2019年高考物理一輪復習 第十二章 波粒二象性 原子結(jié)構(gòu)與原子核 第1講 光電效應 波粒二象性學案.doc

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第1講　光電效應　波粒二象性 [高考命題解讀] 分析 年份 高考(全國卷)四年命題情況對照分析 題　號 命題點 2013年 Ⅰ卷35題 第(1)問填空題，考查了核反應前后質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒 1.考查方式 高考對本部分內(nèi)容考查形式比較固定，一般比較單一的考查某個知識點，且知識點相對比較單一，題型為選擇題和填空題． 2．命題趨勢 由于本部分內(nèi)容涉及點較多，且已經(jīng)改為必考內(nèi)容，今后的命題應該向著多個考點融合的方向發(fā)展. Ⅱ卷35題 第(1)問選擇題，考查了原子核的結(jié)合能 2014年 Ⅰ卷35題 第(1)問選擇題，考查了天然放射現(xiàn)象和半衰期 Ⅱ卷35題 第(1)問選擇題，考查了原子和原子核 2015年 Ⅰ卷35題 第(1)問填空題，考查了光電效應 Ⅱ卷35題 第(1)問選擇題，考查了光電效應和波粒二象性 2016年 Ⅰ卷35題 第(1)問選擇題，考查了光電效應 Ⅱ卷35題 第(1)問選擇題，考查了核反應方程 Ⅲ卷35題 第(1)問選擇題，考查了核反應與質(zhì)能關(guān)系 1．光電效應及其規(guī)律 (1)光電效應現(xiàn)象 在光的照射下，金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，發(fā)射出來的電子叫光電子． (2)光電效應的產(chǎn)生條件 入射光的頻率大于等于金屬的極限頻率． (3)光電效應規(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等于這個極限頻率才能產(chǎn)生光電效應． 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光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9s. ④當入射光的頻率大于極限頻率時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比． 2．愛因斯坦光電效應方程 (1)光子說：在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量ε＝hν. (2)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值． (3)最大初動能：發(fā)生光電效應時，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)光電效應方程 ①表達式：hν＝Ek＋W0或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)為逸出后電子的最大初動能． 3．光的波粒二象性 (1)波動性：光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性． (2)粒子性：光電效應、康普頓效應說明光具有粒子性． (3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性． 4．物質(zhì)波 (1)概率波 光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波． (2)物質(zhì)波 任何一個運動著的物體，小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應，其波長λ＝，p為運動物體的動量，h為普朗克常量． 1．判斷下列說法是否正確． (1)任何頻率的光照射到金屬表面都可以發(fā)生光電效應．(　　) (2)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比．(　　) (3)光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性．(　√　) (4)德國物理學家普朗克提出了量子假說，成功地解釋了光電效應規(guī)律．(　　) (5)美國物理學家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應，證實了光的粒子性．(　√　) (6)法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子具有波動性．(　√　) 2．(人教版選修3－5P30演示實驗改編)(多選)如圖1所示，用導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(　　) 圖1 A．有光子從鋅板逸出 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 3．(人教版選修3－5P36第2題改編)(多選)在光電效應實驗中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應，下列說法正確的是(　　) A．增大入射光的強度，光電流增大 B．減小入射光的強度，光電效應現(xiàn)象消失 C．改用頻率小于ν的光照射，一定不發(fā)生光電效應 D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動能變大 答案　AD 解析　增大入射光強度，單位時間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)增加，則光電流將增大，故選項A正確；光電效應是否發(fā)生取決于入射光的頻率，而與入射光強度無關(guān)，故選項B錯誤．