2023屆高考物理一輪復習知識點精講與2022高考題?？碱}訓練專題119光電效應(含詳解)

2023高考一輪知識點精講和最新高考題模擬題同步訓練

第二十章原子物理

專題119光電效應與波粒二象性

第一部分知識點精講

黑倬秘射的實臉規(guī)律：黑體輻射電磁波的強度按波黃的分布只

與黑體的③溫度在關

能量量子化

能量子:S-④hv

存在我止疑率

存在飽和電流

實驗規(guī)律

存在遏止也壓

光電效應一匚舞時在

波粒二象性

光的粒子，H愛因斯顯光電政應才程：hv-WJ

求普頸效應

光的沌粒二束性h

棣布羅恚被：波長公式A=@工

粒子的波動性

物質(zhì)it的實驗驗證；電子的折射和干涉

量予力學的4立和應用一、黑體

輻射.

1.黑體輻射的維恩和瑞利理論解釋

（I）建立理論的基礎：依據(jù)熱學和電磁學的知識尋求黑體輻射的理論解釋。

（2）維恩公式：在短波區(qū)與實驗非常接近，在長波區(qū)則與實驗偏離較大。

（3）瑞利公式：在長波區(qū)與實驗基本一致，但在短波區(qū)與實驗嚴重不符，由瑞利公式得出

的荒謬結果被稱為“紫外災難”。

2.能量子的理解

（1）組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值￡的整數(shù)值。例如，可能

是￡或233E……把這個不可再分的最小能量值￡叫作能量子。

（2）能量子公式:E=hv,其中V是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。/I=6.626x10-34J-s。

（3）能量的量子化：微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的。3.黑

體輻射的實驗規(guī)律

（1）溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。

(2)隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加；輻射強度的極大值向波長較短的方

向移動。

(3)普朗克能量量子化假設對黑體輻射的解釋：

在能量量子化假設的基礎上，普朗克得出了黑體輻射的強度按照波長分布的公式，根據(jù)公式

得出的理論結果與實驗結果完全相符。如圖所示，曲線是根據(jù)普朗克公式得出黑體輻射強度

按照波長分布的函數(shù)圖像，小圓圈代表黑體輻射的實驗值。從圖像看出，兩者吻合的非常完

普朗克的量子化假設把人類對微觀世界的認識推到了一個新的高度，對現(xiàn)代物理學的

發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。普朗克常量力是自然界中最基本的常量之一，它展現(xiàn)了微觀世界

的基本特征，架起了電磁波的波動性與粒子性的橋梁。

二、光電效應

1.光電效應現(xiàn)象：在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應，

發(fā)射出來的電子稱為光電子。

【特別提醒】光電子的本質(zhì)是電子，而不是光子。

2.光電效應的四個規(guī)律

(1)每種金屬都有一個極限頻率。

【特別提醒】每種金屬都有一個極限須率，入射光的頻率不低于這個極限頻率才能使

金屬產(chǎn)生光電效應。

(2)光照射到金屬表面時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。

(3)光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。

(4)光電流的強度與入射光的強度成正比。

【特別提醒】光照強度決定著每秒鐘光源發(fā)射的光子數(shù)，頻率決定著每個光子的能量。

3.遏止電壓與截止頻率(1)遏止電壓“：使光電流減小到零的反向電壓。

(2)截止頻率也能使某種金屬發(fā)生光電效應的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫

極限頻率)。不同的金屬對應著不同的極限頻率。

4.光電效應規(guī)律的理解

（1）“光電子的動能”可以是介于0~Ekm的任意值，只有從金屬表面逸出的光電子才具有最

大初動能，且隨入射光頻率增大而增大。

（2）光電效應是單個光子和單個電子之間的相互作用產(chǎn)生的，金屬中的某個電子只能吸收

一個光子的能量，只有當電子吸收的能量足夠克服原子核的引力而逸出時，才能產(chǎn)生光電效

應。

（3）“入射光強度”指的是單位時間內(nèi)入射到金屬表面單位面積上的光子的總能量，在入射

光頻率v不變時，光強正比于單位時間內(nèi)照到金屬表面單位面積上的光子數(shù)。若入射光頻率

不同，即使光強相同，單位時間內(nèi)照到金屬表面單位面積上的光子數(shù)也不相同，因而從金屬

表面逸出的光電子數(shù)也不相同（形成的光電流也不相同）。

（4）“飽和電流”對應從陰極發(fā)射出的電子全部被“拉向”陽極的狀態(tài)，即使電壓再增大，電

流也不會增大。當光電流達到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強度有關，還與光電管兩

極間的電壓有關，只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比?

