第16章 第1讲 光电效应 波粒二象性(Word教参)-【正禾一本通】2025年高考物理高三一轮总复习高效讲义

第1讲　光电效应　波粒二象性 ► 对应学生用书P274 【备考目标】 　1.通过实验，了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。2.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。 考点一　黑体辐射及实验规律 　　　　　　　　　　　　　　　　 1．热辐射 (1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。 (2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。 2．黑体、黑体辐射的实验规律 (1)黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。 (2)黑体辐射的实验 ①对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。 ②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图所示。 3．能量子 (1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 (2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。 【正误判断·辨析】 (1)黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波。(×) (2)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较短的方向移动。(√) (3)玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说。(×) 1.所谓黑体是指能全部吸收入射的电磁波而不发生反射的物体。显然，自然界不存在真正的黑体，但许多物体在某些波段上可近似地看成黑体。如图所示，用不透明的材料制成的带小孔的空腔，可近似地看作黑体。这是利用了(　　) A．控制变量法 B．类比法 C．比值法 D．理想化方法 解析：选D。黑体实际上是理想化模型，把实际物体近似看作黑体，用到的是理想化方法，A、B、C错误，D正确。 2.(2023·湖北武汉统考)人们认识量子论的第一步始于对黑体辐射实验规律的解释，下图画出了T1、T2两种温度下黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系，下列说法正确的是(　　) A．T1<T2 B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 C．随着温度升高，波长短的辐射强度增大，波长长的辐射强度减小 D．爱因斯坦提出的能量子假说很好地解释了黑体辐射的实验规律 解析：选B。对于黑体辐射，温度越高，辐射强度越强，且极大值向着波长较短的方向移动，根据图像可知，T1>T2，故A错误；黑体辐射随着波长越短、温度越高则辐射越强，所以黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，故B正确；随着温度升高，各种波长的辐射强度均有增加，但辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动，故C错误；普朗克提出了能量子假说并根据能量子假说很好地解释了黑体辐射的实验规律，破除了“能量是连续变化的”传统观念，故D错误。 考点二　光电效应的理解与应用 　　　　　　　　　　　　　　　　 1．光电效应及其规律 (1)光电效应现象 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子。 (2)光电效应的产生条件：入射光的频率大于或等于金属的截止频率。 (3)光电效应规律 ①每种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能产生光电效应。 ②当入射光的频率大于截止频率时，入射光越强，饱和电流越大，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。 ③光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。 ④光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s。 2．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，每一份叫作一个光的能量子，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。 (2)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。用W0表示。 (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。 (4)光电效应方程 ①表达式：hν＝Ek＋W0或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＝mev。 【正误判断·辨析】 (1)光子和光电子都不是实物粒子。(×) (2)只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应。(×) (3)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于或等于该金属的逸出功。(√) (4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。(×) 1．研究光电效应的“两条”思路 (1)两条线索 (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。 2．光电效应中的“三个”关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0，其中Ek＝mev。 (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与截止（极限）频率νc的关系：W0＝hνc。 考向1　光电效应规律 1．(多选)如图所示，一个真空光电管的应用电路中，阴极金属材料的截止频率为4.5×1014 Hz，则以下判断正确的是(　　) A．无论用什么频率的单色光照射光电管，只要照射足够的时间，都能在电路中产生光电流 B．用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生 C．发生光电效应后，增加照射光电管的入射光的强度，电路中的光电流就一定增大 D．发生光电效应后，增加电源电压，电路中的光电流一定增大 解析：选BC。入射光的频率小于阴极金属材料的截止频率时，无论照射多长时间也不能产生光电流，A错误；根据c＝λν，当λ＝0.5 μm时ν＝6.0×1014Hz，大于阴极金属材料的截止频率，有光电流产生，B正确；同频率的光照射阴极材料时产生的饱和光电流与光的强度成正比，入射光的强度增大，光电流一定增大，增加电源电压，光电流不一定增大，C正确，D错误。 2．(2024·福建龙岩阶段练习)如图所示为研究光电效应的电路图。开关闭合后，当用波长为λ0的单色光照射光电管的阴极K时，电流表有示数。下列说法正确的是(　　) A．若只让滑片P向D端移动，则电流表的示数一定增大 B.若只增加该单色光的强度，则电流表示数一定增大 C．若改用波长小于λ0的单色光照射光电管的阴极K，则阴极K的逸出功变大 D．若改用波长大于λ0的单色光照射光电管的阴极K，则电流表的示数一定为零 解析：选B。只让滑片P向D端移动，A、K间电压增大，所加电压为正向电压，如果光电流达到饱和值，增加电压，电流表示数也不会增大，故A错误；只增加单色光强度，逸出的光电子数增多，光电流增大，故B正确；阴极K的逸出功与入射光无关，故C错误；若改用波长大于λ0的单色光，能量减小，可能会发生光电效应，则电流表的示数不一定为零，故D错误。 考向2　光电效应方程的应用 3．用如图所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零，移动滑动变阻器的触点c，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为零，则在该实验中(　　) A．光电子的最大初动能为1.05 eV B．光电管阴极的逸出功为1.7 eV C．开关S断开，电流表G示数为零 D．当触点c向a端滑动时，电压表示数增大 解析：选D。由题可知，遏止电压Uc＝1.7 V，最大初动能Ek＝eUc＝1.7 eV，A错误；根据光电效应方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05 eV，B错误；断开开关S，光电效应依然发生，有光电流，光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路，电流表中电流不为零，C错误；电源电压为反向电压，当触点c向a端滑动时，反向电压增大，电压表表示数增大，电流表示数减小，D正确。 