高中物理-第1节光电效应、波粒二象性

'18Ⅱ卷T17(6分) '17Ⅲ卷T19(6分) '16Ⅰ卷T35(1)(5分) '15Ⅰ卷T35(1)(5分) '15Ⅱ卷T35(1)(5分)
'17Ⅱ卷T15(6分)
核力、核反应方程(Ⅰ)
'18Ⅲ卷T14(6分) '16Ⅱ卷T35(1)(5分)
结合能、质量亏损(Ⅰ)
'19Ⅱ卷T15(6分) '17Ⅰ卷T17(6分)
电路图。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流 I
与 A、K 两极之间的电压 UAK 的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图
乙所示。则下列说法正确的是
()
A．甲光照射光电管发出光电子的初动能一定小于丙光照射光 电管发出光电子的初动能
B．单位时间内甲光照射光电管发出光电子比乙光的少 C．用强度相同的甲、丙光照射该光电管，则单位时间内逸出 的光电子数相等 D．对于不同种金属，若照射光频率不变，则逸出光电子的最 大初动能与金属的逸出功为线性关系
原子物理学
第十二章
DISHI’ERZHANG
考情分析★靶向明确
考点分类展示
5年高考真题 (全国课标卷)
氢原子光谱 (Ⅰ) 放射性同位素 (Ⅰ) 裂变反应和聚
变反应、裂变 反应堆(Ⅰ) 射线的危害和 防护(Ⅰ) 以上4个考点 未曾独立命题
光电效应(Ⅰ)
爱因斯坦光电效应方 程(Ⅰ) 原子核的组成、放射 性、原子核的衰变、 半衰期(Ⅰ)
D．改用频率大于 ν 的光照射，光电子的最大初动能变大
答案：AD
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3．[粤教版选修 3－5P40T2 改编](多选)下列说法中正确的是 ()
A．光的波粒二象性学说彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说 B．在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子永远不能
到达的地方 C．光的双缝干涉实验中，大量光子打在光屏上的落点是有
B．有电子从锌板逸出 D．锌板带负电
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2．[人教版选修 3－5P36T2 改编](多选)在光电效应实验中，用频 率为 ν 的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正
确的是
()
A．增大入射光的强度，光电流增大
B．减小入射光的强度，光电效应现象消失
C．改用频率小于 ν 的光照射，一定不发生光电效应
增大而增大。 (4)光电流的强度与入射光的强度成正比。[注 3] [注 2] 每种金属都有一个极限频率，入射光的频率不低于这个 极限频率才能使金属产生光电效应。 [注 3] 光照强度决定着每秒钟光源发射的光子数，频率决定着 每个光子的能量。
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3．遏止电压与截止频率 (1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压 Uc。 (2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种
(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，
光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电
子，其本质是电子。光子是因，光电子是果。 (2)光电子的动能与光电子的最大初动能：只有金属表面的
电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才
具有最大初动能。 (3)光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，
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)
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[方法归纳]
解答光电效应有关图像问题的三个“关键” (1)明确图像的种类。 (2)弄清图线的纵轴、横轴截距的物理意义。 (3)选准光电效应的有关方程。
【题点全练】
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1．[光电效应的 Ek－ν 图像] 用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关 S，用频率
回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于
一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，
饱和光电流与所加电压大小无关。
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(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射 到金属表面单位面积上的总能量。
(5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电 效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。
2．研究光电效应的两条思路 (1)两条线索：
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(2)两条对应关系： 入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大； 光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 3．光电效应中三个重要关系 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。 (2)光电子的最大初动能 Ek 与遏止电压 Uc 的关系：Ek＝eUc。 (3)逸出功 W0 与极限频率 νc 的关系：W0＝hνc。
规律的，暗纹处落下光子的概率小 D．单个光子具有粒子性，大量光子具有波动性 答案：CD
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立足“四翼” 探考 点
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考点一 光电效应规律的理解及应用
[基础自修类]
【题点全练】
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1．[爱因斯坦光子说的应用]
(2017·北京高考)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)
氢原子的能级结构、 能级公式(Ⅰ)
'19Ⅰ卷T14(6分)
考查角度归纳
(1)光电效应现 象与光电效应 方程的应用 (2)原子核式结 构 (3)氢原子光谱 规律、能级跃 迁 (4)核衰变与核 反应方程 (5)核能与爱因 斯坦质能方程
第 1 节 光电效应 波粒二象性
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着眼“四层” 夯基础 立足“四翼” 探考点 课时跟踪检测
电流一定增大
B．若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生
C．若换用波长为 λ1(λ1>λ0)的光照射阴极 K 时，电路中一定 没有光电流
D．若换用波长为 λ2(λ2<λ0)的光照射阴极 K 时，电路中一定 有光电流
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解析：光电流的强度与入射光的强度有关，当光越强时，光电 子数目会增多，初始时电压增加光电流可能会增加，当达到饱 和光电流后，再增大电压，光电流不会增大，故 A 错误；将电 路中电源的极性反接，电子受到电场阻力，到达 A 极的数目会 减小，则电路中电流会减小，甚至没有电流，故 B 错误；波长 为 λ1(λ1>λ0)的光的频率有可能大于极限频率，电路中可能有光 电流，故 C 错误；波长为 λ2(λ2<λ0)的光的频率一定大于极限频 率，电路中一定有光电流，故 D 正确。 答案：D
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考点二 光电效应图像的理解和应用
[师生共研类]
三类图像的比较