5.愛因斯坦光電效應方程

（1）.愛因斯坦的光子說

在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光的能量子，簡稱光

子，光子的能量￡=近。其中人=6.63XIO-gJs。（稱為普朗克常量）

（2）.逸出功Wo

使電子脫離某種金屬所做功的最小值。

【溫馨提示】金屬越活躍，逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應。

（3）.光電子的最大初動能

發(fā)生光電效應時，金屬表面上的蚯吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動

能的最大值。

【特別提醒】光電子的初動能介于0?Ekm之間。

（4）.愛因斯坦光電效應方程

（1）表達式：Ek=hv—Wo.,

光電效應方程表明，光電子最大初動能與入射光的頻率v呈線性關系但不是成正比，與光強

無關。只有當成＞%時，才有光電子逸出。

（2）物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hv,這些能量的一部分用

來克服金屬的逸出功Wo,剩下的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動能

6.光電效應的應用

（1）明確兩個決定關系

①逸出功叫一定時，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應以及光電子的最大初動能。

②入射光的頻率一定時，入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)。

（2）常見物理量的計算

物理量求解方法

最大初動能Ek

=hv—v=：A

遏止電壓&

eUc=&>=lUc=

截止頻率％%

%=不

遷移應用

三、光的波粒二象性

1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。

2.光電效應、康普頓效應說明光具有粒壬性。

3.光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性。

4.光的波粒二象性的理解

分析角度波動性與粒子性的表現(xiàn)

從頻率上頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象：頻率越高粒子性越顯

看著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領越強

從數(shù)量上個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性

看

從傳播與光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)出粒子性

作用上看

波動性與由光子的能量￡=hv、光子的動量表達式p=,也可以看出，光的波動性和粒子

粒子性的

性并不矛盾，表示粒子性的能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量

統(tǒng)-

——頻率V和波長X

四、德布羅意波實物粒子也具有波動性力即每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)

系。粒子的能量￡和動量P跟它所對應的波的頻率V和波長入之間，遵從如下關系：！/=%

，吟這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波。

1.物質(zhì)波的實驗驗證

（1）實驗探究思路：干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實物粒子具有波動性，則在一定條

件下，也應該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。

（2）實驗驗證：1927年戴維森和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗，得到了電子的

衍射圖樣，證實了電子的波動性。

（3）人們陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性。對于這些粒子，德布羅意給出

的v=，和％=F關系同樣正確。

（4）宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，運動時的動量很大，對應的德布羅意波的波長很

小，根本無法觀察到它的波動性。

2.對物質(zhì)波的理解

（1）任何運動的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都與一個對應的物質(zhì)波相聯(lián)系，

