171光電效應(yīng)與波粒二象性-2024高考一輪復(fù)習(xí)100考點100講

2024年高考一輪復(fù)習(xí)100考點100講第17章原子物理第17.1講光電效應(yīng)和波粒二象性【知識點精講】1.黑體的輻射規(guī)律黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度①有關(guān)。隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。為解釋黑體輻射規(guī)律，普朗克提出能量子假設(shè)：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ε的整數(shù)倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……把這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子。能量子大小：ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h是普朗克常量，數(shù)值h＝6.626×10－34__J·s(一般h取6.63×10－34J·s)。21*cnjy*2．光電效應(yīng)(1)定義：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)規(guī)律①每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入射光的強度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。③光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎瞬時的，一般不超過10－9s。④當入射光的頻率大于極限頻率時，飽和光電流的強度與入射光的強度成正比。3．愛因斯坦光電效應(yīng)方程(1)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ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s。(稱為普朗克常量)(2)逸出功W0：使電子脫離某種金屬所做功的最小值。(3)最大初動能：發(fā)生光電效應(yīng)時，金屬表面上的電子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。(4)愛因斯坦光電效應(yīng)方程①表達式：Ek＝hν－W0。②物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動能Ek＝eq\f(1,2)mev2。4．光的波粒二象性(1)光既具有波動性又具有粒子性，即光具有波粒二象性。(2)光子的能量ε＝hν和動量p＝eq\f(h,λ)。兩式左側(cè)的物理量ε和p描述光的粒子性，右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動性，普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。5．粒子的波動性(1)每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系，這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，也叫做物質(zhì)波。(2)物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式波長：λ＝eq\f(h,p)，頻率：ν＝eq\f(ε,h)。6．概率波(1)光波是一種概率波光的波動性不是光子之間相互作用的結(jié)果而是光子自身固有的性質(zhì)，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以，光波是一種概率波。(2)物質(zhì)波也是一種概率波對于電子和其他微觀粒子，單個粒子的位置是不確定的，但在某點出現(xiàn)的概率的大小可以由波動規(guī)律確定，而且對于大量粒子，這種概率分布導(dǎo)致確定的宏觀結(jié)果，所以物質(zhì)波也是概率波。7．不確定性關(guān)系(1)定義：在經(jīng)典物理學(xué)中，一個質(zhì)點的位置和動量是可以同時測定的，在微觀物理學(xué)中，要同時測出微觀粒子的位置和動量是不太可能的，這種關(guān)系叫不確定性關(guān)系。(2)表達式：ΔxΔp≥eq\f(h,4π)。其中以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，h是普朗克常量?！痉椒w納】一對光電效應(yīng)規(guī)律理解1．