第100講電磁波光電效應(yīng)與波粒二象性（原卷版）

第100講電磁波光電效應(yīng)與波粒二象性1．（2021?天津）光刻機(jī)是制造芯片的核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細(xì)圖投影在硅片上，再經(jīng)技術(shù)處理制成芯片。為提高光刻機(jī)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(jìn)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2．（2022?江蘇）光源通過電子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后（）A．頻率減小B．波長減小C．動(dòng)量減小D．速度減小3．（2022?河北）如圖是密立根于1916年發(fā)表的鈉金屬光電效應(yīng)的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的實(shí)驗(yàn)曲線，該實(shí)驗(yàn)直接證明了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并且第一次利用光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了普朗克常量h。由圖像可知（）A．鈉的逸出功為hνcB．鈉的截止頻率為8.5×1014HzC．圖中直線的斜率為普朗克常量D．遏止電壓Uc與入射光頻率v成正比一.知識(shí)回顧1．麥克斯韋電磁場(chǎng)理論：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)(如圖所示)。2．電磁場(chǎng)：變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。3．電磁波(1)產(chǎn)生：變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地向周圍傳播，形成了電磁波。(2)電磁波是橫波，在空間傳播不需要介質(zhì)。電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、傳播方向三者兩兩垂直，如圖所示。(3)電磁波的波速：真空中電磁波的波速與光速相同，c＝3.0×108m/s。(4)v＝λf對(duì)電磁波同樣適用。(5)電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉、偏振和衍射等現(xiàn)象。(6)赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波，并證實(shí)了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論。(7)電磁波與機(jī)械波的比較名稱項(xiàng)目電磁波機(jī)械波產(chǎn)生由周期性變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)產(chǎn)生由質(zhì)點(diǎn)(波源)的振動(dòng)產(chǎn)生波的特點(diǎn)橫波縱波或橫波波速在真空中等于光速c＝3×108m/s；在介質(zhì)中波速較小在空氣中不大(如聲波波速在空氣中約為340m/s)；在液體和固體中較大是否需要介質(zhì)不需要介質(zhì)(在真空中仍可傳播)必須有介質(zhì)(真空中不能傳播)傳播能量電磁能機(jī)械能4．電磁波的發(fā)射(1)發(fā)射電磁波的條件①要有足夠高的振蕩頻率；②必須是開放電路，使振蕩電路的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分散到盡可能大的空間。(2)信號(hào)的調(diào)制：為了利用電磁波傳遞信號(hào)，就要對(duì)電磁波調(diào)制。有調(diào)幅和調(diào)頻兩種調(diào)制方法。①調(diào)幅：使高頻電磁波的振幅隨信號(hào)的強(qiáng)弱而變。②調(diào)頻：使高頻電磁波的頻率隨信號(hào)的強(qiáng)弱而變。5．電磁波的傳播三種傳播方式：天波、地波、直線傳播。6．電磁波的接收(1)當(dāng)接收電路的固有頻率跟收到的電磁波的頻率相同時(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，這種現(xiàn)象叫作電諧振。(2)使接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫作調(diào)諧。(3)從經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩電流中還原出原來的信號(hào)的過程叫作解調(diào)，它是調(diào)制的逆過程。調(diào)幅波的解調(diào)也叫檢波。7.電磁波譜Ⅰ（1）定義按電磁波的波長大小或頻率高低的順序把它們排列成譜，叫作電磁波譜。將電磁波按波長從長到短排列順序是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線。（2）電磁波譜的特性、應(yīng)用電磁波譜頻率/Hz真空中波長/m特性應(yīng)用遞變規(guī)律無線電波小于3×1011大于10－3波動(dòng)性強(qiáng)，易發(fā)生衍射無線電技術(shù)紅外線1011～101510－3～10－7熱效應(yīng)紅外線遙感可見光101510－7引起視覺照明、攝影紫外線1015～101710－7～10－9化學(xué)效應(yīng)、熒光效應(yīng)、能殺菌醫(yī)用消毒、防偽X射線1016～101910－8～10－11穿透能力強(qiáng)檢查、醫(yī)用透視γ射線大于1019小于10－11穿透能力最強(qiáng)工業(yè)探傷、醫(yī)用治療說明(1)波長不同的電磁波，表現(xiàn)出不同的特性。其中波長較長的無線電波和紅外線，易發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象；波長較短的X射線、γ射線，穿透能力較強(qiáng)。(2)電磁波譜中，相鄰兩波段的電磁波的波長并沒有很明顯的界線，如紫外線和X射線、X射線和γ射線都有重疊。(3)不同的電磁波，產(chǎn)生的機(jī)理不同，無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；γ射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。(4)電磁波的能量隨頻率的升高而增大。一.必備知識(shí)1.光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。2．光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子。3．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在截止頻率：當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。