用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應，用頻率較小的光照射時，若光的頻率仍大于極限頻率，則仍會發(fā)生光電效應，選項C錯誤；根據(jù)hν－W逸＝mv2可知，增大入射光頻率，光電子的最大初動能也增大，故選項D正確． 4．(粵教版選修3－5P40第2題)(多選)下列說法中正確的是(　　) A．光的波粒二象性學說徹底推翻了麥克斯韋的光的電磁說 B．在光的雙縫干涉實驗中，暗條紋的地方是光子永遠不能到達的地方 C．光的雙縫干涉實驗中，大量光子打在光屏上的落點是有規(guī)律的，暗紋處落下光子的概率小 D．單個光子具有粒子性，大量光子具有波動性 E．光的波動性是因為光子之間的相互作用的結(jié)果 答案　CD 命題點一　光電效應的實驗規(guī)律 光電效應的研究思路 (1)兩條線索： (2)兩條對應關(guān)系： →→→ →→ 例1　(多選)現(xiàn)用某一光電管進行光電效應實驗，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 答案　AC 解析　在發(fā)生光電效應時，飽和光電流大小由光照強度來決定，與頻率無關(guān)，光照強度越大飽和光電流越大，因此A正確，B錯誤；根據(jù)Ekm＝hν－W0可知，對于同一光電管，逸出功W0不變，當頻率變高，光電子的最大初動能Ekm變大，因此C正確；由光電效應規(guī)律可知，當頻率低于截止頻率時無論光照強度多大，都不會有光電流產(chǎn)生，因此D錯誤． 對光電效應的四點提醒 1．能否發(fā)生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率． 2．光電效應中的“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． 1．(多選)下列對光電效應的理解，正確的是(　　) A．金屬鈉的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，就能逸出金屬 B．如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應 C．發(fā)生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大 D．由于不同金屬的逸出功是不相同的，因此使不同金屬產(chǎn)生光電效應，入射光的最低頻率也不同 答案　BD 2.(多選)用如圖2所示的光電管研究光電效應，用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么(　　) 圖2 A．a(chǎn)光的頻率一定大于b光的頻率 B．只增加a光的強度可使通過電流計G的電流增大 C．增加b光的強度可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn) D．用a光照射光電管陰極K時通過電流計G的電流是由d到c 答案　AB 3．幾種金屬的逸出功W0見下表： 金屬 鎢 鈣 鈉 鉀 銣 W0(10－19J) 7.26 5.12 3.66 3.60 3.41 用一束可見光照射上述金屬的表面，請通過計算說明哪些能發(fā)生光電效應．已知該可見光的波長范圍為4.010－7～7.610－7m，普朗克常數(shù)h＝6.6310－34Js. 答案　鈉、鉀、銣能發(fā)生光電效應 解析　光子的能量E＝ 取λ＝4.010－7 m，則E≈5.010－19 J 根據(jù)E>W0判斷，鈉、鉀、銣能發(fā)生光電效應． 命題點二　光電效應方程和光電效應圖象 1．三個關(guān)系 (1)愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0. (2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管用實驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓． (3)光電效應方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關(guān)系是W0＝hνc. 2．四類圖象 圖象名稱 圖線形狀 由圖線直接(間接)得到的物理量 最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線 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|＝E ③普朗克常量：圖線的斜率k＝h 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：圖線與橫軸的交點 ②飽和光電流Im：光電流的最大值 ③最大初動能：Ekm＝eUc 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 遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線 ①極限頻率νc：圖線與橫軸的交點 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：此時兩極之間接反向電壓) 例2　利用如圖3甲所示的裝置研究光電效應現(xiàn)象，當用光子能量為5eV的光照射到光電管上時，測得電流計上的示數(shù)隨電壓變化的圖象如圖乙所示．則光電子的最大初動能為________J，金屬的逸出功為________J. 圖3 答案　3.210－19　4.810－19 解析　由圖乙可知，當該裝置所加的電壓為反向電壓等于－2 V時，電流表示數(shù)為0，知道光電子的最大初動能為：2 eV＝3.210－19 J，根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0，得W0＝3 eV＝4.810－19 J. 4．