2022年高考物理一轮复习 第13章 近代物理初步 第59讲 光电效应 波粒二象性学案（含解析）

2022年高考物理一轮复习 第13章 近代物理初步 第59讲 光电效应 波粒二象性学案（含解析）重读教材定方法(对应人教版选修35的页码及相关问题)1P31结合图17.22阅读“光电效应的实验规律”一段。从图17.23中各图线能得出什么规律？提示：由图可知，随着正向电压增大，光电流趋于饱和值，且光的颜色一定时(黄光)，光越强饱和光电流越大；加反向电压时，光电流逐渐减小到零，即存在遏止电压，且遏止电压与光的频率有关，与光的强度无关，频率越大，遏止电压越大。2P33思考与讨论推导Uc与、W0的关系。提示：由meveUc，EkhW0，Ekmev，联立得eUchW0。3P34例题体会由实验数据画出图象的方法，图17.24中图象的斜率、截距分别有什么物理意义？提示：由EkhW0，EkeUc得Uc，故Uc 图象的斜率为，令Uc0，得横截距c，即截止频率，纵截距即5.5×1014 Hz时的遏止电压。4P37阅读教材：哪些现象说明光具有粒子性？哪些现象说明光具有波动性？提示：粒子性：光电效应、康普顿效应；波动性：光的干涉、衍射、偏振。5P58图18.42思考：一群氢原子处于量子数为3的激发态时，可发出几种频率的光子？提示：3种6P69问题与练习T6，Cu里有多少质子？多少中子？提示：29个质子，37个中子。7P71阅读教材：衰变中出现的电子来源于哪里？提示：核内中子转化为一个质子和一个电子。8P73问题与练习T6，铋210的半衰期是5天，经过多少天后，20 g铋还剩1.25 g?提示：mm0·，代入数据得t20天。9P82图19.53思考：重核裂变时比结合能变大还是变小？轻核聚变时呢？提示：都变大。第59讲光电效应波粒二象性考点一光电效应的实验规律和光电效应方程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，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。2光电效应的实验规律(1)存在着饱和光电流：即光照条件不变时，随着电压增大，光电流趋于一个饱和值。对于一定颜色(频率)的光，入射光越强，饱和光电流越大，即单位时间内发射的光电子数越多。(2)存在着遏止电压Uc：即存在使光电流减小到零的反向电压。这说明光电子有初速度且初速度的最大值vc满足meveUc。遏止电压只与光的频率有关，与光的强弱无关，这表明光电子的能量只与入射光的频率有关。(3)存在截止频率c：当入射光的频率小于截止频率c(又叫极限频率)时，不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。(4)光电效应具有瞬时性：光照射到金属表面时，产生光电流的时间不超过109 s，即光电效应的发生几乎是瞬时的。3爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。光子的能量为h，其中h是普朗克常量，其值为6.63×1034 J·s。(2)光电效应方程：EkhW0。其中h为入射光的能量，Ek为光电子的最大初动能，即逸出光电子初动能的最大值；W0是金属的逸出功即电子从金属中逸出所需做功的最小值。4爱因斯坦光电效应方程对实验规律的解释(1)爱因斯坦光电效应方程表明光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关，而与光的强弱无关，即规律(2)。(2)只有当h>W0时，才有Ek>0，从而有光电子逸出，c就是光电效应的截止频率，即规律(3)。(3)频率一定的光，光较强时，单位时间照射的光子数较多，产生的光电子数较多，因而饱和光电流较大，即规律(1)。(4)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，即光电流几乎是瞬时产生的，即规律(4)。5几组重要概念的理解(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。(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍作用而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。(3)光电流与饱和光电流：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：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。所以光的强度Inh，n是单位时间内照射到单位面积上的光子数。从此式可以看出饱和光电流正比于n，所以只有当光的频率一定时，饱和光电流与入射光强度成正比；对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。1(多选)如图所示，用导线把验电器与锌板相连接，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BC解析由于光电效应，在光的照射下锌板中的电子从锌板表面逸出，A错误，B正确；验电器与锌板相连，锌板因失去电子带正电，验电器指针张开一个角度，C正确，D错误。2教材母题(人教版选修35 P36·T4)铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长200 nm的光照射铝的表面。(1)求光电子的最大初动能。(2)求遏止电压。(3)求铝的截止频率。变式子题(多选)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2 mA。