不同金屬的截止頻率不同，即截止頻率與金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。(2)存在飽和電流：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，即在一定的光照條件下，單位時(shí)間陰極K發(fā)射的光電子的數(shù)目是一定的。實(shí)驗(yàn)表明，光的頻率一定時(shí)，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電子的初動(dòng)能有最大值，Ekm＝eq\f(1,2)meveq\o\al(2,c)＝eUc，稱為光電子的最大初動(dòng)能。實(shí)驗(yàn)表明，遏止電壓(或光電子的最大初動(dòng)能)與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。(4)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：當(dāng)入射光的頻率超過截止頻率νc時(shí)，無論入射光怎樣微弱，光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。4.愛因斯坦光電效應(yīng)方程（1）光子說光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量為hν，其中h＝6.63×10－34J·s(稱為普朗克常量)。這些能量子后來稱為光子。（2）逸出功W0要使電子脫離某種金屬，需要外界對(duì)它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功。（3）光電子的最大初動(dòng)能在光電效應(yīng)中，金屬中的電子吸收光子后，除了要克服金屬的逸出功外，有時(shí)還要克服原子的其他束縛而做功，這時(shí)光電子的初動(dòng)能就比較??；當(dāng)逸出過程只克服金屬的逸出功而逸出時(shí)，光電子的初動(dòng)能稱為最大初動(dòng)能。（4）愛因斯坦光電效應(yīng)方程表達(dá)式：Ek＝hν－W0。物理意義：金屬表面的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的最大初動(dòng)能Ek＝eq\f(1,2)mev2。(5)對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的解釋對(duì)應(yīng)規(guī)律對(duì)規(guī)律的解釋存在截止頻率νc電子從金屬表面逸出，必須克服金屬的逸出功W0，則入射光子的能量不能小于W0，對(duì)應(yīng)的頻率必須不小于νc＝eq\f(W0,h)，即截止頻率光電子的最大初動(dòng)能隨著入射光頻率的增大而增大，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)電子吸收光子能量后，一部分用來克服金屬的逸出功，剩余部分表現(xiàn)為光電子的初動(dòng)能，只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動(dòng)能。對(duì)于確定的金屬，W0是一定的，故光電子的最大初動(dòng)能只隨入射光頻率的增大而增大，和光強(qiáng)無關(guān)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性光照射金屬時(shí)，電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間光較強(qiáng)時(shí)飽和電流較大對(duì)于同種頻率的光，光較強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的eq\x(\s\up1(10))光電子較多，因而飽和電流較大（6）三個(gè)關(guān)系式愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。最大初動(dòng)能與遏止電壓的關(guān)系：Ek＝eUc。逸出功與極限頻率的關(guān)系：W0＝hνc。（7）兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系光強(qiáng)大(頻率一定時(shí))→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→飽和光電流大。光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大。（8）光電效應(yīng)的圖像分析圖像名稱圖線形狀由圖線可直接(或間接)得到的物理量光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率νc：圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)②逸出功W0：圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的絕對(duì)值，W0＝|－E|＝E③普朗克常量h：圖線的斜率k＝h顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系圖線①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)的值②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動(dòng)能：Ekm＝eUc顏色不同、強(qiáng)度相同的光，光電流與電壓的關(guān)系圖線①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動(dòng)能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光的頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)的值②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke(注：此時(shí)兩極之間接反向電壓)5．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性。(2)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。(3)光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。(4)光子的能量ε＝hν，光子的動(dòng)量p＝eq\f(h,λ)。6．物質(zhì)波(1)1924年，法國物理學(xué)家德布羅意提出：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系，這種波叫作物質(zhì)波，也叫德布羅意波。所以實(shí)物粒子也具有波粒二象性。(2)粒子的能量ε和動(dòng)量p跟它所對(duì)應(yīng)的波的頻率ν和波長λ之間，遵從的關(guān)系為：ν＝eq\f(ε,h)；λ＝eq\f(h,p)。二.