电效应方程②,能量量子假说,光子假说,对光电效应的说明)),\a\vs4\al(康普顿效应,及其说明)\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(康普顿效应的发觉,对康普顿效应的正确说明)),\a\vs4\al(光的波粒,二象性)\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(光的波粒二象性本质\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(波动性\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(光的③,光的④,光是电磁波)),粒子性\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(⑤,⑥)))),概率波)),德布罗意波\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(德布罗意波假说⑦,电子衍射,电子云,不确定关系⑧))))[答案填写]①ν0＝eq\f(W0,h)(W0为逸出功)②hν＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＋W0③干涉④衍射⑤光电效应⑥康普顿效应⑦λ＝eq\f(h,p)⑧ΔxΔp≥eq\f(h,4π)主题1光电效应1．光电效应现象的推断．光电流的大小eq\o(→,\s\up7(取决于))每秒入射的光子数eq\o(→,\s\up7(取决于))eq\a\vs4\al(入射光,的强度)eq\b\lc\\rc\}(\a\vs4\al\co1(能否发生光电效应,光电子的最大初动能))eq\o(→,\s\up7(取决于))eq\a\vs4\al(入射光的频率和,金属的逸出功)2．光电效应方程．光电效应方程的实质是能量的转化和守恒定律在光电效应现象中的反映，依据能量守恒定律，光电子的最大初动能与入射光子的能量和逸出功的关系为hν＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,max)＋W0，这个方程叫爱因斯坦光电效应方程．3．光子被汲取的状况．光电效应中，光子与金属中的电子作用，光子整个被汲取，且电子一般一次只能汲取一个光子；康普顿效应中，光子与晶体中的自由电子发生碰撞，电子只能汲取光子的部分能量．【典例1】(2024·江苏卷)几种金属的逸出功W0见下表：金属钨钙钠钾鉫W0(×10－19J)7.265.123.663.603.41由一束可见光照耀上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应．已知该可见光的波长的范围为4.0×10－7～7.6×10－6m，普朗克常数h＝6.63×10－34J·s.解析：可见光的最大光子能量E＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,4×10－7)J≈5.0×10－19J.可见光子能量大于钠、钾、铷的逸出功，可以使钠、钾、铷发生光电效应．答案：可以使钠、钾、铷发生光电效应针对训练1．下表中列出了几种金属的逸出功，关于光电效应现象以下说法正确的是()金属钨钙钠钾铷W0/eV4.543.202.292.252.13A.某种光能使铷发生光电效应，则该光也能使其他四种金属发生光电效应B．遏制电压的大小不仅与金属有关，还与入射光频率有关C．若某种光能使钨和钠都发生光电效应，则钨的光电子的最大初动能较大D．用强度相同、频率不同的光照耀钾，光电子的最大初动能相同解析：铷的逸出功最小，某种光能使铷发生光电效应，但不肯定能使其他四种金属发生光电效应，故A错误；依据eU0＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W0可知遏制电压的大小不仅与金属有关，还与入射光频率有关，故B正确；钨的逸出功大于钠的逸出功，则若某种光能使钨和钠都发生光电效应，依据eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝hν－W0，则钨的光电子的最大初动能较小，故C错误；依据光电效应方程可知，用强度相同、频率不同的光照耀钾，光电子的最大初动能不相同，故D错误．答案：B主题2光源功率与光强度的区分与联系依据爱因斯坦的光子说，光源的功率和光的强度，是两个不同的概念．(1)光源的功率(P)——光源每单位时间内辐射光子的能量，即P＝nhν，式中n表示光源单位时间内辐射的光子数．(2)光的强度(I)——在单位时间内垂直通过单位面积的光子的总能量，即I＝Nhν.式中N表示单位时间垂直通过单位面积的光子数．(3)在入射光频率不变的状况下，光强正比于单位时间内照耀到金属表面上单位面积的光子数，但若换用不同频率的光照时，即使光强相同，单位时间内照耀到金属表面单位面积的光子数也不同．【典例2】某激光器能放射波长为λ的激光，放射功率为P，c表示光速，h表示普朗克常量，则激光器每分钟放射的光子数为()A.eq\f(λP,hc) B.eq\f(hP,λc)C.eq\f(60λP,hc) D.eq\f(60hP,λc)解析：每个光子的能量E＝hν＝heq\f(c,λ)，激光器在每分钟内发出的能量W＝60P，故激光器每秒发出的光子数为n＝eq\f(W,E)＝eq\f(60P,h\f(c,λ))＝eq\f(60Pλ,hc)，C正确．答案：C针对训练2．科学家设想将来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒内单位面积上的光子数为n，光子的平均波长为λ，太阳帆面积为S，反射率为100%，假定太阳垂直射到太阳帆上，飞船的总质量为m.(1)求飞船加速度的表达式(光子动量p＝h/λ)；(2)若太阳帆是黑色的，飞船的加速度为多少？解析：(1)光子垂直打在太阳帆上再反射，动量的变更量为2p，依据动量定理得：FΔt＝n·2p，太阳帆上受到的光压力为F＝eq\f(2nShΔt,Δtλ)＝eq\f(2nSh,λ)，故飞船的加速度a＝eq\f(F,m)＝eq\f(2nSh,λm).(2)若太阳帆是黑色的，光子垂直打在太阳帆上不再反射，光子动量的变更为p，太阳帆上受到的光压力为F′＝eq\f(nSh,λ)，故太阳帆的加速度a′＝eq\f(nSh,λm).答案：(1)eq\f(2nSh,λm)(2)eq\f(nSh,λm)主题3波粒二象性1．微观粒子的波动性和粒子性不能理解为宏观概念中的波和粒子．波动性和粒子性是微观粒子的两种固有属性，任何状况下二者都同时存在．2．