我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故。

（2）粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不能以宏觀觀點中的波來理解。

（3）德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實

物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是

物質(zhì)波。

3.粒子波動性的理解

（1）一切運動著的物體都具有波動性，宏觀物體觀察不到其波動性，但并不否定其具有波

動性。

（2）電子、質(zhì)子等實物粒子，具有能量和動量，當和其他物質(zhì)相互作用時，粒子性起主導

作用。

（3）在宏觀世界中，波與粒子是對立的概念；在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一。

五.量子力學與牛頓經(jīng)典力學的比較

比較內(nèi)容牛頓經(jīng)典力學量子力學

粒子是波，波是無邊無際的

粒子的物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一

特征個實體

研究對研究對象分成幾部分，可以對每不能把微觀體系看成是由可以分開的幾部分組成

象一部分進行研究的，因為兩個粒子從波的角度來看，它們是糾纏在

一起的

軌跡描可以同時用質(zhì)點的位置和動量精不可能同時準確地知道粒子的位置和動量，不能用

述確地描述它的運動，軌跡可以確軌跡描述運動

定

運動預如果知道了加速度，可以預言質(zhì)自然界在微觀層次上是由隨機性和機遇支配的，不

言點在以后任意時刻的位置和動量能預言粒子的位置和動量

自然界自然界的變化是連續(xù)的自然界的變化是不連續(xù)的

的變化

第二部分最新高考題精選

1.（2022高考河北）如圖是密立根于1916年發(fā)表的納金屬光電效應的遏止電壓上與入射

光頻率V的實驗曲線，該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程，并且第一次利用光電效

應實驗測定了普朗克常量爪由圖像可知（）

B.鈉的截止頻率為8.5X1（）UHZC.圖中直線的斜率為普朗克常量D.遏止電壓U,與入

射光頻率V成正比

2.（2022?全國理綜乙卷?17）一點光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長

約為6x10-7m的光,在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3x1（^個。

普朗克常量為/?=6.63x10-3打&R約為（）

A.1x102mB.3x102m

C.6x102mD.9x102m

3.（2021高考新課程n卷海南卷）某金屬在一束單色光的照射下發(fā)生光電效應，光電子的

最大初動能為Ek，已知該金屬的逸出功為%,普朗克常量為/?.根據(jù)愛因斯坦的光電效應

理論，該單色光的頻率丫為（）

A.生B.呸C.9D.9

hhhh

4.（2021新高考天津卷）光刻機是制造芯片的核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細

圖投影在硅片上，再經(jīng)技術處理制成芯片.為提高光刻機清晰投影最小圖像的能力，在透鏡

組和硅片之間充有液體.紫外線進入液體后與其在真空中相比（）

A.波長變短B.光子能量增加C.頻率降低D.傳播速度增大

5.（2021年6月浙江選考物理）據(jù)《自然》雜志2021年5月17日報道，中國科學家在稻

城“拉索”基地（如圖）探測到迄今為止最高能量的/射線，能量值為1.40xl0%v,即（）

看A.1.40x10”VB.2.24X10-4C

C.2.24xKT*WD.2.24xKT4J

6.（2021高考江蘇物理卷）如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進行光電效應探究，

其截止頻率v,<v2,保持入射光不變，則光電子到達A極時動能的最大值E”“隨電壓U變

7.（2021年6月浙江選考物理）已知普朗克常量〃=6.63X10-34J.S,電子的質(zhì)量為

9.11x10^'kg,一個電子和一滴直徑約為411m的油滴具有相同動能，則電子與油滴的德布

羅意波長之比的數(shù)量級為（）

A.W8B.106C.108D.J016

8.（2021年1月浙江選考）下列說法正確的是

A.光的波動性是光子之間相互作用的結果

B.玻爾第一次將“量子”入原子領域，提出了定態(tài)和躍遷的概念

C.光電效應揭示了光的粒子性，證明了光子除了能量之外還具有動量

D.a射線經(jīng)過置于空氣中帶正電驗電器金屬小球的上方，驗電器金屬箔的張角會

變大

9.（2022年1月浙江選考）如圖為研究光電效應的裝置示意圖，該裝置可用于分析光子的

信息。在xOy平面（紙面）內(nèi)，垂直紙面的金屬薄板M、N與y軸平行放置，板N中間有一

小孔。。有一由x軸、y軸和以。為圓心、圓心角為90°的半徑不同的兩條圓弧所圍的區(qū)域

I,整個區(qū)域I內(nèi)存在大小可調(diào)、方向垂直紙面向里的勻強電場和磁感應強度大小恒為8、

磁感線與圓弧平行且逆時針方向的磁場。區(qū)域I右側還有一左邊界與y軸平行且相距為/、

下邊界與x軸重合的勻強磁場區(qū)域H,其寬度為m長度足夠長，其中的磁場方向垂直紙面

向里，磁感應強度大小可調(diào)。光電子從板M逸出后經(jīng)極板間電壓。加速（板間電場視為勻

強電場），調(diào)節(jié)區(qū)域I的電場強度和區(qū)域II的磁感應強度，使電子恰好打在坐標為（a+2/,

0）的點上，被置于該處的探測器接收。已知電子質(zhì)量為加、電荷量為e,板M的逸出功為

Wo,普朗克常量為爪忽略電子的重力及電子間的作用力。當頻率為v的光照射板M時有

光電子逸出，

（1）求逸出光電子的最大初動能Ekm,并求光電子從。點射入?yún)^(qū)域I時的速度W的大小范

圍；

（2）若區(qū)域I的電場強度大小E=8巫，區(qū)域II的磁感應強度大小B?=巫運，求

Vmea

被探測到的電子剛從板歷逸出時速度VM的大小及與x軸的夾角B；

（3）為了使從。點以各種大小和方向的速度射向區(qū)域I的電子都能被探測到，需要調(diào)節(jié)區(qū)

域I的電場強度E和區(qū)域H的磁感應強度&,求E的最大值和&的最大值。

第三部分最新模擬題精選

1.（2022河南三市一模）波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的為（）

A.電子束通過雙縫后形成的干涉圖樣可用電子的粒子性解釋

B.光電效應實驗中，光電子的最大初動能與入射光的頻率有關，與入射光的強度無關

C.康普頓效應說明光具有波動性

D.黑體既不反射電磁波，也不向外輻射電磁波

2.（2022洛陽聯(lián)考）黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示，由圖可知（

A.隨溫度升高,各種波長的輻射強度都增大

B.隨溫度降低,各種波長的輻射強度都增大

C.隨溫度升高,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動

D.隨溫度降低,輻射強度的極大值向波長較長的方向移動

3（2022山西太原二模）在研究光電效應中電子的發(fā)射情況與照射光的強弱、光的顏色的關

系時，將a、b、c三束光照射到同一光電管的陰極上，得到的光電流與電壓的關系如圖所示,

A.a光的頻率高于c光的頻率

C.單位時間內(nèi)，c光入射光子數(shù)大于b光入射的光子數(shù)

D.a光照射時逸出光電子的最大初動能可能比b光照射時的大

4.（2022北京朝陽二模）頰泡可用于指示和保護電路。在玻璃管中有兩個相同的板狀金屬

電極，并充入低壓筑氣，在兩極間接入電壓使凝氣導電，如果金屬電極發(fā)出的電子在電場作

用下獲得足夠的能量，就能使頰氣發(fā)光。將凝泡、保護電阻和電壓可調(diào)的電源按如圖所示的

電路連接。氟泡用黑紙包住，黑紙上留出一條狹縫使光可以照射到筑泡。發(fā)現(xiàn)在沒有光照的

暗室中，當電源電壓為時，筑泡恰能發(fā)光；當電源電壓為q（H<U0）時，就泡不發(fā)

光，但同時用頻率為匕的紫光照射就泡，頰泡也恰能發(fā)光。兩次實驗中，頰泡恰能發(fā)光時

回路中的電流可認為相等。已知普朗克常量為/?,電子電荷量為e。下列說法正確的是（）

電壓可調(diào)

