（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十五章 第1節(jié) 光電效應(yīng) 波粒二象性學(xué)案（含解析）

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1、（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十五章 第1節(jié) 光電效應(yīng) 波粒二象性學(xué)案（含解析） 新課程標準 核心知識提煉 1.了解人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子核式結(jié)構(gòu)模型。通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu)。 2.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫出核反應(yīng)方程。 3.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計意義。了解放射性同位素的應(yīng)用，知道射線的危害與防護。 4.認識原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。 5.了解人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程。 6.通過實驗，了解

2、光電效應(yīng)現(xiàn)象。能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。 7.知道實物粒子具有波動性，了解微觀世界的量子化現(xiàn)象。體會量子論的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響。 原子核式結(jié)構(gòu)模型 氫原子光譜 原子的能級結(jié)構(gòu) 原子核的組成 核力的性質(zhì)　四種基本相互作用 核反應(yīng)方程 放射性和原子核衰變　半衰期 放射性同位素 結(jié)合能 核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng) 光的波粒二象性　光電效應(yīng)現(xiàn)象 愛因斯坦光電效應(yīng)方程 第1節(jié)　光電效應(yīng)　波粒二象性 一、光電效應(yīng) 1．光電效應(yīng)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 [注1]，稱為光電效應(yīng)，發(fā)射出來的電子

3、稱為光電子。 2．光電效應(yīng)的四個規(guī)律 (1)每種金屬都有一個極限頻率。 (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(guān)，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。[注2] 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Uc。 (2)截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)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(yīng)著不同的極限頻率。 二、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

4、的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34 J·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。[注3] 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＝mev2。 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(yīng)說明光具有粒子性。 3．光既具有波動性，又具

5、有粒子性，稱為光的波粒二象性。 【注解釋疑】 [注1] 光電效應(yīng)現(xiàn)象可認為是光子把原子最外層的電子撞了出來，是一對一的關(guān)系，而且是瞬時的。 [注2] 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。 [注3] 金屬越活躍，逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應(yīng)。 [深化理解] 1．每種金屬都有一個極限頻率，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(yīng)。 2．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．遏止電壓Uc與入射光頻率ν、逸出功W0間的關(guān)系式：Uc＝ν－。 4．截止頻率νc與逸出功W0的關(guān)系：hνc－W0＝0，據(jù)此求出截止頻

6、率νc。 [基礎(chǔ)自測] 一、判斷題 (1)光子和光電子都是實物粒子。(×) (2)只要入射光的強度足夠強，就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。(×) (3)要想在光電效應(yīng)實驗中測到光電流，入射光子的能量必須大于金屬的逸出功。(√) (4)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比。(×) (5)光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性。(√) (6)德國物理學(xué)家普朗克提出了量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。(×) 二、選擇題 1．[人教版選修3－5 P30演示實驗改編](多選)如圖所示，用導(dǎo)線把驗電器與鋅板相連接，當用紫外線照射鋅板時，發(fā)生的現(xiàn)象是(　　) A．有光子從鋅

7、板逸出　　　 B．有電子從鋅板逸出 C．驗電器指針張開一個角度 D．鋅板帶負電 答案：BC 2．在光電效應(yīng)實驗中，用波長為λ的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)，下列說法正確的是(　　) A．僅增大入射光的強度，光電流大小不變 B．僅減小入射光的強度，光電效應(yīng)現(xiàn)象可能消失 C．改用波長大于λ的光照射，光電子的最大初動能變大 D．改用波長大于λ的光照射，可能不發(fā)生光電效應(yīng) 解析：選D　當發(fā)生光電效應(yīng)時，增大入射光的強度，則光電流會增大，故A錯誤；入射光的頻率不低于金屬的極限頻率，就會發(fā)生光電效應(yīng)，與入射光的強度無關(guān)，故B錯誤；在光電效應(yīng)中，根據(jù)光電效應(yīng)方程知，Ekm＝－W0

8、，改用波長大于λ的光照射，光電子的最大初動能變小，或者可能不發(fā)生光電效應(yīng)，故C錯誤，D正確。 高考對本節(jié)內(nèi)容的考查，主要集中在對光電效應(yīng)的理解、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程及應(yīng)用、 對波粒二象性的理解，通常以選擇題的形式呈現(xiàn)，對這些內(nèi)容主要靠在理解的基礎(chǔ)上進行識記，所以題目難度一般都不大。 考點一　對光電效應(yīng)的理解[基礎(chǔ)自修類] [題點全練] 1.[光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件] 如圖所示是光電管的原理圖，已知當有波長為λ0的光照到陰極K上時，電路中有光電流，則(　　) A．若增加電路中電源電壓，電路中光電流一定增大 B．若將電源極性反接，電路中一定沒有光電流產(chǎn)生 C．