對光電效應(yīng)的四點提醒(1)能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強度而取決于光的頻率。(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。(3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān)。(4)光電子不是光子，而是電子。2．兩條對應(yīng)關(guān)系(1)光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。3．定量分析時應(yīng)抓住三個關(guān)系式(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。(2)最大初動能與遏止電壓的關(guān)系：Ek＝eUc。(3)逸出功與極限頻率的關(guān)系：W0＝hν0。二用圖象表示光電效應(yīng)方程(1)最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線如圖。(2)由曲線可以得到的物理量：①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc。②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0＝E。③普朗克常量：圖線的斜率k＝h。三、對波粒二象性的理解光既有波動性，又有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機的統(tǒng)一體，其表現(xiàn)規(guī)律為：(1)從數(shù)量上看：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。(2)從頻率上看：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，粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領(lǐng)越強。(3)從傳播與作用上看：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)為粒子性。(4)波動性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量E＝hν，光子的動量p＝eq\f(h,λ)表達式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ。由以上兩式和波速公式c＝λν還可以得出E＝pc。【最新高考題精練】1.（2023高考江蘇學(xué)業(yè)水平選擇性考試）“夸父一號”太陽探測衛(wèi)星可以觀測太陽輻射的硬X射線。硬X射線是波長很短的光子，設(shè)波長為。若太陽均勻地向各個方向輻射硬X射線，衛(wèi)星探測儀鏡頭正對著太陽，每秒接收到N個該種光子。已知探測儀鏡頭面積為S，衛(wèi)星離太陽中心的距離為R，普朗克常量為h，光速為c，求：（1）每個光子的動量p和能量E；（2）太陽輻射硬X射線的總功率P?！緟⒖即鸢浮浚?），；（2）【名師解析】（1）由題意可知每個光子的動量為每個光子的能量為（2）太陽均勻地向各個方向輻射硬X射線，根據(jù)題意設(shè)t秒發(fā)射總光子數(shù)為n，則可得所以t秒輻射光子的總能量太陽輻射硬X射線的總功率2．（2023高考北京卷）在發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象后，人們往往試圖用不同的理論方法來解釋，比如，當發(fā)現(xiàn)光在地球附近的重力場中傳播時其頻率會發(fā)生變化這種現(xiàn)象后，科學(xué)家分別用兩種方法做出了解釋．現(xiàn)象：從地面P點向上發(fā)出一束頻率為的光，射向離地面高為H（遠小于地球半徑）的Q點處的接收器上，接收器接收到的光的頻率為．方法一：根據(jù)光子能量（式中h為普朗克常量，m為光子的等效質(zhì)量，c為真空中的光速）和重力場中能量守恒定律，可得接收器接收到的光的頻率．方法二：根據(jù)廣義相對論，光在有萬有引力的空間中運動時，其頻率會發(fā)生變化，將該理論應(yīng)用于地球附近，可得接收器接收到的光的頻率，式中G為引力常量，M為地球質(zhì)量，R為地球半徑．下列說法正確的是（）A．由方法一得到，g為地球表面附近的重力加速度B．由方法二可知，接收器接收到的光的波長大于發(fā)出時光的波長C．若從Q點發(fā)出一束光照射到P點，從以上兩種方法均可知，其頻率會變小D．通過類比，可知太陽表面發(fā)出的光的頻率在傳播過程中變大【參考答案】B【名師解析】方法一中，由能量守恒定律，hν0=mgH+hν，解得v=ν0（1），A錯誤；根據(jù)方法二接收器接收到的光的頻率公式，可知，接收到的光的頻率小于發(fā)出時光的頻率，利用波長與頻率成反比可知，接收器接收到的光的波長大于發(fā)出時光的波長，B正確；若從Q點發(fā)出一束光折射到P點，從以上兩種方法均可知，其頻率會變大，C錯誤；通過類比，可知，由于太陽質(zhì)量遠大于地球質(zhì)量，太陽表面發(fā)出的光的頻率在傳播過程中需要克服太陽引力做功，所以太陽表面發(fā)出的光的頻率在傳播過程中變小，D錯誤。