(2015新課標Ⅰ35(1))在某次光電效應實驗中，得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖4所示．若該直線的斜率和截距分別為k和b，電子電荷量的絕對值為e，則普朗克常量可表示為________，所用材料的逸出功可表示為________． 圖4 答案　ek?。璭b 解析　光電效應中，入射光子能量為hν，克服逸出功W0后多余的能量轉(zhuǎn)換為電子動能，eUc＝hν－W0，整理得Uc＝ν－，斜率即＝k，所以普朗克常量h＝ek，截距為b，即eb＝－W0，所以逸出功W0＝－eb. 5.在光電效應實驗中，飛飛同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖5所示．則可判斷出(　　) 圖5 A．甲光的頻率大于乙光的頻率 B．乙光的波長大于丙光的波長 C．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率 D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能 答案　B 解析　由于是同一光電管，因而不論對哪種光，極限頻率和金屬的逸出功相同，對于甲、乙兩種光，反向遏止電壓相同，因而頻率相同，A錯誤；丙光對應的反向遏止電壓較大，因而丙光的頻率較高，波長較短，對應的光電子的最大初動能較大，故C、D均錯，B正確． 6．(多選)如圖6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線(直線與橫軸的交點坐標為4.27，與縱軸交點坐標為0.5)．由圖可知(　　) 圖6 A．該金屬的截止頻率為4.271014Hz B．該金屬的截止頻率為5.51014Hz C．該圖線的斜率表示普朗克常量 D．該金屬的逸出功為0.5eV 答案　AC 解析　圖線在橫軸上的截距為截止頻率，A正確，B錯誤；由光電效應方程Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，C正確；金屬的逸出功為：W0＝hνc＝ eV≈1.77 eV，D錯誤． 7．如圖7甲所示是研究光電效應規(guī)律的光電管．用波長λ＝0.50μm的綠光照射陰極K，實驗測得流過?表的電流I與AK之間的電勢差UAK滿足如圖乙所示規(guī)律，取普朗克常量h＝6.6310－34Js.結(jié)合圖象，求：(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖7 (1)每秒鐘陰極發(fā)射的光電子數(shù)和光電子飛出陰極K時的最大初動能． (2)該陰極材料的極限波長． 答案　(1)4.01012個　9.610－20 J　(2)0.66 μm 解析　(1)光電流達到飽和時，陰極發(fā)射的光電子全部到達陽極A，陰極每秒鐘發(fā)射的光電子的個數(shù) n＝＝(個)＝4.01012(個) 光電子的最大初動能為： Ekm＝eUc＝1.610－19 C0.6 V＝9.610－20 J. (2)設(shè)陰極材料的極限波長為λc，根據(jù)愛因斯坦光電效應方程：Ekm＝h－h(huán)，代入數(shù)據(jù)得λc≈0.66 μm. 命題點三　光的波粒二象性和物質(zhì)波 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. 例3　(多選)(2015課標Ⅱ35(1)改編)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) 答案　ACD 解析　電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣，可以說明電子是一種波，故A正確；β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡，可以說明β射線是一種粒子，故B錯誤；人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu)，中子衍射說明中子是一種波，故C正確；人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，利用了電子束的衍射現(xiàn)象，說明電子束是一種波，故D正確． 8．下列各組現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是(　　) A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射 C．泊松亮斑和光電效應 D．光的反射和光電效應 答案　C 9．(多選)1927年戴維孫和湯姆孫分別完成了電子衍射實驗，該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一．如圖8所示的是該實驗裝置的簡化圖，下列說法正確的是(　　) 圖8 A．亮條紋是電子到達概率大的地方 B．該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的 C．該實驗再次說明光子具有波動性 D．該實驗說明實物粒子具有波動性 答案　ABD 10．(多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有(　　) A．光電效應現(xiàn)象揭示了光的粒子性 B．熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動性 C．黑體輻射的實驗規(guī)律可用光的波動性解釋 D．