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图像名称
图线形状及读取信息
最大初动能
Ek 与入射光 频率 ν 的关 系图线
遏止电压 Uc 与入射光频
率 ν 的关系 图线
图像名称
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图线形状及读取信息
光电流与电 压的关系
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[典例] (2020·江西省南昌模拟)如图甲所示是研究光电效应的
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3．[爱因斯坦光电效应方程的应用]
(2018·全国卷Ⅱ)用波长为 300 nm 的光照射锌板，电子逸出
锌板表面的最大初动能为 1.28×10－19 J。已知普朗克常量
为 6.63×10－34 J·s，真空中的光速为 3.00×108 m·s－1。能使
锌产生光电效应的单色光的最低频率约为
()
A．1×1014 Hz
金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的 极限频率。 二、爱因斯坦光电效应方程 1．光子说 在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫 做一个光的能量子，简称光子，光子的能量 ε＝ hν 。其中 h＝6.63×10－34 J·s。(称为普朗克常量)
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2．逸出功 W0 使电子脱离某种金属所做功的最小值。[注 4]
金属的逸出功。
(√)
(6)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。
(×)
(7)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。 (√)
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二、选择题
1．[人教版选修 3－5P30 演示实验改编](多选)如图所示，用导线 把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现
象是
()
A．有光子从锌板逸出 C．验电器指针张开一个角度 答案：BC
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着眼“四层” 夯基础
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一、光电效应 1．光电效应现象：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的
现象，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子。 [注 1] [注 1] 光电子的本质就是电子，而不是光子。
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2．光电效应的四个规律 (1)每种金属都有一个极限频率。[注 2] (2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的。 (3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率
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4．光电管上加正向与反向电压情况分析 (1)光电管加正向电压情况 ①P 右移时，参与导电的光电子数增加； ②P 移到某一位置时，所有逸出的光电子 恰好都参与了导电，光电流恰好达到最大值； ③P 再右移时，光电流不再增大。 (2)光电管加反向电压情况 ①P 右移时，参与导电的光电子数减少； ②P 移到某一位置时，所有逸出的光电子恰好都不参与导 电，光电流恰好为 0，此时光电管两端加的电压为遏止电压； ③P 再右移时，光电流始终为 0。
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[解析] 当光照射到 K 极时，如果入射光的频率足够大(大于 K 极 金属的极限频率)，就会从 K 极发出光电子。当反向电压增加到某一值
时，电流表 A 中电流就会变为零，此时12mvc2＝eUc，式中 vc 表示光电 子的最大初速度，e 为电子的电荷量，Uc 为遏止电压，根据爱因斯坦 光电效应方程可知丙光的最大初动能较大，故丙光的频率较大，但丙 光照射光电管发出光电子的初动能不一定比甲光照射光电管发出光电 子的初动能大，所以 A 错误。对于甲、乙两束频率相同的光来说，入 射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，所以 B 错误。对甲、丙 两束不同频率的光来说，光强相同是单位时间内照射到光电管单位面 积上的光子的总能量相等，由于丙光的光子频率较高，每个光子的能 量较大，所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数就较少， 所以单位时间内发出的光电子数就较少，因此 C 错误。对于不同金属， 若照射光频率不变，根据爱因斯坦光电效应方程 Ek＝hν－W，知 Ek 与金属的逸出功为线性关系，D 正确。 [答案] D
3．最大初动能 发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子 核的引力逸出时所具有的动能的最大值。 [注 4] 金属越活跃，逸出功越小，越容易发生光电效应。
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4．爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：Ek＝hν－W0 。 (2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是 hν，
这些能量的一部分用来克服金属的逸出功 W0，剩下的表现 为逸出后光电子的最大初动能 Ek＝12mev2。 三、光的波粒二象性 1．光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。 2．光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。 3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。
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[延伸思考]
(1)典例中若仅增大电源的电动势则电流表的示数一定增 大吗？
(2)典例中若仅将电源的正、负极对调，则电流表的示数一 定为零吗？
提示：(1)不一定。当电流达到饱和电流时，电流表的示数 就不再增大。
(2)不一定。正负极对调后，光电子做减速运动，电子若不 能到达 A 极，则电流表的示数为零，否则就不为零。
()
A．10－21 J
B．10－18 C．10－15 J
D．10－12 J
解析：光子的能量 E＝hν，c＝λν，联立解得 E≈2×10－18 J， B 项正确。 答案：B
2．[光电效应的判断]
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如图所示是光电管的原理图，已知当
有波长为 λ0 的光照到阴极 K 上时，电
路中有光电流，则
()
A．若增加电路中电源电压，电路中光
B．8×1014 Hz
C．2×1015 Hz
D．8×1015 Hz
解析：设单色光的最低频率为 ν0，由爱因斯坦光电效应方程
得 Ek＝hν－W,0＝hν0－W，又 ν＝cλ，整理得 ν0＝λc－Ehk，代
入数据解得 ν0≈8×1014 Hz。
答案：B
【名师微点】
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1．与光电效应有关的五组“易混”概念对比
【基础自测】
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一、判断题
(1)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应
规律。
(×)
(2)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性。
(√)
(3)光子和光电子都是实物粒子。
(×)
(4)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。(×)
(5)要想在光电效应实验中测到光电流，入射光子的能量必须大于