精品2019高中物理第二章波粒二象性章末复习课学案粤教版选修3-5

第二章波粒二象性
章末复习课
【知识体系】
波粒二象性
光电效应
光电效应与光电流
光电流的变化极限频率①遏止电压光子
光电效应方程②
能量量子假说光子假说对光电效应的解释康普顿效应
及其解释
康普顿效应的发现对康普顿效应的正确解释
光的波粒二象性
光的波粒二象性本质
波动性
光的③
光的④光是电磁波粒子性
⑤⑥
概率波
德布罗意波
德布罗意波假说⑦
电子衍射电子云不确定关系⑧
[答案填写]
①ν0＝W 0h (W 0为逸出功) ②h ν＝12
mv 2
max ＋W 0
③干涉④衍射⑤光电效应⑥康普顿效应
⑦λ＝
h
p
⑧Δx Δp ≥
h
4π
主题1 光电效应
1．光电效应现象的判断．
光电流的大小――→取决于
每秒入射的光子数
――→
取决于入射光的强度
能否发生光电效应光电子的最大初动能
――→
取决于入射光的频率和
金属的逸出功
2．光电效应方程．
光电效应方程的实质是能量的转化和守恒定律在光电效应现象中的反映，根据能量守恒定律，光电子的最大初
动能与入射光子的能量和逸出功的关系为hν＝1
2
mv2max＋W0，这个方程叫爱因斯坦光电效应方程．
3．光子被吸收的情况．
光电效应中，光子与金属中的电子作用，光子整个被吸收，且电子一般一次只能吸收一个光子；康普顿效应中，光子与晶体中的自由电子发生碰撞，电子只能吸收光子的部分能量．
【典例1】(2016·江苏卷)几种金属的逸出功W0见下表：
金属钨钙钠钾鉫
W0(×10－19 J)7.26 5.12 3.66 3.60 3.41
由一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应．已知该可见光的波长的范围为
4.0×10－7～7.6×10－6 m，普朗克常数h＝6.63×10－34 J·s.
解析：可见光的最大光子能量
E＝h c
λ
＝6.63×10－34×
3×108
4×10－7
J≈5.0×10－19 J.
可见光子能量大于钠、钾、铷的逸出功，可以使钠、钾、铷发生光电效应．
答案：可以使钠、钾、铷发生光电效应
针对训练
1．下表中列出了几种金属的逸出功，关于光电效应现象以下说法正确的是( )
金属钨钙钠钾铷
W0/eV 4.54 3.20 2.29 2.25 2.13
A.某种光能使铷发生光电效应，则该光也能使其他四种金属发生光电效应
B．遏制电压的大小不仅与金属有关，还与入射光频率有关
C．若某种光能使钨和钠都发生光电效应，则钨的光电子的最大初动能较大
D．用强度相同、频率不同的光照射钾，光电子的最大初动能相同
解析：铷的逸出功最小，某种光能使铷发生光电效应，但不一定能使其他四种金属发生光电效应，故A错误；
根据eU0＝1
2
mv2m＝hν－W0可知遏制电压的大小不仅与金属有关，还与入射光频率有关，故B正确；钨的逸出功大于
钠的逸出功，则若某种光能使钨和钠都发生光电效应，根据1
2
mv2m＝hν－W0，则钨的光电子的最大初动能较小，故C
错误；根据光电效应方程可知，用强度相同、频率不同的光照射钾，光电子的最大初动能不相同，故D错误．答案：B
主题 2 光源功率与光强度的区别与联系
根据爱因斯坦的光子说，光源的功率和光的强度，是两个不同的概念．
(1)光源的功率(P)——光源每单位时间内辐射光子的能量，即P＝nhν，式中n表示光源单位时间内辐射的光子数．
(2)光的强度(I)——在单位时间内垂直通过单位面积的光子的总能量，即I＝Nhν.式中N表示单位时间垂直通过单位面积的光子数．
(3)在入射光频率不变的情况下，光强正比于单位时间内照射到金属表面上单位面积的光子数，但若换用不同
频率的光照时，即使光强相同，单位时间内照射到金属表面单位面积的光子数也不同．
【典例2】某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h表示普朗克常量，则激光器每分钟发射的光子数为( )
A.λP
hc B.
hP
λc
C.60λP
hc
D.
