第16章 第1讲 光电效应 波粒二象性-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（粤教版2019）

第十六章　近代物理初步 第1讲　光电效应　波粒二象性 课件使用说明 01 本课件使Office 2016制作，请使用相应软件打开并使用 使用软件 02 本课件理科公式均采用微软公式制作，如果您是Office 2007或WPS 2021年4月份以前的版本，会出现包含公式及数字无法编辑的情况，请您升级软件享受更优质体验 软件版本 03 本课件文本框内容可编辑，单击文本框即可进行修改和编辑 便捷操作 04 由于WPS软件原因，少量电脑可能存在理科公式无动画的问题，请您安装Office 2016或以上版本即可解决该问题 软件更新 基础知识　自主梳理 核心知识　典例研析 考点一　对光电效应规律的理解及其应用　 考点二　对光电效应图像的理解和应用　 考点三　对波粒二象性、物质波的理解　 内容索引 分层训练　巩固提高 一 基础知识　自主梳理 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 ⁠。 2. 光电效应的四个规律 (1)每种金属都有一个 ⁠。 (2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是 ⁠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 ⁠增 大而增大。 (4)光电流的强度与入射光的 ⁠成正比。 光电子　 极限频率　 瞬时　 频率　 强度　 3. 几个名词的解释 (1)遏止电压：使光电流减小到0的 电压，用Uc表示。 (2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的 ⁠频率叫作该种金属 的截止频率(又叫极限频率)，用νc表示，不同的金属对应着不同的截止 频率。 (3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面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 ⁠。 反向　 最小　 最大值　 二、爱因斯坦光电效应方程 1. 光子说 在空间传播的光不是连续的，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＝ 。其中h＝6.63×10－34 J·s(称为 普朗克常量)。 2. 逸出功W0 使电子脱离某种金属所做功的 ⁠。 hν　 最小值　 3. 爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：Ek＝hν－ ⁠。 (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＝me。 W0　 三、光的波粒二象性 1. 波动性：光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 ⁠性。 2. 粒子性：光电效应、康普顿效应说明光具有 ⁠性。 3. 光既具有 性，又具有 ⁠性，称为光的波粒二象性。 波动　 粒子　 波动　 粒子　 四、物质波 1. 概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到 达概率 的地方，暗条纹是光子到达概率 ⁠的地方，因此光波 又叫概率波。 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。 大　 小　 二 核心知识　典例研析 考点一　对光电效应规律的理解及其应用 基础考点 1. 对光电效应的四点提醒 (1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率和金属材料 的逸出功。 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。 (3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。 (4)光电子不是光子，而是电子。 2. 光电效应的研究思路 (1)两条线索 (2)两条对应关系 入射光强度大→单位时间内发射的光子数目多→单位时间内逸出光电子 数目多→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. 三个关系式 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。 (2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。 (3)逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc。 [典例1]　(2023·天津质检)在光电效应实验中，下列表述正确的是 (　D　) A. 光照时间越长，光电子最大初动能越大 B. 入射光足够强就可以有光电流导出 C. 遏止电压与入射光的强度有关 D. 入射光频率小于截止频率时，不论光照时间多长，都不能发生光电效 应 D 光电子的最大初动能与光照时间无关，与入射光的频率有关，故A错 误；发生光电效应的条件是入射光频率大于或等于截止频率，入射光 强，不一定能发生光电效应，故B错误；根据光电效应方程 Ek＝eUc＝hν－W0知，遏止电压与入射光的频率有关，与强度无关，故C错误；当入射光频率小于截止频率时，不论光照时间多长，都不能发生光电效应，故D正确。 A. 光电管阴极的逸出功为1.8 eV B. 开关S断开后，没有电流流过电流表G C. 光电子的最大初动能为1.8 eV D. 