9、若換用波長為λ1(λ1>λ0)的光照射陰極K時，電路中一定沒有光電流 D．若換用波長為λ2(λ2<λ0)的光照射陰極K時，電路中一定有光電流 解析：選D　光電流的強度與入射光的強度有關(guān)，當光越強時，光電子數(shù)目會增多，初始時電壓增加光電流可能會增加，當達到飽和光電流后，再增大電壓，光電流不會增大，故A錯誤；將電路中電源的極性反接，電子受到電場阻力，到達A極的數(shù)目會減小，則電路中電流會減小，甚至沒有電流，故B錯誤；波長為λ1(λ1>λ0)的光的頻率有可能大于極限頻率，電路中可能有光電流，故C錯誤；波長為λ2(λ2<λ0)的光的頻率一定大于極限頻率，電路中一定有光電流，故D正確。 2．[光電效

10、應(yīng)現(xiàn)象的理解] (多選)現(xiàn)用某一光電管進行光電效應(yīng)實驗，當用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是(　　) A．保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大 B．入射光的頻率變高，飽和光電流變大 C．入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大 D．保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生 解析：選AC　根據(jù)光電效應(yīng)實驗得出的結(jié)論：保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大，故A正確，B錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程得：入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大，故C正確；遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的光強無關(guān)，保持入

11、射光的光強不變，若低于截止頻率，則沒有光電流產(chǎn)生，故D錯誤。 [名師微點] 1．與光電效應(yīng)有關(guān)的五組概念對比 (1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子。光子是因，光電子是果。 (2)光電子的動能與光電子的最大初動能：只有金屬表面的電子直接向外飛出時，只需克服原子核的引力做功的情況，才具有最大初動能。 (3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。 (4

12、)入射光強度與光子能量：入射光強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量。 (5)光的強度與飽和光電流：頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光越強，飽和光電流越大，但不是簡單的正比關(guān)系。 2．光電效應(yīng)的研究思路 (1)兩條線索： (2)兩條對應(yīng)關(guān)系： 入射光強度大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大； 光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。 考點二　愛因斯坦的光電效應(yīng)方程及應(yīng)用 [師生共研類] 1．三個關(guān)系 (1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0。 (2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓。 (

13、3)逸出功W0與極限頻率νc的關(guān)系是W0＝hνc。 2．四類圖像 圖像名稱 圖線形狀 讀取信息 最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線 ①截止頻率(極限頻率)：橫軸截距 ②逸出功：縱軸截距的絕對值W0＝|－E|＝E ③普朗克常量：圖線的斜率k＝h 遏止電壓 Uc與入射 光頻率ν的 關(guān)系圖線 ①截止頻率νc：橫軸截距 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 顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系 ①遏止電壓Uc：橫軸截距 ②飽和光電流Im：電流的最大值 ③最大初動能：Ekm＝eU

14、c 顏色不同時，光電流與電壓的關(guān)系 ①遏止電壓Uc1、Uc2 ②飽和光電流 ③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 [典例]　(2018·全國卷Ⅱ)用波長為300 nm的光照射鋅板，電子逸出鋅板表面的最大初動能為1.28×10－19 J。已知普朗克常量為6.63×10－34 J·s，真空中的光速為3.00×108 m·s－1。能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為(　　) A．1×1014 Hz　　　　　 B．8×1014 Hz C．2×1015 Hz D．8×1015 Hz [解析]　設(shè)單色光的最低頻率為ν0，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得Ek＝hν－W,0＝hν

15、0－W，又ν＝，整理得ν0＝－，代入數(shù)據(jù)解得ν0≈8×1014 Hz。 [答案]　B [延伸思考] (1)求金屬鋅的逸出功W0。 (2)求用波長為300 nm光照射鋅板時的遏止電壓Uc。 提示：(1)逸出功W0＝hν－Ek＝5.35×10－19 J。 (2)遏止電壓Uc＝＝0.80 V。 應(yīng)用光電效應(yīng)方程時的注意事項 (1)每種金屬都有一個截止頻率，入射光頻率不低于這個截止頻率時才能發(fā)生光電效應(yīng)。 (2)截止頻率對應(yīng)著光的極限波長和金屬的逸出功，即hνc＝h＝W0。 (3)應(yīng)用光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0時，注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1 eV＝1.6×10－19