3.（2023高考海南卷）已知一個激光發(fā)射器功率為，發(fā)射波長為的光，光速為，普朗克常量為，則（）A.光的頻率為 B.光子的能量為C.光子的動量為 D.在時間內(nèi)激光器發(fā)射的光子數(shù)為【參考答案】AC【名師解析】光的頻率，選項A正確；光子的能量，選項B錯誤；光子的動量，選項C正確；在時間t內(nèi)激光器發(fā)射的光子數(shù)，選項D錯誤。4.（2022天津?qū)W業(yè)水平選擇性考試）不同波長的電磁波具有不同的特性，在科研、生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用。a、b兩單色光在電磁波譜中的位置如圖所示。下列說法正確的是（）A.若a、b光均由氫原子能級躍遷產(chǎn)生，產(chǎn)生a光的能級能量差大B.若a、b光分別照射同一小孔發(fā)生衍射，a光的衍射現(xiàn)象更明顯C.若a、b光分別照射同一光電管發(fā)生光電效應(yīng)，a光的遏止電壓高D.若a、b光分別作為同一雙縫干涉裝置光源時，a光的干涉條紋間距大【參考答案】BD【命題意圖】本題以電磁波譜切入，考查能級、光電效應(yīng)、雙縫干涉、光的衍射及其相關(guān)知識點?！久麕熃馕觥坑蓤D中a、b兩單色光在電磁波譜中的位置，判斷出a光的波長大于b光的波長，a光的頻率小于b光的頻率。若a、b光均由氫原子能級躍遷產(chǎn)生，根據(jù)玻爾原子理論的頻率條件可知產(chǎn)生a光的能級能量差小，故A錯誤；若a、b光分別照射同一小孔發(fā)生衍射，根據(jù)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，a光的衍射現(xiàn)象更明顯，故B正確；在分別照射同一光電管發(fā)生光電效應(yīng)時，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知a光的遏止電壓低，故C錯誤；a、b光分別作為同一雙縫干涉裝置光源時，相鄰兩條亮紋或暗紋的中心間距可知a光的干涉條紋間距大，故D正確?！咀钚履M題精練】1..（2023西南大學(xué)附中高考適應(yīng)性考試）如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖像，下列說法正確的是（）A.該金屬的逸出功為0.5eV B.該金屬的極限頻率為5.50×1014HzC.根據(jù)該圖像能求出普朗克常量 D.根據(jù)該圖像能求出電子的電荷量【參考答案】C【名師解析】根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hνW，Ekν圖象的橫軸的截距大小等于極限頻率，由圖知該金屬的極限頻率為4.3×1014

Hz，故B錯誤。由Ek=hνW，得知該圖線的斜率表示普朗克常量h，則故C正確。當Ek=hνW=0時，逸出功為W=hν0=6.67×1034×4.3×1014J=2.88×1019J≈1.79eV，故A錯誤。根據(jù)該圖像不能求出電子的電荷量，選項D錯誤。2..(2023湖南名校5月質(zhì)檢)氫原子能級如圖甲所示，一群處于n＝5能級的氫原子，向低能級躍遷時發(fā)出多種光，分別用這些光照射圖乙電路的陰極K，其中3條光電流I隨電壓U變化的圖線如圖丙所示，已知可見光的光子能量范圍約為1.62eV到3.11eV之間。則（）A.氫原子從n＝5能級向低能級躍遷時能輻射出10種頻率的可見光B.圖乙中當滑片P從a端移向b端過程中，光電流I有可能先增大后不變C.若圖丙中3條線均為可見光照射陰極得到，一個處于第一激發(fā)態(tài)的氫原子被1.99eV的電子撞擊后可以發(fā)出c光D.若圖丙中3條線均為可見光照射陰極得到，則a光是氫原子從n＝5的能級向n＝2的能級躍遷時輻射出的【參考答案】BCD【名師解析】.氫原子從n=5能級向低能級躍遷時能輻射出=10種頻率的光，其中只有從n=5能級躍遷到n=2能級、n=4能級躍遷到n=2能級及n=3能級躍遷到n=2能級發(fā)出的光為可見光，故A錯誤；.由圖乙可知，當滑片P從a端移向b端過程中，從a到c電壓負向減小，從c到b電壓正向增大，所以光電流I增大，當所有的光電子都能到達A極板時，滑片移動光電流不再增大，故當滑片P從a端移向b端過程中，光電流I可能先增大后不變，故B正確；.由圖丙可知c光的遏止電壓最小，由可知c光的能量最小，一個處于第一激發(fā)態(tài)的氫原子被1.99eV的電子撞擊后可以躍遷到n=3能級，向下躍遷時刻發(fā)出c光，故C正確；.