60hP
λc
解析：每个光子的能量E＝hν＝h c
λ
，激光器在每分钟内发出的能量W＝60P，故激光器每秒发出的光子数为n
＝W
E
＝
60P
h
c
λ
＝
60Pλ
hc
，C正确．
答案：C
针对训练
2．科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒内单位面积上的光子数为n，
光子的平均波长为λ，太阳帆面积为S，反射率为100%，假定太阳垂直射到太阳帆上，飞船的总质量为m.
(1)求飞船加速度的表达式(光子动量p＝h/λ)；
(2)若太阳帆是黑色的，飞船的加速度为多少？
解析：(1)光子垂直打在太阳帆上再反射，动量的改变量为2p，根据动量定理得：
FΔt＝n·2p，太阳帆上受到的光压力为
F＝2nShΔt
Δtλ
＝
2nSh
λ
，故飞船的加速度a＝
F
m
＝
2nSh
λm
.
(2)若太阳帆是黑色的，光子垂直打在太阳帆上不再反射，光子动量的改变为p，太阳帆上受到的光压力为F′
＝nSh
λ
，故太阳帆的加速度a′＝
nSh
λm
.
答案：(1)
2nSh
λm
(2)
nSh
λm
主题 3 波粒二象性
1．微观粒子的波动性和粒子性不能理解为宏观概念中的波和粒子．波动性和粒子性是微观粒子的两种固有属
性，任何情况下二者都同时存在．
2．描述光的性质的基本关系式ε＝hν和p＝h
λ
中，能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量，波长
λ或频率ν是描述物质的波动性的典型物理量，它们通过普朗克常量h联系在一起．
[典例?] (多选)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是( )
A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
C．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
D．光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光强度无关
解析：干涉是波具有的特性，电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，说明电子具有波动性，故A正确；可以利用慢中子衍射来研究晶体的结构，说明中子可以产生衍射现象，说明具有波动性，故B正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，说明电子可以产生衍射现象，说明具有波动性，故C正确；光电效应实验，说明的是
能够从金属中打出光电子，说明的是物质的粒子性，故D错误．
答案：ABC
针对训练
3．(2015·上海卷)用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片上出现的图象如图所示，该实验表明
( )
时间较短时间稍长时间较长
A．光的本质是波
B．光的本质是粒子
C．光的能量在胶片上分布不均匀
D．光到达胶片上不同位置的概率相同
解析：用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间在胶片出现的图样，说明光有波粒二象性，故A、B错误；说明光到达胶片上的不同位置的概率是不一样的，也就说明了光的能量在胶片上分而不均匀，故C正确，D错误．答案：C
统揽考情
波粒二象性部分的重点内容是光电效应现象、实验规律和光电效应方程，光的波粒二象性和德布罗意波是理解
的难点．一般以考查选择或填空为主．
真题例析
(2016·全国Ⅰ卷)(多选)现用一光电管进行光电效应的实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列
说法正确的是( )
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B．入射光的频率变高，饱和光电流变大
C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关
解析：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，因为饱和光电流与入射光的强度成正比，
故A正确；饱和光电流与入射光的频率无关，故B错误；根据光电效应的规律，光电子的最大初动能随入射光频率
的增大而增大，所以入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故C正确；如果入射光的频率小于极限频率将
不会发生光电效应，不会有光电流产生，故D错误；根据E k＝hν－W＝eU c，得遏止电压U c及最大初动能E k与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故E正确．
答案：ACE
针对训练
(2017·全国卷Ⅲ)(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射同种金属，测得相应的遏止电压分别为U a和U b、光电子的最大初动能分别为E ka和E kb，h为普朗克常量．下列说法正确的是( ) A．若νa>νb，则一定有U a<U b