例題精析題型一：電磁波與光子例1．隨著通信技術(shù)的更新?lián)Q代，無線通信使用的電磁波頻率更高，頻率資源更豐富，在相同時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)男畔⒘扛?。?代移動(dòng)通信技術(shù)（簡(jiǎn)稱5G）意味著更快的網(wǎng)速和更大的網(wǎng)絡(luò)容載能力，“4G改變生活，5G改變社會(huì)”。與4G相比，5G使用的電磁波（）A．頻率更高B．衍射更明顯C．傳播速度更大D．波長更長題型二：電磁波譜（多選）例2．關(guān)于電磁波譜，下列說法中正確的是（）A．X射線對(duì)生命物質(zhì)有較強(qiáng)的作用，過量的X射線輻射會(huì)引起生物體的病變B．γ射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高C．紫外線比紫光更容易發(fā)生干涉和衍射D．在電磁波譜中，最容易發(fā)生衍射現(xiàn)象的是γ射線E．在電磁波譜中，無線電波一般可用于通信題型三：電磁波的產(chǎn)生例3．根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，下列說法中正確的是（）A．變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)B．均勻變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)C．穩(wěn)定的電場(chǎng)一定產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)D．周期性變化的電場(chǎng)一定產(chǎn)生同頻率的周期性變化的磁場(chǎng)題型四：電磁波綜合（多選）例4．關(guān)于電磁波，下列說法正確的是（）A．電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關(guān)B．周期性變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互激發(fā)，形成電磁波C．電磁波在真空中自由傳播時(shí)，其傳播方向與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均垂直D．電磁波可以由電磁振蕩產(chǎn)生，若波源的電磁振蕩停止，空間的電磁波隨即消失題型五：電磁波在生活中的應(yīng)用例5．新冠肺炎疫情突發(fā)，中華兒女風(fēng)雨同舟、守望相助，筑起了抗擊疫情的巍峨長城。志愿者用非接觸式體溫測(cè)量儀，通過人體輻射的紅外線測(cè)量體溫，防控人員用紫外線燈在無人環(huán)境下消殺病毒，為人民健康保駕護(hù)航。紅外線和紫外線相比較（）A．紅外線的光子能量比紫外線的小B．真空中紅外線的波長比紫外線的短C．真空中紅外線的傳播速度比紫外線的大D．紅外線能發(fā)生偏振現(xiàn)象，而紫外線不能題型六：電磁波與機(jī)械波的區(qū)別（多選）例6．（2021?福建）以聲波作為信息載體的水聲通信是水下長距離通信的主要手段。2020年11月10日，中國載人潛水器“奮斗者”號(hào)創(chuàng)造了10909米深潛紀(jì)錄。此次深潛作業(yè)利用了水聲通信和電磁通信等多種通信方式進(jìn)行指令傳輸或數(shù)據(jù)交換，如圖所示。下列說法正確的是（）A．“奮斗者”號(hào)與“探索一號(hào)”通信的信息載體屬于橫波B．“奮斗者”號(hào)與“滄海”號(hào)通信的信息載體屬于橫波C．“探索一號(hào)”與通信衛(wèi)星的實(shí)時(shí)通信可以通過機(jī)械波實(shí)現(xiàn)D．“探索一號(hào)”與“探索二號(hào)”的通信過程也是能量傳播的過程三.舉一反三，鞏固練習(xí)某金屬在光的照射下發(fā)生光電效應(yīng)，光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，則（）A．普朗克常量為νB．入射光的頻率為3νc時(shí)，逸出的光電子的最大初動(dòng)能為2EC．頻率大于2νc的入射光照射該金屬時(shí)才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)D．若光在真空中的速度為c，則波長大于cν當(dāng)具有5.0eV能量的光子照射到某金屬表面后，從金屬表面逸出的電子具有最大的初動(dòng)能是1.5eV．為了使這種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光的最低能量為（）A．1.5eVB．3.5eVC．5.0eVD．6.5eV研究光電效應(yīng)的電路如圖所示，用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板（陰極K），鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關(guān)系圖象中，正確的是（）A．B．C．D．下列說法正確的是（）A．玻爾原子理論第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念，成功地解釋了各種原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律B．普朗克通過研究黑體輻射提出能量子的概念，成為量子力學(xué)的奠基人之一C．放射性原子核發(fā)生衰變后產(chǎn)生的新核從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，輻射出γ射線，γ射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中都會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)D．一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，可能是因?yàn)檫@束光的光強(qiáng)太?。ǘ噙x）產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，關(guān)于逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek，下列說法正確的是（）A．對(duì)于同種金屬，Ek與照射光的強(qiáng)度無關(guān)B．對(duì)于同種金屬，Ek與照射光的波長成反比C．對(duì)于同種金屬，Ek與光照射的時(shí)間成正比D．對(duì)于同種金屬，Ek與照射光的頻率成線性關(guān)系E．對(duì)于不同種金屬，若照射光頻率不變，Ek與金屬的逸出功成線性關(guān)系為了測(cè)量儲(chǔ)液罐中液體的液面高度，有人設(shè)計(jì)了如圖甲所示裝置。將與儲(chǔ)物罐外殼絕緣的兩塊平行金屬板構(gòu)成的電容C置于儲(chǔ)液罐中，電容C可通過開關(guān)S與電感L或電源相連。當(dāng)開關(guān)從a撥到b時(shí)，由電感L與電容C構(gòu)成的回路中產(chǎn)生振蕩電流而向外輻射電磁波，再使用乙圖中的調(diào)諧電路來接收甲振蕩電路中的