改用能量为1.5 eV的光子照射，有电流流过电流表G，但电流较小 [典例2]　(2024·广东深圳模拟)用如图所示的装置研究光电效应现象，当 用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2 mA，移动变阻器的滑片C，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流 表读数为0，则(　A　) A 由题图可知，光电管两端所加的电压为反向电压，由电压表的示数大于 或等于0.7 V时，电流表示数为0，可知光电子的最大初动能为0.7 eV， 根据光电效应方程hν＝Ek＋W0，可得W0＝1.8 eV，A正确，C错误；开 关S断开后，用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上发生了光电效应， 有光电子逸出，则有电流流过电流表G，B错误；改用 能量为1.5 eV的光子照射，由于光子的能量小于逸出功， 不能发生光电效应，无电流流过电流表G，D错误。 考点二　对光电效应图像的理解和应用 能力考点 四类光电效应图像的对比 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(方程： Ek＝hν－W0) (1)极限频率：图像与ν轴交点的横坐 标νc (2)逸出功：图像与Ek轴交点的纵坐标 的绝对值W0＝｜－E｜＝E (3)普朗克常量：图像的斜率k＝h 图像名称 图像形状 由图像直接(间接) 得到的物理量 颜色相同、强 度不同的光， 光电流与电压 的关系图像 (1)遏止电压Uc：图像与横轴交点的 横坐标 (2)饱和电流Im1、Im2：光电流的最大 值 (3)最大初动能：Ek＝eUc 　 图像名称 图像形状 由图像直接(间接) 得到的物理量 颜色不同时，光电 流与电压的关系 (1)遏止电压：Uc1、Uc2 (2)饱和电流 (3)最大初动能： Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 图像名称 图像形状 由图像直接(间接) 得到的物理量 遏止电压Uc与入射 光频率ν的关系图像(方程： Uc＝ν－) (1)极限频率νc：图像与横轴交点的 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：等于图像的斜率与 电子电荷量的乘积，即h＝ke(注：此 时两极之间接反向电压) [说明]　光电流与电压的关系 [典例3]　(2024·广东广州铁一中学月考)在研究光电效应规律的试验中， 用三束光分别照射同一光电管得到三条光电流和电压的关系图线如图所 示，则下列说法正确的是(　A　) A A. 光电子的最大初动能Ek甲＝Ek丙＜Ek乙 B. 光电子的最大初动能Ek甲＝Ek丙＞Ek乙 C. 三种光的频率关系是ν甲＞ν乙＞ν丙 D. 三种光的频率关系是ν甲＝ν乙＞ν丙 因为Ek＝hν－W0＝eUc，由题图可知，甲、丙光对应的遏止电压相等且 小于乙光对应的遏止电压，故光电子的最大初动能Ek甲＝Ek丙＜Ek乙，A 正确，B错误；因为是同一光电管，且有hν＝eUc＋W0，由题图可知， 甲、丙光对应的遏止电压相等且小于乙光对应的遏止电压，故 ν甲＝ν丙＜ν乙，C、D错误。 考点三　对波粒二象性、物质波的理解 基础考点 对光的波粒二象性的理解 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 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 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 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 [典例4]　(多选)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(　AC　) 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 AC 由波的知识可知λ＝cT＝，则光的频率为ν＝，A对；由光子说可知， 光子能量E＝hν＝h，光子动量p＝，B错，C对；时间t内发射的光子的 总能量为Pt，即n·h＝Pt，则n＝，D错。 [典例5]　(多选)关于光电效应和康普顿效应的规律，下列说法正确的是 (　BD　) A. 在光电效应中，金属板向外发射的光电子又可以叫作光子 B. 用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于该金属的 截止频率 C. 对于同种金属而言，遏止电压与入射光的频率无关 D. 在石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长，这个现象 称为康普顿效应 BD 在光电效应中，金属板向外发射的电子叫光电子，光子是光能量子 的简称，A错误；用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光 的频率小于该金属的截止频率，B正确；根据光电效应方程可知 hν＝W0＋eUc，对于同种金属而言(逸出功一样)，入射光的频率越大， 遏止电压也越大，即遏止电压与入射光的频率有关，C错误；在石 墨对X射线散射时，把部分X射线的散射光波长会变长的现象称为康 普顿效应，D正确。 [典例6]　用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上 先后出现如图(a)(b)(c)所示的图像，则(　D　) D A. 图像(a)表明光具有波动性 B. 图像(c)表明光具有粒子性 C. 