的電源

A.若保持電壓■不變，用黃光照射筑泡，息泡也能發(fā)光

B.通過實驗可知，紫光的光子能量人匕=eU°-eq

C.通過實驗可知，電極中的電子脫離金屬至少需要的能量

D.實驗中必須使用直流電源才能觀察到上述現(xiàn)象

5.（2022四川成都三模）如圖（a）,陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，K

受光照時能夠發(fā)射出光電子，滑動變阻器可調(diào)節(jié)K、A之間的電壓。分別用藍光、弱黃光、

強黃光照射K時，形成的光電流/（G表示數(shù)）與電壓U（V表示數(shù)）的關系如圖（b）,則

圖中。、b、c光依次為（）

真空管

A.藍光、弱黃光、強黃光

C.強黃光、藍光、弱黃光

D藍光、強黃光、弱黃光

6.（2022天津南開二模）新冠病毒疫情防控工作中，體溫槍被廣泛使用，成為重要的防疫裝備

之一。某一種體溫槍的工作原理是：任何物體溫度高于絕對零度（-273℃）時都會向外發(fā)

出紅外線，紅外線照射到體溫槍的溫度傳感器，發(fā)生光電效應，將光信號轉化為電信號，從

而顯示出物體的溫度。已知人的體溫正常時能輻射波長為10pm的紅外線，如圖甲所示，用

該紅外光線照射光電管的陰極K時，電路中有光電流產(chǎn)生，光電流隨電壓變化的圖像如圖

乙所示，已知真空中的光速c=3xl（）8m/s，則（）

紅外線在真空

中的頻率為3X1016HZ

B.將圖甲中的電源正負極反接，則一定不會產(chǎn)生電信號

C.光電子的最大初動能為0.02eV

D.若人體溫度升高，輻射紅外線的強度增強，則光電管轉換成的光電流增大

7..（2022廣東湛江模擬）如圖甲所示，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個電極，

陰極K在受到光照時能夠發(fā)射光電子。陰極K與陽極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源

的正負極也可以對調(diào)。閉合開關后，陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成光電

流?，F(xiàn)分別用藍光、弱黃光、強黃光照射陰極K,形成的光電流與電壓的關系圖像如圖乙示，

圖中a、b、c光依次為（）

A藍光、

U

乙

B.弱黃光、藍光、強黃光

C.強黃光、藍光、弱黃光D.藍光、強黃光、弱黃光8.（2022湖北武漢4月調(diào)研）在研

究光電效應的實驗中，用a、b兩束光分別照射同一光電管的陰極，得到兩條光電流隨電壓

變化的關系圖線，如圖所示a、b兩光比較（）

A.a光的頻率大

B.a光照射時陰極的逸出功大

C.a光照射時產(chǎn)生的飽和光電流大

D.a光照射時產(chǎn)生的光電子最大初動能大

9.（2022安徽巢湖一中等十校聯(lián)盟最后一卷）像增強器是微光夜視儀的核心器件。像增強

器的簡化原理如下：微光照射光電管陰極時，由于光電效應而產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)過相同

電壓加速，最后到達熒光屏上，引起熒光材料發(fā)光，形成圖像。根據(jù)以上信息和所學知識判

斷下列說法正確的是（）

A.射到光電管陰極的微光都能使陰極金屬發(fā)生光電效應

B.因為是微光，所以發(fā)生光電效應現(xiàn)象需要更長的時間

C.同一種光使陰極發(fā)生光電效應，產(chǎn)生的光電子到達熒光屏時的動能都相等

D.同一種光照射光電管，陰極材料的逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應

10.（2022河北唐山三模）用頻率分別為和2H的光照射某種金屬材料，兩種情況下測得

的該金屬材料發(fā)生光電效應的遏止電壓之比為1:4,已知普朗克常量為人則該金屬的逸出

功為（）

c2,1,

A.—hvB.—hvC.-hvD.—hv

3332

11.（2022江西南昌八一中學三模）一群處于第4能級的氫原子，向低能級躍遷過程中能發(fā)

出6種不同頻率的光，將這些光分別照射到圖甲電路陰極K的金屬上，只能測得3條電流隨

電壓變化的圖象如圖乙所示，已知氫原子的能級圖如圖丙所示，則下列推斷正確的是

3------------------1.51

2-------------------3.4

1-------------------13.6

丙

A.圖乙中的c,光是氫原子由第2能級向基態(tài)躍遷發(fā)出的

B.圖乙中匕光光子能量為10.2eV

C.動能為leV的電子不能使處于第4能級的氫原子電離

D.陰極金屬的逸出功可能為Wo=6.75eV

12.（2022天津河西區(qū)二模）兩種單色光。和從“光照射某金屬時有光電子逸出，b光照射該

金屬時沒有光電子逸出，則（）

A.〃光的傳播速度較大

B.。光的波長較短

C.。光光子能量較大

D.匕光的頻率較低

13.（2021鄭州三模）用某種頻率的光照射鋅板，使其發(fā)出光電子。為了增大光電子的最大初

動能，下列措施可行的是

A.增大入射光的強度

B.增加入射光的照射時間

C.換用波長更長的人射光照射鋅板

D.換用頻率更高的入射光照射鋅板

14.（2022江蘇南通二模）（8分）處于邀發(fā)態(tài)的氫原子可以向低能級躍遷，發(fā)出光子；處

于基態(tài)的氫原子可以吸收光子的能量，發(fā)生能級躍遷.己知基態(tài)的氫原子能量為普朗

克常量為h,光在真空中速度為c,電子的質(zhì)量為m,氫原子的能級公式

E

En=-y（rt=l,2,3,---）.