描述光的性质的基本关系式ε＝hν和p＝eq\f(h,λ)中，能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量，波长λ或频率ν是描述物质的波动性的典型物理量，它们通过普朗克常量h联系在一起．[典例❸](多选)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是()A．电子束通过双缝试验装置后可以形成干涉图样B．人们利用慢中子衍射来探讨晶体的结构C．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构D．光电效应试验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光强度无关解析：干涉是波具有的特性，电子束通过双缝试验装置后可以形成干涉图样，说明电子具有波动性，故A正确；可以利用慢中子衍射来探讨晶体的结构，说明中子可以产生衍射现象，说明具有波动性，故B正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，说明电子可以产生衍射现象，说明具有波动性，故C正确；光电效应试验，说明的是能够从金属中打出光电子，说明的是物质的粒子性，故D错误．答案：ABC针对训练3．(2024·上海卷)用很弱的光做单缝衍射试验，变更曝光时间，在胶片上出现的图象如图所示，该试验表明()时间较短时间稍长时间较长A．光的本质是波B．光的本质是粒子C．光的能量在胶片上分布不匀称D．光到达胶片上不同位置的概率相同解析：用很弱的光做单缝衍射试验，变更曝光时间在胶片出现的图样，说明光有波粒二象性，故A、B错误；说明光到达胶片上的不同位置的概率是不一样的，也就说明白光的能量在胶片上分而不匀称，故C正确，D错误．答案：C统揽考情波粒二象性部分的重点内容是光电效应现象、试验规律和光电效应方程，光的波粒二象性和德布罗意波是理解的难点．一般以考查选择或填空为主．真题例析(2024·全国卷Ⅱ)用波长为300nm的光照耀锌板，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解析：依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．答案：B针对训练(2024·全国卷Ⅲ)(多选)在光电效应试验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照耀同种金属，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，则肯定有Ua<UbB．若νa>νb，则肯定有Eka>EkbC．若Ua<Ub，则肯定有Eka<EkbD．若νa>νb，则肯定有hνa－Eka>hνb－Ekb解析：由爱因斯坦光电效应方程eU0＝Ekm＝hν－W0，当νa>νb时，Eka>Ekb,Ua>Ub，A错误，B正确；若Ua<Ub，则有Eka<Ekb，C正确；同种金属的逸出功不变，则W0＝hν－Ekm不变，D错误．答案：BC1．(2024·北京卷)2024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100nm(1nm＝10－9m)旁边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、雾霾治理等领域的探讨中发挥重要作用.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.据此推断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空光速c＝3×108m/s)()A．10－21JB．10－18JC．10－15JD．10－12J解析：一个处于极紫外波段的光子的能量约为E＝hν＝heq\f(c,λ)≈2×10－18J，由题可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同．答案：B2.三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1>λ2>λ3)．分别用这三束光照耀同一种金属.已知用光束2照耀时，恰能产生光电子.下列说法正确的是()A．用光束3照耀时，肯定不能产生光电子B．用光束1照耀时，肯定不能产生光电子C．用光束2照耀时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大D．用光束1照耀时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多解析：依据波长与频率的关系：λ＝eq\f(c,ν)，因λ1＞λ2＞λ3，那么ν1<ν2<ν3.由于用光束2照耀时，恰能产生光电子，因此用光束1照耀时，不能产生光电子，而光束3照耀时，肯定能产生光电子，故A错误，B正确；用光束2照耀时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多，而由光电效应方程：Ekm＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与光的强弱无关，故C错误；用光束1照耀时，不能产生光电效应，故D错误．答案：B3．(2024·江苏卷)质子(eq\o\al(1,1)H)和α粒子(eq\o\al(4,2)H)被加速到相同动能时，质子的动量______(选填“大于”“小于”或“等于”)α粒子的动量，质子和α粒子的德布罗意波波长之比为______．解析：动量与动能的关系：p2＝2mEk，又质子的质量小于α粒子的质量，所以质子的动量小于α粒子的动量，且eq\f(p1,p2)＝eq\r(\f(m1,m2))＝eq\f(1,2)；依据λ＝eq\f(h,p)，可得质子和α粒子的德布罗意波波长之比为2∶1.答案：小于2∶14.如图所示，阴极K用极限波长λ0＝0.66μm的金属铯制成，用波长λ＝0.50μm的绿光照耀阴极K，调整两个极板间的电压，当A板电压比阴极高出2.5V时，光电流达到饱和，电流表示数为0.64μA.(1)求每秒钟阴极放射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能；(2)假如把照耀阴极的绿光的光强增大为原来的2倍，求每秒钟阴极放射的光电子数和光电子飞出阴极的最大初动能．解析：(1)光电流达到饱和时，阴极放射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟放射的光电子的个数n＝eq\f(Imax,e)＝eq\f(0.64×10－6,1.6×10－19)个＝4.0×1012个．依据爱因斯坦光电方程，光电子的最大初动能为：eq\f(1,2)mve