用紫外线观察不到类似的图像 D. 实验表明光是一种概率波 题图(a)只有分散的亮点，表明光具有粒子性，题图(c)呈现干涉条纹，表 明光具有波动性，A、B错误；紫外线也具有波粒二象性，也可以观察 到类似的图像，C错误；实验表明光是一种概率波，D正确。 三 分层训练　巩固提高 【A级　夯实基础】 1. 关于光电效应，下列说法正确的是(　A　) A. 截止频率越大的金属材料逸出功越大 B. 只要光照射的时间足够长，任何金属都能发生光电效应 C. 从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小 D. 入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 逸出功W0＝hνc，W0∝νc，A正确；只有照射光的频率大于或等于金属截 止频率，才能发生光电效应，与光照的时间无关，B错误；由光电效应 方程Ek＝hν－W0知，入射光频率ν不确定时，无法确定Ek与W0的关系， C错误；发生光电效应的前提下，入射光的光强一定时，频率越高，光 子数越少，单位时间内逸出的光电子数越少，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2. 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 (　B　) A. 频率减小 B. 波长减小 C. 动量减小 D. 速度减小 根据ε＝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。 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 3. (2024·广东广州模拟)如图，电路中所有元件完好。当光照射光电管 时，灵敏电流计指针没有偏转，其原因是(　D　) A. 电源的电压太大 B. 光照的时间太短 C. 入射光的强度太强 D. 入射光的频率太低 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 由题图知，电源提供的电压为正向电压，只要能发生光电效应电路中就 有电流，A错误；光电效应的发生是瞬间的，与入射光的照射时间无 关，B错误；灵敏电流计指针未发生偏转，可能是未发生光电效应现 象，即入射光的频率小于金属的截止频率，与光照强度无关，C错误， D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 4. (多选)如图所示，甲、乙为两束光经过同一双缝干涉装置后产生的干 涉条纹，丙图为光电效应实验图，实验中施加反向电压得到的光电流I 与光电管两端电压U的关系如图丁所示。下列说法正确的是(　AB　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A. 若甲光能使丙图中产生光电流，则乙光一定能使丙图中产生光电流 B. 当UAK小于0，但UAK没有达到遏止电压时，流经电流表的电流方向为 从上到下 C. 若甲光对应丁图中曲线b，则乙光可能对应丁图中曲线c D. a光照射光电管产生的光电子动能一定小于b光照射光电管产生的光电 子动能 答案：AB 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 根据Δx＝λ可知甲光波长比乙光长，甲光频率小于乙光，若甲光能使题 图丙中产生光电流，则乙光一定能使题图丙中产生光电流，选项A正确；UAK没有达到遏止电压时，光电子在光电管中的运动方向由右至左，电流流经电流表方向由上至下，选项B正确；根据题图丁可知，b、c两种光射向同一光电管，反向遏止电压是一样的，说明b、c是同一种频率的光，但是由题图甲和题图乙可知甲、乙两束光通过同一双缝干涉装置的条纹间距不同，说明波长不同，即频率不同，两者是矛盾的，选项C错误；根据爱因斯坦光电效应方程及动能定理得Ek＝eUc＝hν－W0，由题图丁可知，a光遏止电压小于b光遏止电压，说明a光频率比b光频率低，由爱因斯坦光电效应方程可知，a光照射光电管产生的光电子的最大初动能一定小于b光照射光电管产生的光电子的最大初动能，但是a光照射光电管产生的光电子动能不一定小于b光照射光电管产生的光电子动能，选项D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 5. 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　) 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 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 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 W0＝hνc A正确； 由A项的分析知，钠的截止频率为νc，根据图像可知，截止频率小于 8.5×1014Hz，B错误； 结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc＝ν－，由此可知，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 呈线性关系，不成正比，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 6. (2024·广东珠海第一中学适应性考试)用图示装置研究光电效应现象， 当滑动头P从N移到M的过程中，光电流始终为零。为了产生光电流，可 采取的措施是(　B　) A. 增大入射光的强度 B. 增大入射光的频率 C. 把P向N移动 D. 