B．若νa>νb，则一定有E ka>E kb
C．若U a<U b，则一定有E ka<E kb
D．若νa>νb，则一定有hνa－E k a>hνb－E k b
解析：由爱因斯坦光电效应方程eU0＝E km＝hν－W0，当νa>νb时，E ka>E kb, U a>U b，A错误，B正确；若U a<U b，则有E ka<E kb，C正确；同种金属的逸出功不变，则W0＝hν－E km不变，D错误．
答案：BC
1．(2016·海南)(多选)下列说法正确的是( )
A．爱因斯坦在光的粒子性的基础上，建立了光电效应方程
B．康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量
C．玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律
D．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型
E．德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长
解析：爱因斯坦提出了光子假说，建立了光电效应方程，故A正确；康普顿效应表明光子有能量，也有动量，
故B错误；玻尔的原子理论只能成功地解释了氢原子光谱的实验规律，故C正确；卢瑟福根据α粒子散射实验，提
出了原子的核式结构模型，故D正确；依据德布罗意波长公式λ＝h
p
，可知，微观粒子的动量越大，其对应的波长
就越短，故E错误．
答案：ACD
2．(2017·北京卷)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1
nm ＝10－9
m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲. 大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、
光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用. 一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，
但又不会把分子打碎. 据此判断，能够电离一个分子的能量约为(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：一个处于极紫外波段的光子的能量约为E ＝h ν＝h
c
λ
≈2×10
－18
J ，由题可知，光子的能量应比电离一
个分子的能量稍大，因此数量级应相同，故选
B.
答案：B
3. 三束单色光1、2和3的波长分别为λ1、λ2和λ3(λ1>λ2>λ3)．分别用这三束光照射同一种金属. 已知用
光束2照射时，恰能产生光电子
. 下列说法正确的是
(
)
A ．用光束3照射时，一定不能产生光电子
B ．用光束1照射时，一定不能产生光电子
C ．用光束2照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大
D ．用光束1照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多解析：依据波长与频率的关系：λ＝
c
ν
，因λ1＞λ2＞λ3，那么ν1<ν2<ν3；由于用光束
2照射时，恰能产生光电子，因此用光束
1照射时，不能产生光电子，而光束
3照射时，一定能产生光电子，故
A 错误，
B 正确；用光
束2照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多，而由光电效应方程：E km ＝h ν－W
0，可知，光电子的最大初动能与光的强弱无关，故
C 错误；用光束1照射时，不能产生光电效应，故
D 错误．
答案：B
4．(2017·江苏卷)质子(1
1
H)和α粒子(42
H)被加速到相同动能时，质子的动量______(选填“大于”、“小于”或
“等于”)α粒子的动量，质子和
α粒子的德布罗意波波长之比为
______．
解析：动量与动能的关系：
p 2
＝2mE k ，又质子的质量小于
α粒子的质量，所以质子的动量小于
α粒子的动量，
且p 1
p 2＝m 1m 2＝12；根据λ＝h
p
，可得质子和α粒子的德布罗意波波长之比为2∶1.
答案：小于
2∶1
5．(2016·江苏卷)已知光速为c ，普朗克常数为h ，则频率为ν的光子的动量为________．用该频率的光垂
直照射平面镜，光被镜面全部垂直反射回去，则光子在反射前后动量改变量的大小为
________．
解析：根据德布罗意波长公式，则光子的动量
p ＝h
λ
＝h c ν
＝h ν
c .
取入射方向为正方向，则光子动量的变化量
Δp ＝p 末－p 初＝－p －p ＝－2h
ν
c
，因此当光被镜面全部垂直反射回
去，光子的速度方向与开始时相反，所以光子在反射前后动量改变量的大小为
2h ν
c
.
hνc 2hνc
答案：。