由圖丙可知a光遏止電壓最大，由可知a光的能量最大，在一群處于n=5能級的氫原子，向低能級躍遷時發(fā)出的可見光中從n=5能級向n=2能級躍遷的輻射的光電子能量最大，故D正確。3.（2023浙江杭州學(xué)軍中學(xué)質(zhì)檢）如圖1、2、3所示為與光電效應(yīng)相關(guān)的三幅圖，圖3為a、b、c三種單色光分別照射金屬K時得到的光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系圖線。下列說法正確的是（）A.光電效應(yīng)是愛因斯坦最早在實驗中發(fā)現(xiàn)，并用光子說成功加以解釋B.圖2中，若僅將電源極性對調(diào)，則電流表一定無示數(shù)C.圖2中，若電流表無示數(shù)，說明金屬K受光照時一定沒有發(fā)生光電效應(yīng)D.根據(jù)圖3可知，b光的光子動量一定大于c光的光子動量【參考答案】CD【名師解析】赫茲最早發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，故A錯誤；圖2中，若僅將電源正負極性對調(diào)，如果光電子的最大初動能大于電場力做功，光電子仍可以到達A板，電路中有電流，電流表有示數(shù)，如果光電子的最大初動能小于電場力做功，則電路中沒有電流，電流表沒有示數(shù)，故B錯誤；圖2中，如果發(fā)生光電效應(yīng)，光電子在電場力作用下向左運動，電路中有電流，電流表有示數(shù)，如果電流表沒有示數(shù)，說明沒有發(fā)生光電效應(yīng)，故C正確；圖3中，光電流恰為零，此時光電管兩端加的電壓為截止電壓，對應(yīng)的光的頻率為截止頻率，根據(jù)可知入射光的頻率越高，對應(yīng)的截止電壓越大，由圖丙所示可知，a、c截止電壓相等，a、c為同一頻率的單色光，b的截止電壓大，b的截止頻率大，b的波長λ小，光的動量波長越小光子動量越大，由此可知，b光子的動量大于c光子的動量，故D正確。。4.（2023年廣東廣州一模）如圖，放映電影時，強光照在膠片上，一方面，將膠片上的“影”投到屏幕上；另一方面，通過聲道后的光照在光電管上，隨即產(chǎn)生光電流，喇叭發(fā)出與畫面同步的聲音。電影實現(xiàn)聲音與影像同步，主要應(yīng)用了光電效應(yīng)的下列哪一條規(guī)律（）A.光電效應(yīng)的發(fā)生時間極短，光停止照射，光電效應(yīng)立即停止B.入射光的頻率必須大于金屬的極限頻率，光電效應(yīng)才能發(fā)生C.光電子的最大初動能與入射光的強度無關(guān)，只隨著入射光的頻率增大而增大D.當入射光的頻率大于極限頻率時，光電流的強度隨入射光的強度增大而增大【參考答案】A【名師解析】電影實現(xiàn)聲音與影像同步，主要應(yīng)用了光電效應(yīng)中的規(guī)律是：光電效應(yīng)的發(fā)生時間極短，光停止照射，光電效應(yīng)立即停止，依據(jù)該原理實現(xiàn)聲音與影像同步。故選A。5．（2023四川成都七中二診）如圖所示，圖甲為氫原子的能級圖，大量處于激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷時，發(fā)出頻率不同的大量光子，其中頻率最高的光子照射到圖乙電路中光電管陰極上時，電路中電流隨電壓變化的圖像如圖丙所示。下列說法不正確的是（）A．光電管陰極金屬材料的逸出功為B．這些氫原子躍遷時共發(fā)出6種頻率的光C．若調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片能使光電流為零，則可判斷圖乙中電源右側(cè)為正極D．氫原子從能級躍遷到能級時，氫原子能量減小，核外電子動能增加【參考答案】C【名師解析】．由圖甲可知光子的能量為由圖丙可知遏止電壓為7V，所以光電子的初動能為所以金屬材料的逸出功為，故A正確，不符合題意；這些氫原子躍遷時共發(fā)出，種頻率的光，故B正確，不符合題意；光電子由陰極K向?qū)γ娴臉O板運動，形成的電流在圖乙中從右向左流動，要阻止該電流，需要施加反向電壓，即電源左側(cè)應(yīng)該為正極，故C錯誤，符合題意；氫原子從能級躍遷到能級時，氫原子能量減小，庫侖力做正功，核外電子動能增加，故D正確，不符合題意。故選C。6.（2023吉林通化梅河口五中二模）光電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件。管內(nèi)除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個瓦形倍增電極。使用時相鄰兩倍增電極間均加有電壓，以此來加速電子。如圖所示，光電陰極受光照后釋放出光電子，在電場作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發(fā)射，激發(fā)出更多的電子，然后在電場作用下飛向下一個倍增電極，又激發(fā)出更多的電子，如此電子數(shù)不斷倍增，使得光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多，可用來檢測微弱光信號。