專題十五波粒二象性

專題一質(zhì)點的直線運動高考物理浙江專用考點光電效應(yīng)波粒二象性考點清單考點基礎(chǔ)一、光電效應(yīng)1.在光的照射下從金屬中發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng),發(fā)射出的電子叫

光電子。光電效應(yīng)的實驗規(guī)律如下:(1)任何一種金屬都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于這個極限頻

率,才能產(chǎn)生光電效應(yīng),低于這個頻率的光不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。(2)光電子的最大初動能與光照強度無關(guān),只隨著入射光頻率的增大而增大。(3)入射光照射到金屬上時,光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的,一般不超過10-9s。(4)當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時,光電流的大小與入射光的強度成正比。2.愛因斯坦為解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象,提出了光子說,其內(nèi)容為:空間傳播的光是

不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫做一個光子,每個光子的能量為hν。3.光電效應(yīng)方程最大初動能與入射光頻率之間的關(guān)系:

=hν-W(或Ek=hν-W)。若入射光子的能量恰等于金屬的逸出功,則光電子的最大初動能為零,入射

光的頻率就是該金屬的極限頻率。此時有hν0=W,即ν0=

,可求出極限頻率,反過來從實驗中測出金屬的極限頻率ν0,也可求出逸出功。二、波粒二象性1.光既具有波動性,又具有粒子性,為說明光的一切行為,只能說光具有波粒

二象性。(1)大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性,個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示

出粒子性;頻率越低的光波動性越明顯,頻率越高的光粒子性越明顯。(2)光在傳播過程中往往顯示波動性,在與物質(zhì)作用時往往顯示粒子性。(3)光波是一種概率波。概率是一種可能性,而不是確定性,光是不連續(xù)的,是一份一份的,它可能到

達(dá)某個地方,若大量光子能到達(dá)某地方就表現(xiàn)出波動性。3.光的波動性實驗基礎(chǔ):干涉、衍射和偏振。光的粒子性實驗基礎(chǔ):光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)。三、物質(zhì)波經(jīng)典粒子與經(jīng)典波經(jīng)典粒子任意時刻的確定的位置和速度以及時空中的確定的軌道,是經(jīng)典物理學(xué)中粒子運動的基本特

征經(jīng)典波具有波長和頻率,即在空間與時間上具有周期性物質(zhì)波德布羅意認(rèn)為,任何一個運動著的物體,都有一種波與之相伴隨,其

波長λ=

,p是物體的動量,h是普朗克常量。人們把這種波稱為物質(zhì)波,也稱為德布羅意波2.對波粒二象性的理解概率波在現(xiàn)代物理中,微觀粒子的運動不具有確定的位置和動量,沒有軌

跡的概念。某時刻粒子在空間任一點都有可能出現(xiàn),只是在不同

位置出現(xiàn)的概率不同。粒子在空間出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律,這

種波就稱為概率波不確定關(guān)系如果以Δx表示粒子位置的不確定量,以Δp表示粒子在x方向上的

動量的不確定量,那么ΔxΔp≥

,式中h為普朗克常量備注(1)宏觀物體觀察不到其波動性的原因是其波長太短,波動性太弱(2)物質(zhì)波是概率波(3)光波也是概率波(4)對于光,先有波動理論(ν和λ),其后在量子理論中引入了光子的

能量E和動量p來補充它的粒子性。對于實物粒子,則先有粒子概

念(E和p),再引用德布羅意波的概念來補充它的波動性考向突破考向光的粒子性一、光電效應(yīng)的理解1.理解光電效應(yīng)的兩條主線(1)光的頻率ν:光子ν高→E大→光電子最大初動能Ek大。(2)光的強度:在能產(chǎn)生光電效應(yīng)的情況下,光的頻率一定時,光的強度大→