将电源正负极反接 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 由题图可知，当滑动头P从N移到M的过程中，光电流始终为零，说明没 有发生光电效应现象，能否发生光电效应与入射光的强度无关，所以增 大入射光的强度，仍不能产生光电流，故A错误；增大入射光的频率， 当入射光的频率大于金属的截止频率时，就会发生光电效应现象，金属 中有光电子逸出，电路中能产生光电流，故B正确； 把P向N移动或将电源正负极反接均不能使金属发生 光电效应现象，电路中均不能产生光电流，故C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 【B级　能力提升】 7. (2024·广东汕头模拟)在用如图所示的光电管研究光电效应的实验中， 用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，而 用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏 转，那么(　C　) A. a光的波长一定大于b光的波长 B. 用不同的光照射光电管，光电管金属板的逸出功不同 C. 若入射光频率大于a光频率，则一定能发生光电效应 D. 增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，可 知a光照射时发生光电效应，用另一频率的单色光b照射光电管阴极K 时，电流计G的指针不发生偏转，可知b光照射时不发生光电效应，结合 光电效应发生的条件可知，a光的频率大于b光的频率，则a光的波长小 于b光的波长，A错误；金属板的逸出功是由金属板本身决定的，用不同 的光照射光电管，光电管金属板的逸出功不变，B错误；a光照射发生光 电效应，根据光电效应发生的条件，若入射光频率大于a光频率，则一 定能发生光电效应，C正确；b光照射不发生光电效应， 结合光电效应发生的条件可知，增加b光的强度仍然不 能发生光电效应，则不能使电流计G的指针发生偏转， D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 8. (2024·广东湛江质检)如图所示，甲图为演示光电效应的实验装置；乙 图为a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系 曲线。下列说法正确的是(　D　) A. a、b、c三种光的频率各不相同 B. b、c两种光的强度可能相同 C. 若b光为绿光，a光可能是紫光 D. 图甲中的滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的读数可能增大 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 由光电效应方程及遏止电压的关系可得eUc＝Ek＝hν－W0，b、c两种光 的遏止电压相同，故频率相同，a光的遏止电压较小，频率较低，A错 误；饱和光电流与光的强度成正比，对比乙图可知，b光较强，B错误； 由A的分析可知，a光频率较低，若b光为绿光， a光不可能是紫光，C错误；图甲中的滑动变阻 器的滑片向右滑动，光电管两端电压增大，且 为正向电压，电流表的读数可能增大，但不会 超过饱和光电流，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 9. 研究光电效应的装置如下图甲所示，通过实验记录电流表和电压表示 数，绘制出I－U图像如图乙所示，图中Uc、I0、Im均为已知。已知入射 光的频率为ν0，普朗克常量为h，电子电荷量为e，求： (1)时间t内从阴极K表面射出的光电子数n； 答案：(1) (1)已知饱和电流为Im，又Im＝，q＝ne，解得时间t内光电子数n＝。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (2)该光电管阴极K的极限频率νc。 答案： (2)ν0－ (2)设光电子最大初动能为Ek，由动能定理得－eUc＝0－Ek， 设该金属逸出功为W0，由光电效应方程hν0＝Ek＋W0，该金属的截止 频率为νc，则W0＝hνc，解得νc＝ν0－。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 10. (2023·江苏卷)夸父一号太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。 硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射 硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已 知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h， 光速为c，求： (1)每个光子的动量p和能量E； 答案：(1)　h　 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (1)根据德布罗意波长公式可得，每个光子的动量为p＝ 每个光子的频率为ν＝ 每个光子的能量为E＝hν 联立可得E＝h。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (2)太阳辐射硬X射线的总功率P。 答案：(2) (2)卫星离太阳中心的距离为R，离太阳中心距离为R的球面的表面积为 S球＝4πR2 单位面积上的功率为P0＝ 太阳辐射硬X射线的总功率P＝S球P0 联立解得P＝＝。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 $$