n

（1）一群處于〃=4能級的氫原子發(fā)出的光子，能使逸出功為唯的某金屬發(fā)生光電效應，

求光電子的最大初動能￡.；

（2）用波長為;I的光子照射基態(tài)氫原子，可以使其電離，求電子電離后的德布羅意波的波

長

15.（2022北京石景山一模）如圖是研究光電效應的實驗裝置，某同學進行了如下操作。用

頻率為w的光照射光電管，此時電流表中有電流。調(diào)節(jié)滑動變阻器，使微安表示數(shù)恰好變

為0,記下此時電壓表的示數(shù)S；用頻率為也的光照射光電管，重復上述操作，記下電壓

表的示數(shù)S。

（1）實驗中滑動變阻器的滑片P應該向。端移動還是向人端移動？

（2）己知電子的電荷量為e,請根據(jù)以上實驗，推導普朗克常量實驗測定值的計算式。

（3）大功率微波對人和其他生物有一定的殺傷作用。實驗表明，當人體單位面積接收的微

波功率達到250W/m2時會引起神經(jīng)混亂。有一微波武器，其發(fā)射功率P為3X107W。若發(fā)

射的微波可視為球面波，請估算引起神經(jīng)混亂的有效攻擊的最遠距離。（估算中取戶3）

16（2022北京西城一模）世紀末、20世紀初，通過對光電效應的研究,

加深了對光的本性的認識。科學家利用如圖所示的電路研究光電效應，圖中K、A是密封在

真空玻璃管中的兩個電極，K極受到光照時可能發(fā)射電子。已知電子電荷量為e,普朗克常

量為h<.

（1）當有光照射K極，電流表的示數(shù)為/,求經(jīng)過時間，到達A極的電子數(shù)〃。

（2）使用普通光源進行實驗時，電子在極短時間內(nèi)只能吸收一個光子的能量。用頻率為%

的普通光源照射K極，可以發(fā)生光電效應。此時，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，當電壓表的示數(shù)

為。時，電流表的示數(shù)減小為0。

隨著科技的發(fā)展，強激光的出現(xiàn)豐富了人們對光電效應的認識，用強激光照射金屬，一個電

子在極短時間內(nèi)吸收到多個光子成為可能。若用強激光照射K極時，一個電子在極短時間

內(nèi)能吸收n個光子，求能使K極發(fā)生光電效應的強激光的最低頻率V。

（3）某同學為了解為什么使用普通光源進行光電效應實驗時一個電子在極短時間內(nèi)不能吸

,o

收多個光子，他查閱資料獲得以下信息：原子半徑大小數(shù)量級為io-m；若普通光源的發(fā)光

頻率為6xl0i4Hz,其在Is內(nèi)垂直照射到1而面積上的光的能量約為106J；若電子吸收第一

個光子能量不足以脫離金屬表面時，在不超過10眼的時間內(nèi)電子將該能量釋放給周圍原子

而恢復到原狀態(tài)。為了進一步分析，他建構了簡單模型：假定原子間沒有縫隙，一個原子范

圍內(nèi)只有一個電子，且電子可以吸收一個原子范圍內(nèi)的光子。請利用以上資料，解決以下問

題。

a.普朗克常量/?取6.6xl（y34js,估算is內(nèi)照射到一個原子范圍的光子個數(shù)；

b.分析一個電子在極短時間內(nèi)不能吸收多個光子的原因。

窗口

光束

17.（2022北京石景山一模）如圖是研究光電效應的實

驗裝置，某同學進行了如下操作。用頻率為0的光照射光電管，此時電流表中有電流。調(diào)

節(jié)滑動變阻器，使微安表示數(shù)恰好變?yōu)?,記下此時電壓表的示數(shù)U；用頻率為也的光照

射光電管，重復上述操作，記下電壓表的示數(shù)

（1）實驗中滑動變阻器的滑片P應該向。端移動還是向6端移動？

（2）已知電子的電荷量為e,請根據(jù)以上實驗，推導普朗克常量實驗測定值的計算式。

（3）大功率微波對人和其他生物有一定的殺傷作用。實驗表明，當人體單位面積接收的微

波功率達到250W/m2時會引起神經(jīng)混亂。有一微波武器，其發(fā)射功率P為3X107W。若發(fā)