移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.8 V时，电流表读数为0，则()A光电管阴极的逸出功为2.4 eVB开关S断开后，电流表G示数不为0C光电子的最大初动能为0.8 eVD改用能量为2 eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小答案ABC解析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0.8 V时，电流表示数为0，则光电子的最大初动能为0.8 eV，根据光电效应方程EkmhW0，W03.2 eV0.8 eV2.4 eV，故A、C项正确；用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，有光电子逸出，开关S断开后，没有反向电压，则有电流流过电流表，故B项正确；改用能量为2 eV的光子照射，由于光子的能量小于逸出功，不能发生光电效应，无光电流，故D项错误。3(2017·全国卷)(多选)在光电效应实验中，分别用频率为a、b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a>b，则一定有Ua<UbB若a>b，则一定有Eka>EkbC若Ua<Ub，则一定有Eka<EkbD若a>b，则一定有haEka>hbEkb答案BC解析光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eUEk，根据光电效应方程可知EkhW0，若a>b，则Eka>Ekb，Ua>Ub，选项A错误，选项B正确；若Ua<Ub，则Eka<Ekb，选项C正确；由光电效应方程可得W0hEk，则haEkahbEkb，选项D错误。考点二光电效应的图象问题1光电效应实验装置(1)甲图是光电管正常工作的电路，光电流未达到最大值之前其大小与光强、电压有关，达到最大值后，光电流与光强成正比(频率一定)。(2)乙图是光电管加反向电压的电路图，可以研究光电管的遏止电压。2四类图象(2018·南宁模拟)某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象，分别用a、b、c三束单色光照射图甲中的光电管的阴极，得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示，其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同，均为Ua，则下列论述正确的是()Aa、c两束光的光强相同Ba、c两束光的频率相同Cb光束光子的能量最小Db光束的波长最长，遏止电压最大解析由图可知，a、c两束光的遏止电压相同，则频率相同，a的饱和电流较大，因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量较大，光强较大，故A项错误，B项正确；根据eUhW，入射光的频率越高，对应的遏止电压U越大，所以b光的频率最大，能量最大，且对应的波长最短，故C、D项错误。答案B方法感悟研究光电效应的两条线索1爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率的关系如图所示，其中c为极限频率。从图中可以确定的是()A逸出功与有关BEkm与入射光强度成正比C当<c时，会逸出光电子D图中直线的斜率与普朗克常量有关答案D解析逸出功是由金属自身决定的，与无关，A错误。Ekm随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系，与入射光强度无关，B错误。当<c时，无光电子逸出，C错误。由EkhW0知，Ek­图象的斜率为h，D正确。2小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置如图甲所示。已知普朗克常量h6.63×1034 J·s。(1)图甲中电极A为光电管的_(填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率c_ Hz，逸出功W0_ J；(3)如果实验中入射光的频率7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek_ J。答案(1)阳极(2)(5.125.18)×1014'(3.393.43)×1019(3)(1.211.25)×1019解析(1)由光电管的结构知，A为阳极。(2)Uc­图象中横轴的截距表示截止频率c，逸出功W0hc6.63×1034×5.12×1014 J3.39×1019 J。(3)由爱因斯坦的光电效应方程EkhW0，可求结果Ek6.63×1034×7.00×1014 J3.39×1019 J1.25×1019 J。考点三光的波粒二象性1光的波粒二象性2物质波(德布罗意波)由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波(德布罗意波)的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长。1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答案C解析光具有波粒二象性，故A错误；电子是组成原子的基本粒子，有确定的静止质量，是一种物质实体，光子代表着一份能量，没有静止质量，故B错误；光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著，故C正确；大量光子运动的规律表现出光的波动性，故D错误。2光具有波粒二象性，那么能够证明光具有波粒二象性的现象是()A光的反射及小孔成像B光的干涉、光的衍射、光的色散C光的折射及透镜成像D光的干涉、光的衍射和光电效应答案D解析表明光具有波动性的典型现象是