考点三　光电效应图像问题 　　　　　　　　　　　　　　　　 图像名称 图像形状 由图像直接(间 接)得到的物理量 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像 ①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc； ②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值，W0＝|－E|＝E； ③普朗克常量：图线的斜率，k＝h 颜色相同、强度不同的光照射时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标的绝对值； ②饱和光电流Im：电流的最大值，强光大于弱光； ③最大初动能：Ekm＝eUc 颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2； ②最大初动能：Ek1＝eUc1、Ek2＝eUc2 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像 ①截止频率νc：图线与横轴的交点的横坐标； ②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大； ③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压) 考向1　Ekm­ν图像 1．金属钛由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。用频率为2.5×1015Hz的单色光照射金属钛表面，发生光电效应。从钛表面放出光电子的最大初动能与入射光频率的关系图线如图所示。普朗克常数h＝6.63×10－34 J·s，则下列说法正确的是(　　) A．钛的极限频率为2.5×1015 Hz B．钛的逸出功为6.63×10－19 J C．随着入射光频率的升高，钛的逸出功增大 D．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 解析：选B。由题图可知，当最大初动能等于零时，入射光的频率等于金属的极限频率，则有νc＝1.0×1015 Hz，可知钛的逸出功W0＝hνc＝6.63×10－34×1.0×1015J＝6.63×10－19J，A错误，B正确；逸出功由金属本身的性质决定，与入射光频率无关，C错误；由题图可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，不是正比关系，D错误。 考向2　Uc­ν图像 2. (2022·河北高考)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知(　　) A.钠的逸出功为hνc B．钠的截止频率为8.5×1014 Hz C．图中直线的斜率为普朗克常量h D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比 解析：选A。根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc＝Ekmax，根据光电效应方程有Ekmax＝hν－W0，结合图像可知，当Uc为0时，解得W0＝hνc，A正确；钠的截止频率为νc，根据图像可知，截止频率小于8.5×1014 Hz，B错误；结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc＝ν－，可知图中直线的斜率表示，C错误；根据遏止电压与入射光的频率关系式可知，遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系，不是成正比，D错误。 考向3　I­U图像 3．某实验小组研究光电效应规律时，用不同频率的光照射同一光电管并记录数据，得到遏止电压与频率的关系图线如图甲所示，当采用绿色强光、绿色弱光、紫色弱光三种光照射同一光电管时，得到的光电流与电压的关系如图乙所示。已知电子的电荷量为e，结合图中数据可知(　　) A．普朗克常量h＝ B．光电管的K极材料的逸出功为 C．a光为紫色弱光 D．c光为绿色强光 解析：选A。根据光电效应方程有Ekm＝hν－W0，根据动能定理可得－eUc＝0－Ekm，联立可得Uc＝－，可知Uc­ν图像的斜率为k＝＝，解得h＝，故A正确；根据Uc＝－，由Uc­ν图像可知，当Uc＝0时ν＝ν0，则有0＝－，解得该实验所用光电管的K极材料的逸出功为W0＝hν0＝，故B错误；入射光频率越大，遏止电压越大，所以a、b为同一种光，且a、b的频率小于c的频率，则a、b为绿光，c为紫光，而入射光越强，饱和光电流越大，所以a为绿色强光，故C、D错误。 考点四　光的波粒二象性与物质波　　　　　　　　　　　　　 1．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)光电效应说明光具有粒子性。 (3)光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 2．物质波 任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝，p为运动物体的动量，h为普朗克常量。 【教材链接·小练】 (多选)(鲁科版选择性必修第三册改编)关于物质的波粒二象性，下列说法正确的是(　　) A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性 B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C．波动性和粒子性在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的 D．实物粒子的运动有特定的轨道，所以实物粒子不具有波粒二象性 提示：选ABC。德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出物质波的概念，认为一切运动的物体都具有波粒二象性，故A正确，D错误；运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，没有特定的运动轨道，故B正确；波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的，故C正确。 对光的波粒二象性的理解 (1)从数量上看 个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。 (2)从频率上看 频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强。 (3)从传播与作用上看 光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现出粒子性。 (4)波动性与粒子性的统一 由光子的能量ε＝hν、光子的动量p＝也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ 1．(多选)(2023·海南高考)已知一个激光发射器功率为P，发射波长为λ的光，光速为c，普朗克常量为h，则(　　) A．光的频率为 B．光子的能量为 C．光子的动量为 D．在时间t内激光器发射的光子数为 解析：选AC。光的频率ν＝，选项A正确；光子的能量E＝hν＝，选项B错误；光子的动量p＝，选项C正确；在时间t内激光器发射的光子数n＝＝，选项D错误。 2．(2022·江苏高考)上海光源通过电子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后(　　) A．频率减小 B．波长减小 C．动量减小 D．速度减小 解析：选B。根据E＝hν可知光子的能量增加后，光子的频率增加，又根据λ＝，可知光子波长减小，故A错误，B正确；根据p＝，可知光子的动量增加；又因为光子质量不变，根据p＝mv可知光子速度增加，故C、D错误。 3．(多选)(2022·浙江1月高考)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10－23 kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10－31 kg，普朗克常量取6.6×10－34 J·s，下列说法正确的是(　　) A．发射电子的动能约为8.0×10－15 J B．发射电子的物质波波长约为5.5×10－11 m C．只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉 D．如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样 解析：选BD。根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为Ek＝＝ J≈8.0×10－17 J，A错误；发射电子的物质波波长约为λ＝＝ m＝5.5×10－11m，B正确；物质波也具有波粒二象性，故电子的波动性是每个电子本身的性质，则每个电子依次通过双缝都能发生干涉现象，只是需要大量电子显示出干涉图样，C错误，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$