射的微波可視為球面波，請估算引起神經(jīng)混亂的有效攻擊的最遠距離。（估算中取兀*3）

18.（10分）（2022北京海淀一模）

電荷的定向移動形成電流。已知電子質(zhì)量為機，元電荷為e。

（1）如圖1所示，兩個截面不同的均勻銅棒接在電路中通以穩(wěn)恒電流，已知電子定向移動

通過導體橫截面A形成的電流為八。求時間內(nèi)通過導體橫截面B的電子數(shù)N。

(2)真空中一對半徑均為凡的圓形金屬板P、Q圓心正對平行放置，兩板距離為d,Q板

中心鍍有一層半徑為&(&<R)的圓形鋅金屬薄膜。Q板受到紫外線持續(xù)照射后，鋅薄膜

中的電子可吸收光的能量而逸出。現(xiàn)將兩金屬板P、Q與兩端電壓UPQ可調(diào)的電源、靈敏電

流計G連接成如圖2所示的電路。

已知單位時間內(nèi)從鋅薄膜中逸出的光電子數(shù)為"、逸出時的最大動能為Ekm，且光電子逸出

的方向各不相同。忽略光電了的重力以及光電子之間的相互作用，不考慮平行板的邊緣效應，

光照條件保持不變，只有鋅金屬薄膜發(fā)生光電效應。

a.調(diào)整電源兩端電壓，使靈敏電流計示數(shù)恰好為零，求此時電壓以。

b.實驗發(fā)現(xiàn)，當UPQ大于或等于某一電壓值Um時靈敏電流計示數(shù)始終為最大值/m，求/m

和Um。

C.保持&不變，僅改變R1的大小，結合(2)a和(2)b的結論，在圖3中分別定性畫出

當R=2R?時/隨UPQ變化的圖線①和當Ri=4R2時/隨UPQ變化的圖線②。

19.（11分）（2021湖南郴州期末）在光電效應中，電子獲得光子的能量后最終成為

光電子，其中一部分能量用于克服金屬的阻礙做功，剩下的能量就是光電子的初動能.能量

E=6.0eV的光子照射某金屬表面后，逸出光電子的最大初動能用=2.5eV,已知

/?=6.6X10-24JS.元電荷電量e=L6xl()T9c.求:

（1）該金屬的逸出功W；

（2）該條件下的截止電壓［/；

（3）該金屬發(fā)生光電效應的極限頻率%.（結果保留2位有效數(shù)字）

20.（2021安徽滁州重點高中高二第三次質(zhì)檢）如圖所示是對光電效應中產(chǎn)生的光電子進行

比荷測定的原理圖，兩塊平行金屬板相距很近，板間距為d,放在真空中，其中N為鋅板,

受紫外線照射后將激發(fā)出沿不同方向的光電子，光電子打在M板上形成電流，引起微安表

指針偏轉，若調(diào)節(jié)變阻器R,逐漸增大兩板間電壓，可以使光電流逐漸減小到零，當電壓表

讀數(shù)為。時，電流恰好為零.斷開開關，在例N之間加一垂直紙面的磁場，逐漸增大磁感

應強度，也能使光電流逐漸減小到零，此時的磁感應強度為8。試求該光電子的比荷.

2023高考一輪知識點精講和最新高考題模擬題同步訓練

第二十章原子物理

專題119光電效應與波粒二象性

第一部分知識點精講

黑倬秘射的實臉規(guī)律：黑體輻射電磁波的強度按波黃的分布只

與黑體的③溫度在關

能量量子化

能量子:S-④hv

存在我止疑率

存在飽和電流

實驗規(guī)律

存在遏止也壓

光電效應一匚舞時在

波粒二象性

光的粒子，H愛因斯顯光電政應才程：hv-WJ

求普頸效應

光的沌粒二束性h

棣布羅恚被：波長公式A=@工

粒子的波動性

物質(zhì)it的實驗驗證；電子的折射和干涉

量予力學的4立和應用一、黑體

輻射.

1.黑體輻射的維恩和瑞利理論解釋

（I）建立理論的基礎：依據(jù)熱學和電磁學的知識尋求黑體輻射的理論解釋。

（2）維恩公式：在短波區(qū)與實驗非常接近，在長波區(qū)則與實驗偏離較大。

（3）瑞利公式：在長波區(qū)與實驗基本一致，但在短波區(qū)與實驗嚴重不符，由瑞利公式得出

的荒謬結果被稱為“紫外災難”。

2.能量子的理解

（1）組成黑體的振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值￡的整數(shù)值。例如，可能

是￡或233E……把這個不可再分的最小能量值￡叫作能量子。

（2）能量子公式:E=hv,其中V是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。/I=6.626x10-34J-s。

（3）能量的量子化：微觀粒子的能量是量子化的，或者說微觀粒子的能量是分立的。3.黑

體輻射的實驗規(guī)律

（1）溫度一定時，黑體輻射強度隨波長的分布有一個極大值。

(2)隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都有增加；輻射強度的極大值向波長較短的方

向移動。

(3)普朗克能量量子化假設對黑體輻射的解釋：

在能量量子化假設的基礎上，普朗克得出了黑體輻射的強度按照波長分布的公式，根據(jù)公式

得出的理論結果與實驗結果完全相符。如圖所示，曲線是根據(jù)普朗克公式得出黑體輻射強度

按照波長分布的函數(shù)圖像，小圓圈代表黑體輻射的實驗值。從圖像看出，兩者吻合的非常完

普朗克的量子化假設把人類對微觀世界的認識推到了一個新的高度，對現(xiàn)代物理學的

發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。普朗克常量力是自然界中最基本的常量之一，它展現(xiàn)了微觀世界