動能相等的質(zhì)子和電子，它們的德布羅意波長也相等 答案　AB 題組1　光電效應實驗規(guī)律的理解 1．有一束紫外線照射某金屬時不能產(chǎn)生光電效應，可能使金屬產(chǎn)生光電效應的措施是(　　) A．改用頻率更小的紫外線照射 B．改用X射線照射 C．改用強度更大的原紫外線照射 D．延長原紫外線的照射時間 答案　B 2．(多選)已知某金屬發(fā)生光電效應的截止頻率為νc，則(　　) A．當用頻率為2νc的單色光照射該金屬時，一定能產(chǎn)生光電子 B．當用頻率為2νc的單色光照射該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hνc C．當照射光的頻率ν大于νc時，若ν增大，則逸出功增大 D．當照射光的頻率ν大于νc時，若ν增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍 答案　AB 解析　該金屬的截止頻率為νc，則可知逸出功W0＝hνc，逸出功由金屬自身性質(zhì)決定，與照射光的頻率無關(guān)，因此C錯誤；由光電效應的實驗規(guī)律可知A正確；由光電效應方程Ek＝hν－W0，將W0＝hνc代入可知B正確，D錯誤． 3．用光照射某種金屬，有光電子從金屬表面逸出，如果光的頻率不變，而減弱光的強度，則(　　) A．逸出的光電子數(shù)減少，光電子的最大初動能不變 B．逸出的光電子數(shù)減少，光電子的最大初動能減小 C．逸出的光電子數(shù)不變，光電子的最大初動能減小 D．光的強度減弱到某一數(shù)值，就沒有光電子逸出了 答案　A 解析　光的頻率不變，表示光子能量不變，仍會有光電子從該金屬表面逸出，逸出的光電子的最大初動能也不變；而減弱光的強度，逸出的光電子數(shù)就會減少，選項A正確． 4.(多選)如圖1所示，電路中所有元件完好，但光照射到光電管上，靈敏電流計中沒有電流通過，其原因可能是(　　) 圖1 A．入射光太弱 B．入射光波長太長 C．光照時間短 D．電源正、負極接反 答案　BD 解析　入射光波長太長，入射光的頻率低于截止頻率時，不能發(fā)生光電效應，故選項B正確；電路中電源反接，對光電管加了反向電壓，若該電壓超過了遏止電壓，也沒有光電流產(chǎn)生，故選項D正確． 題組2　光電效應方程和光電效應圖象的應用 5.(多選)用同一光電管研究a、b兩種單色光產(chǎn)生的光電效應，得到光電流I與光電管兩極間所加電壓U的關(guān)系如圖2所示．則這兩種光(　　) 圖2 A．照射該光電管時a光使其逸出的光電子最大初動能大 B．從同種玻璃射入空氣發(fā)生全反射時，a光的臨界角大 C．通過同一裝置發(fā)生雙縫干涉，a光的相鄰條紋間距大 D．通過同一玻璃三棱鏡時，a光的偏折程度大 答案　BC 解析　由圖可知b光照射時對應遏止電壓Uc2大于a光照射時的遏止電壓Uc1，因eU＝mv2，所以b光照射時光電子最大初動能大，且可得νb＞νa，λb＜λa，A、D錯誤，C正確；b光折射率大于a光折射率，所以a光臨界角大，B正確． 6.(多選)如圖3所示，是某金屬在光的照射下產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象．由圖象可知(　　) 圖3 A．該金屬的逸出功等于E B．該金屬的逸出功等于hνc C．入射光的頻率為2νc時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E D．入射光的頻率為時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為 答案　ABC 解析　由愛因斯坦的光電效應方程可得Ek＝hν－W0，對應圖線可得，該金屬的逸出功W0＝E＝hνc，A、B均正確；若入射光的頻率為2νc，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝2hνc－W0＝hνc＝E，故C正確；入射光的頻率為時，該金屬不發(fā)生光電效應，D錯誤． 題組3　對光的波粒二象性的理解 7．用很弱的光做雙縫干涉實驗，把入射光減弱到可以認為光源和感光膠片之間不可能同時有兩個光子存在，如圖4所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片．這些照片說明(　　) 圖4 A．光只有粒子性沒有波動性 B．光只有波動性沒有粒子性 C．少量光子的運動顯示波動性，大量光子的運動顯示粒子性 D．少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性 答案　D 解析　光具有波粒二象性，這些照片說明少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性，故D正確． 8．(多選)如圖5甲所示為實驗小組利用100多個電子通過雙縫后的干涉圖樣，可以看出每一個電子都是一個點；如圖乙所示為該小組利用70000多個電子通過雙縫后的干涉圖樣，為明暗相間的條紋．則對本實驗的理解正確的是(　　) 圖5 A．圖甲體現(xiàn)了電子的粒子性 B．圖乙體現(xiàn)了電子的粒子性 C．單個電子運動軌道是確定的 D．圖乙中暗條紋處仍有電子到達，只不過到達的概率小 答案　AD 解析　題圖甲中的每一個電子都是一個點，說明少數(shù)粒子體現(xiàn)粒子性，到達的位置不同，說明單個電子的運動軌道不確定，A正確，C錯誤；題圖乙中明暗相間的條紋說明大量的粒子表現(xiàn)為波動性，B錯誤；題圖乙中暗條紋處仍有電子到達，只不過到達的概率小，D正確． 9．一個德布羅意波波長為λ1的中子和另一個德布羅意波波長為λ2的氘核同向正碰后結(jié)合成一個氚核，該氚核的德布羅意波波長為(　　) A. B. C. D. 答案　A 解析　中子的動量p1＝，氘核的動量p2＝，同向正碰后形成的氚核的動量p3＝p2＋p1，所以氚核的德布羅意波波長λ3＝＝，A正確．