下列說法正確的是（）A.光電倍增管正常工作時，每個倍增電極上都發(fā)生了光電效應(yīng)B.光電倍增管中增值的能量來源于照射光C.圖中標號為偶數(shù)的倍增電極的電勢要高于標號為奇數(shù)的電極的電勢D.適當增大倍增電極間的電壓有利于探測更微弱的信號【參考答案】D【名師解析】光電效應(yīng)是在高于極限頻率的電磁波的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子吸收能量后逸出的現(xiàn)象，光電倍增管正常工作時，每個倍增電極上被加速后的電子撞擊激發(fā)出更多的電子，故不是光電效應(yīng)，A錯誤；光電倍增管中增值的能量來源于相鄰兩倍增電極間的加速電場，B錯誤；電子在相鄰倍增電極中加速，故圖中標號數(shù)字較大的倍增電極的電勢要高于數(shù)字較小的電極的電勢，C錯誤；適當增大倍增電極間的電壓，被加速的電子獲得的動能更大，更有利于電極電子的電離，故有利于探測更微弱的信號，D正確。7.（2023浙江臺州二模）如乙圖所示，一束復(fù)色光從空氣射向一個球狀水滴后被分成了a、b兩束單色光，分別將這兩束單色光射向圖甲所示的裝置，僅有一束光能發(fā)生光電效應(yīng)。調(diào)節(jié)滑片P的位置，當電流表示數(shù)恰為零時，電壓變示數(shù)為。已知該種金屬的極限頻率為，電子電荷量的絕對值為e，普朗克常量為h，下列說法正確的是（）A.a光在玻璃中的傳播速度比b光小B.b光的光子能量為C保持光強不變，滑片P由圖示位置向左移，電流表示數(shù)變大D.用同一雙縫做光的干涉實驗，a光產(chǎn)生的干涉條紋間距比b光的大【參考答案】BD【名師解析】．由乙圖知，由于兩束光入射角相同，b光的折射角小，根據(jù)可知b光的折射率大于a光的折射率，根據(jù)所以b光在玻璃中的傳播速度比a光小，A錯誤；由折射率和頻率的關(guān)可知，b光的頻率大于a光的頻率，故b光發(fā)生光電效應(yīng)，根據(jù)光電效應(yīng)方程又有所以b光的光子能量為，B正確；保持光強不變，滑片P由圖示位置向左移，則AK兩端的電壓變小，則電流表示數(shù)可能不變，可能變小，C錯誤；由于b光的折射率大，所以a光的波長大于b光的波長，根據(jù)用同一雙縫做光的干涉實驗，a光產(chǎn)生的干涉條紋間距比b光的大，D正確。8.（2023河南開封二模）在利用光電管探究光電效應(yīng)規(guī)律的實驗中，當用不同波長的光照射光電管的陰極時，測出光電管的遏止電壓與對應(yīng)入射光的波長。以遏止電壓為縱坐標，人射光波長倒數(shù)為橫坐標，作出圖像如圖所示。已知a、b為已知量，光電子的電荷量為e，光速為c，則下列說法正確的是（）A.光電管陰極材料的逸出功為beB.普朗克常量為C.波長的光照射光電管的陰極時，產(chǎn)生的光電流與成正比D.波長的光照射光電管的陰極時，一定能發(fā)生光電效應(yīng)【參考答案】B【名師解析】由光電效應(yīng)方程故光電管陰極材料的逸出功為be，故A錯誤；由光電效應(yīng)方程整理得圖像的斜率為可求得，故B正確；波長的光照射光電管的陰極時，發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生的光電流與成反相關(guān)，不成正比，C錯誤。波長的光，則頻率小于截止頻率，照射光電管的陰極時，一定不能發(fā)生光電效應(yīng)，D錯誤。。9.（2023云南昆明云南師大附中質(zhì)檢）現(xiàn)用某一頻率為光照射在陰極K上，陰極材料極限頻率為，如圖所示，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片的位置，當電壓表示數(shù)為時，電流表G示數(shù)恰好為零。電子電荷量的大小為，普朗克常量為，下列說法正確的是（）A.若入射光頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則遏止電壓為B.若入射光頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則光電子的最大初動能為2C.保持滑動變阻器滑片位置不變，若入射光頻率變?yōu)樵瓉?倍，則電子到達A極的最大動能為D.入射光頻率為，若改變電路，加大小為的正向電壓，電子到達A極的最大動能為【參考答案】ACD【名師解析】根據(jù)光電效應(yīng)方程可得當電壓表示數(shù)為時，電流表G示數(shù)恰好為零，根據(jù)動能定理可得若入射光頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則有設(shè)遏止電壓變?yōu)?，則有聯(lián)立解得，故A正確；若入射光頻率變?yōu)樵瓉淼?倍，則有故B錯誤；保持滑動變阻器滑片位置不變，若入