的基本特征，架起了電磁波的波動性與粒子性的橋梁。

二、光電效應

1.光電效應現(xiàn)象：在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應，

發(fā)射出來的電子稱為光電子。

【特別提醒】光電子的本質(zhì)是電子，而不是光子。

2.光電效應的四個規(guī)律

(1)每種金屬都有一個極限頻率。

【特別提醒】每種金屬都有一個極限須率，入射光的頻率不低于這個極限頻率才能使

金屬產(chǎn)生光電效應。

(2)光照射到金屬表面時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。

(3)光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。

(4)光電流的強度與入射光的強度成正比。

【特別提醒】光照強度決定著每秒鐘光源發(fā)射的光子數(shù)，頻率決定著每個光子的能量。

3.遏止電壓與截止頻率(1)遏止電壓“：使光電流減小到零的反向電壓。

(2)截止頻率也能使某種金屬發(fā)生光電效應的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫

極限頻率)。不同的金屬對應著不同的極限頻率。

4.光電效應規(guī)律的理解

（1）“光電子的動能”可以是介于0~Ekm的任意值，只有從金屬表面逸出的光電子才具有最

大初動能，且隨入射光頻率增大而增大。

（2）光電效應是單個光子和單個電子之間的相互作用產(chǎn)生的，金屬中的某個電子只能吸收

一個光子的能量，只有當電子吸收的能量足夠克服原子核的引力而逸出時，才能產(chǎn)生光電效

應。

（3）“入射光強度”指的是單位時間內(nèi)入射到金屬表面單位面積上的光子的總能量，在入射

光頻率v不變時，光強正比于單位時間內(nèi)照到金屬表面單位面積上的光子數(shù)。若入射光頻率

不同，即使光強相同，單位時間內(nèi)照到金屬表面單位面積上的光子數(shù)也不相同，因而從金屬

表面逸出的光電子數(shù)也不相同（形成的光電流也不相同）。

（4）“飽和電流”對應從陰極發(fā)射出的電子全部被“拉向”陽極的狀態(tài)，即使電壓再增大，電

流也不會增大。當光電流達到飽和值之前，其大小不僅與入射光的強度有關，還與光電管兩

極間的電壓有關，只有在光電流達到飽和值以后才和入射光的強度成正比?

5.愛因斯坦光電效應方程

（1）.愛因斯坦的光子說

在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光的能量子，簡稱光

子，光子的能量￡=近。其中人=6.63XIO-gJs。（稱為普朗克常量）

（2）.逸出功Wo

使電子脫離某種金屬所做功的最小值。

【溫馨提示】金屬越活躍，逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應。

（3）.光電子的最大初動能

發(fā)生光電效應時，金屬表面上的蚯吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動

能的最大值。

【特別提醒】光電子的初動能介于0?Ekm之間。

（4）.愛因斯坦光電效應方程

（1）表達式：Ek=hv—Wo.,

光電效應方程表明，光電子最大初動能與入射光的頻率v呈線性關系但不是成正比，與光強

無關。只有當成＞%時，才有光電子逸出。

（2）物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hv,這些能量的一部分用

來克服金屬的逸出功Wo,剩下的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動能

6.光電效應的應用

（1）明確兩個決定關系

①逸出功叫一定時，入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應以及光電子的最大初動能。

②入射光的頻率一定時，入射光的強度決定著單位時間內(nèi)發(fā)射出來的光電子數(shù)。

（2）常見物理量的計算

物理量求解方法

最大初動能Ek

=hv—v=：A

遏止電壓&

eUc=&>=lUc=

截止頻率％%

%=不

遷移應用

三、光的波粒二象性

1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。

2.光電效應、康普頓效應說明光具有粒壬性。

3.光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性。

4.光的波粒二象性的理解

分析角度波動性與粒子性的表現(xiàn)

從頻率上頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象：頻率越高粒子性越顯

看著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領越強

從數(shù)量上個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性

看

從傳播與光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)出粒子性

作用上看

波動性與由光子的能量￡=hv、光子的動量表達式p=,也可以看出，光的波動性和粒子

粒子性的

性并不矛盾，表示粒子性的能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量

統(tǒng)-

——頻率V和波長X

四、德布羅意波實物粒子也具有波動性力即每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)

系。粒子的能量￡和動量P跟它所對應的波的頻率V和波長入之間，遵從如下關系：！/=%

，吟這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波。

1.物質(zhì)波的實驗驗證

（1）實驗探究思路：干涉、衍射是波特有的現(xiàn)象，如果實物粒子具有波動性，則在一定條

件下，也應該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。

（2）實驗驗證：1927年戴維森和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗，得到了電子的

衍射圖樣，證實了電子的波動性。

（3）人們陸續(xù)證實了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性。對于這些粒子，德布羅意給出

的v=，和％=F關系同樣正確。

（4）宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，運動時的動量很大，對應的德布羅意波的波長很

小，根本無法觀察到它的波動性。

2.對物質(zhì)波的理解

（1）任何運動的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都與一個對應的物質(zhì)波相聯(lián)系，