光子數(shù)目多→產(chǎn)生光電子多→光電流大。2.光電效應(yīng)的兩個圖像(1)光電子的最大初動能隨入射光頻率變化而變化的圖像如圖所示。依據(jù)

m

=hν-hν0可知:當(dāng)Ek=

m

=0時,ν=ν0,即圖線在橫軸上的截距在數(shù)值上等于金屬的極限頻率。斜率k=h(h為普朗克常量)。圖線在縱軸上的截距在數(shù)值上等于金屬的逸出功:W=hν0。(2)光電流隨外電壓變化而變化的規(guī)律如圖所示,縱軸表示光電流,橫軸表示陰、陽兩極處所加外電壓。當(dāng)U=Uc時,光電流恰好為零,此時能求出光電子的最大初動能,即Ek=eUc,此

電壓稱為遏止電壓。

當(dāng)U=U0時,光電流恰達(dá)到飽和光電流,此時所有光電子都參與了導(dǎo)電,電流

最大為Imax。例1

(2019北京理綜,19,6分)光電管是一種利用光照射產(chǎn)生電流的裝置,當(dāng)入射光照在管中金屬板上時,可能形成光電流。表中給出了6次實驗的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)得出的論斷中不正確的是

()A.兩組實驗采用了不同頻率的入射光B.兩組實驗所用的金屬板材質(zhì)不同組次入射光子的能量/eV相對光強光電流大小/mA逸出光電子的最大動能/eV第一組1234.04.04.0弱中強2943600.90.90.9第二組4566.06.06.0弱中強2740552.92.92.9C.若入射光子的能量為5.0eV,逸出光電子的最大動能為1.9eVD.若入射光子的能量為5.0eV,相對光強越強,光電流越大解題思路認(rèn)真分析題中所給的數(shù)據(jù),利用光電效應(yīng)方程計算逸出功和最

大初動能。解析本題考查了光電管在光照下產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象和考生的實驗數(shù)據(jù)

分析能力,培養(yǎng)了考生的科學(xué)探究素養(yǎng)。表格中入射光子的能量不同,根據(jù)光子的能量E=hν可知兩組實驗采用的入

射光的頻率不同,再由光電效應(yīng)方程解得兩組實驗中金屬的逸出功都是3.1

eV,所以A選項正確,B選項不正確。當(dāng)入射光子的能量為5.0eV時,Ekm=hν-

W逸出功=1.9eV,故C選項正確。當(dāng)入射光子的能量為5.0eV時,相對光強越

強,單位時間內(nèi)飛出的光電子越多,光電流越大,所以D項正確。答案

B

二、康普頓效應(yīng)概念當(dāng)X射線入射到物質(zhì)上被散射后,在散射波中,除有與入射波的波長相同的射線外,還有波長比入射波的波長更長的射線。人們把這種波長變化的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)解釋在康普頓效應(yīng)中,入射光的光子與物質(zhì)中的自由電子發(fā)生彈性碰撞,碰撞中滿足動量守恒與能量守恒,光子的一部分能量傳遞給電子,從而引起被散射光子的能量減小,頻率減小,波長變長意義(1)證明了愛因斯坦光子說的正確性(2)揭示了光子不僅具有能量,還具有動量(3)揭示了光具有粒子性的一面(4)證實了在微觀粒子的單個碰撞事件中動量守

恒定律和能量守恒定律仍然成立說明光子的動量由動量的定義有p=mc,結(jié)合光子能量E=hν、愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2及

c=λν可得p=

。例2(多選)下列實驗中,揭示了光的粒子性一面的有

()A.X射線被石墨散射后部分波長增大B.鋅板被紫外線照射時有電子逸出,但被可見光照射時沒有電子逸出C.轟擊金箔的α粒子中有少數(shù)運動方向發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)D.氫原子發(fā)射的光經(jīng)三棱鏡分光后,呈現(xiàn)線狀光譜解析光既具有粒子性,又具有波動性,光的干涉、衍射、偏振說明光具有

波動性,光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)說