16、J)?！?　　 [題點全練] 1．[光電效應(yīng)方程的應(yīng)用] (多選)(2017·全國卷Ⅲ)在光電效應(yīng)實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確的是(　　) A．若νa>νb，則一定有Uaνb，則一定有Eka>Ekb C．若Uaνb，則一定有hνa－Eka>hνb－Ekb 解析：選BC　設(shè)該金屬的逸出功為W，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程有Ek＝hν－W，同種金屬的W不變，則逸出光電子的最大初動能隨

17、ν的增大而增大，B項正確；又Ek＝eU，則最大初動能與遏止電壓成正比，C項正確；根據(jù)上述有eU＝hν－W，遏止電壓U隨ν增大而增大，A項錯誤；又有hν－Ek＝W，W相同，則D項錯誤。 2．[光電效應(yīng)的Ek-ν圖像] 用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。閉合開關(guān)S，用頻率為ν的光照射光電管時發(fā)生了光電效應(yīng)。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應(yīng)時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，圖線與橫軸的交點坐標為(a,0)，與縱軸的交點坐標為(0，－b)。下列說法正確的是(　　) A．普朗克常量為h＝ B．斷開開關(guān)S后，電流表G的示數(shù)不為零 C．僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大

18、 D．保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變 解析：選B　由Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝，故A錯誤；斷開開關(guān)S后，仍有光電子產(chǎn)生，所以電流表G的示數(shù)不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動能，與光的強度無關(guān)，故C錯誤；保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，單個光子的能量增大，而光的強度不變，那么光子數(shù)一定減少，發(fā)出的光電子數(shù)也減少，電流表G的示數(shù)要減小，故D錯誤。 3．[光電效應(yīng)的I -U圖像] (多選)用甲、乙兩種單色光照射同一金屬做光電效應(yīng)實驗，發(fā)現(xiàn)光電流與電壓的關(guān)系如圖所示。已知普朗克常量為h，被照射金屬的逸出功

19、為W0，遏止電壓為Uc，電子的電荷量為e。下列說法正確的是(　　) A．甲光的強度大于乙光的強度 B．甲光的頻率大于乙光的頻率 C．甲光照射時產(chǎn)生的光電子初動能均為eUc D．乙光的頻率為 解析：選AD　根據(jù)光的強度越強，則光電子數(shù)目越多，對應(yīng)的光電流越大，即可判定甲光的強度較大，選項A正確；由光電效應(yīng)方程mv2＝hν－W0，mv2＝Uce，結(jié)合題圖可知，甲、乙的遏止電壓相同，故甲、乙的頻率相同，選項B錯誤；甲光照射時產(chǎn)生的光電子的最大初動能為eUc，選項C錯誤；根據(jù)mv2＝hν－W0＝Uce，可得ν＝，選項D正確。 考點三　對波粒二象性的理解[基礎(chǔ)自修類] [題點全練]

20、1．[波粒二象性的理解] (多選)實物粒子和光都具有波粒二象性。下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是(　　) A．電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣 B．β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡 C．人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu) D．人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) 解析：選ACD　干涉和衍射體現(xiàn)的是波動性，A、C正確；β射線在云室中留下清晰的徑跡，體現(xiàn)的是粒子性，不能體現(xiàn)波動性，B錯誤；電子顯微鏡利用電子束衍射工作，體現(xiàn)的是波動性，D正確。 2．[光子的能量] (2017·北京高考)2017年年初，我國研制的“大連光源”——極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長在100 nm(

21、1 nm＝10－9 m)附近連續(xù)可調(diào)的世界上最強的極紫外激光脈沖?！按筮B光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。一個處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個分子，但又不會把分子打碎。據(jù)此判斷，能夠電離一個分子的能量約為(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　) A．10－21 J　　　　　　　 B．10－18 J C．10－15 J D．10－12 J 解析：選B　光子的能量E＝hν，c＝λν，聯(lián)立解得E≈2×10－18 J，B項正確。 [名師微點] 光的波粒二象性的規(guī)律 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，貫穿本領(lǐng)越強，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象。 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、光子的動量表達式p＝也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾，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——頻率ν和波長λ。