我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應的波長太小的緣故。

（2）粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不能以宏觀觀點中的波來理解。

（3）德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實

物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是

物質(zhì)波。

3.粒子波動性的理解

（1）一切運動著的物體都具有波動性，宏觀物體觀察不到其波動性，但并不否定其具有波

動性。

（2）電子、質(zhì)子等實物粒子，具有能量和動量，當和其他物質(zhì)相互作用時，粒子性起主導

作用。

（3）在宏觀世界中，波與粒子是對立的概念；在微觀世界中，波與粒子可以統(tǒng)一。

五.量子力學與牛頓經(jīng)典力學的比較

比較內(nèi)容牛頓經(jīng)典力學量子力學

粒子是波，波是無邊無際的

粒子的物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一

特征個實體

研究對研究對象分成幾部分，可以對每不能把微觀體系看成是由可以分開的幾部分組成

象一部分進行研究的，因為兩個粒子從波的角度來看，它們是糾纏在

一起的

軌跡描可以同時用質(zhì)點的位置和動量精不可能同時準確地知道粒子的位置和動量，不能用

述確地描述它的運動，軌跡可以確軌跡描述運動

定

運動預如果知道了加速度，可以預言質(zhì)自然界在微觀層次上是由隨機性和機遇支配的，不

言點在以后任意時刻的位置和動量能預言粒子的位置和動量

自然界自然界的變化是連續(xù)的自然界的變化是不連續(xù)的

的變化

第二部分最新高考題精選

1.（2022高考河北）如圖是密立根于1916年發(fā)表的納金屬光電效應的遏止電壓上與入射

光頻率V的實驗曲線，該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程，并且第一次利用光電效

B.鈉的截止頻率為8.5x10"HzC.圖中直線的斜率為普朗克常量D.遏止電壓U,與入

射光頻率V成正比

【參考答案】A

【命題意圖】本題考查光電效應、對遏止電壓&與入射光頻率丫的實驗曲線的理解及其相

關知識點。

【名師解析】

根據(jù)遏止電壓與最大初動能的關系有eU,=Ekmax

根據(jù)愛因斯坦光電效應方程有EkmaK=hv-WQ

當結合圖像可知，當U,為0時，解得叱,="匕，選項A正確；

鈉的截止頻率為，，根據(jù)圖像可知，截止頻率小于8.5x10"Hz，選項B錯誤；

結合遏止電壓與光電效應方程可解得風，對比遏止電壓U,與入射光頻率u的

ee

實驗曲線可知，圖中直線的斜率表示選項c錯誤；根據(jù)遏止電壓與入射光的頻率關系

e

式可知，遏止電壓上與入射光頻率〃成線性關系，不是成正比，選項D錯誤。

2.（2022?全國理綜乙卷?17）一點光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長

約為6x10-7m的光,在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3x10口個。

普朗克常量為〃=6.63x10-3勺&R約為（）

A.1x102mB.3x102m

C.6x102mD.9x102m

【參考答案】B

【名師解析】由￡=加，初c=2v

可得一個光子的能量為E=hc/k

pp2

光源每秒發(fā)出的光子的個數(shù)為n=—=——

hvhe

?為光源的功率，光子以球面波的形式傳播，那么以光源為原點的球面上的光子數(shù)相同，此

時距光源的距離為R處，每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3x1014個，那么此處的球面的

表面積為S=4nR2

則色=3x1（）14

S

聯(lián)立以上各式解得R=3x102m,選項B正確。3.（2021高考新課程H卷海南卷）某金屬

在一束單色光的照射下發(fā)生光電效應，光電子的最大初動能為后小已知該金屬的逸出功為

叫，普朗克常量為〃.根據(jù)愛因斯坦的光電效應理論，該單色光的頻率口為（）

A"B呸CD"包

hhhh

【參考答案】D

【名師解析】由愛因斯坦光電效應方程，Ek=hv-W°,解得v=耳+%，選項D正確。

h

4.（2021新高考天津卷）光刻機是制造芯片的核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細

圖投影在硅片上，再經(jīng)技術處理制成芯片.為提高光刻機清晰投影最小圖像的能力，在透鏡

組和硅片之間充有液體.紫外線進入液體后與其在真空中相比（）

A.波長變短B.光子能量增加C.頻率降低D.傳播速度增大

【參考答案】D

【解題思路】紫外線進入液體后，頻率不變，光子能量不變，波長變短，傳播速度變小，選

項A正確BCD錯誤。

5.（2021年6月浙江選考物理）據(jù)《自然》雜志2021年5月17日報道，中國科學家在稻

城“拉索”基地（如圖）探測到迄今為止最高能量的/射線，能量值為L40xl（）i5eV,即（）

C.2.24x10、D.2.24x10"J

【參考答案】D

【名師解析】根據(jù)leV=1.6xlO也可得

1.40xl0l5eV=1.40xl0l5xl.6xl0-l9J=2.24xl0-4J.故選D。

【名師點評】本題以《自然》雜志2021年5月17日報道的中國科學家在稻城“拉索”基地

探測到迄今為止最高能量的/射線能量值切入，考查“電子伏特''這一單位的物理含義，

6.（2021高考江蘇物理卷）如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進行光電效應探究，

其截止頻率V,<v2,保持入射光不變，則光電子到