第十六章 第1讲 光电效应 波粒二象性（教师用书word）-【步步高】2024年高考物理大一轮复习讲义（ 人教版 苏京）

考情分析 光电效应 2022·河北卷·T4　2021·海南卷·T3　2021·江苏卷·T8 2019·天津卷·T5 能级跃迁、光子的动量 2022·广东卷·T5　2022·浙江6月选考·T7　2022·北京卷·T1 2022·重庆卷·T6　2020·江苏卷·T12(2) 黑体辐射、原子核式结构实验、物质波 2022·浙江1月选考·T16　2020·天津卷·T1　2020·江苏卷·T12(1) 原子核的衰变、半衰期 2022·山东卷·T1　2022·浙江6月选考·T14　2021·山东卷·T1 2021·广东卷·T1　2021·湖南卷·T1　2021·河北卷·T1 2021·福建卷·T9　2021·重庆卷·T2 核反应、核能 2022·浙江1月选考·T14　2022·湖北卷·T1　2022·辽宁卷·T2 2021·浙江6月选考·T14　2021·北京卷·T1　2021·海南卷·T5 2021·江苏卷·T1　2020·浙江7月选考·T14 试题情境 生活实践类 医用放射性核素、霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等 学习探究类 光电效应现象、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等 第1讲　光电效应　波粒二象性 目标要求　1.了解黑体辐射的实验规律.2.知道什么是光电效应，理解光电效应的实验规律，会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量.3.了解实物粒子的波动性，知道物质波的概念． 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)黑体辐射的实验规律： ①对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与温度有关，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． 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)． 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．(　×　) 例1　关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是(　　) A．黑体不能完全吸收照射到它上面的光波 B．随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加 C．随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动 D．黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关 答案　D 解析　能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁波而不发生反射的物体称为黑体，选项A错误；由题图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，选项B错误；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项C错误；一般物体辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关，选项D正确． 例2　(2022·全国乙卷·17)一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10－7 m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个．普朗克常量为h＝6.63×10－34 J·s.R约为(　　) A．1×102 m B．3×102 m C．6×102 m D．9×102 m 答案　B 解析　一个光子的能量为E＝hν， ν为光的频率，光的波长与频率的关系为c＝λν， 光源每秒发出的光子的个数为n＝＝， P为光源的功率，光子以球面波的形式传播，那么以光源为原点的球面上的光子数相同，此时距光源的距离为R处，每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个，那么此处的球面的表面积为S＝4πR2，则＝3×1014， 联立以上各式解得R≈3×102 m，故选B. 考点二　光电效应 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，这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子． (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． ③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s. ④当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比． 2．爱因斯坦光电效应方程 (1)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电子的最大初动能． (2)逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝h. (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． 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．(　×　) 光电效应的分析思路 例3　(2023·天津市质检)光电效应实验中，下列表述正确的是(　　) 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 答案　D 解析　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． 例4　(2023·江苏省如东高级中学检测)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.6 eV的光照射到光电管上时，电流表G有读数．移动变阻器的触头c，当电压表的示数大于或等于0.9 V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是(　　) A．光电子的初动能可能为0.8 eV B．光电管阴极的逸出功为0.9 eV C．开关S断开后，电流表G示数为0 D．改用能量为2 eV的光子照射，电流表G有电流，但电流较小 答案　A 解析　当电压表的示数大于或等于0.9 V时，电流表的示数为0，可知遏止电压为0.9 V，根据eUc＝Ekm，则光电子的最大初动能为0.9 eV，则光电子的初动能可能为0.8 eV，A正确；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，则逸出功为W0＝hν－Ekm＝3.6 eV－0.9 eV＝2.7 eV，B错误；光电管接的是反向电压，当开关断开后，光电管两端的电压为0，逸出的光电子能够到达另一端，则仍然有电流流过电流表G，C错误；改用能量为2 eV的光子照射，因光电子能量小于逸出功，则不会发生光电效应，D错误． 考点三　光电效应中常见的四类图像 图像名称 图线形状 获取信息 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系 ①截止频率νc：图线与ν轴交点的横坐标 ②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E ③普朗克常量h：图线的斜率k＝h 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系 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) 颜色相同、强度不同的光，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 ②饱和电流：电流的最大值 ③最大初动能：Ek＝eUc 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 例5　(2023·江苏南通市模拟)在光电效应实验中，某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示．则(　　) A．甲光的强度小于乙光的强度 B．乙光的频率大于丙光的频率 C．丙光照射时，逸出的所有光电子的物质波波长都最短 D．当电压等于U0时，甲、乙光对应的光电子的最大动能相等 答案　D 解析　根据eUc＝mvm2＝hν－W0，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，甲光、乙光的遏止电压相等，所以甲光、乙光的频率相等，丙的遏止电压最大，所以丙光的频率最高；甲的饱和电流值大于乙光，说明甲光的强度大于乙光的强度，故A、B错误；光电子动能越大，动量越大，由物质波波长公式λ＝可知其波长越短．丙光照射时，不是所有逸出的光电子的动能都是最大的，所以不是所有光电子的物质波波长都最短，故C错误；当电压等于U0时，静电力对甲、乙光对应的光电子做的功相等，甲光和乙光对应的光电子的最大初动能相等，由动能定理知电压等于U0时甲、乙光对应的光电子的最大动能相等，故D正确． 例6　(2021·江苏卷·8)如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率ν1<ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系的图像是(　　) 答案　C 解析　光电管所加电压为正向电压，则根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子到达A极时动能的最大值Ekm＝Ue＋hν－hν截止，可知Ekm－U图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上的截距越小，因ν1<ν2，则图像C正确，A、B、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，称为光的波粒二象性． 2．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大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，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． 1．光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性．(　√　) 2．法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性．(　√　) 例7　(2023·江苏苏北七市联考)著名物理学家汤姆孙曾在实验中让电子束通过电场加速后，通过多晶薄膜得到了如图所示衍射图样，已知电子质量为m＝9.1×10－31 kg，加速后电子速度v＝5.0×106 m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则(　　) A．该图样说明了电子具有粒子性 B．该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm C．加速电压越大，电子的物质波波长越大 D．使用电子束工作的电子显微镜中，加速电压越大，分辨本领越弱 答案　B 解析　题图为电子束通过多晶薄膜的衍射图样，因为衍射是波所特有的现象，所以说明了电子具有波动性，A错误；由德布罗意波长公式可得λ＝，而动量p＝mv，两式联立得λ＝≈0.15 nm，该实验中电子的德布罗意波长约为0.15 nm，B正确；由德布罗意波长公式可得λ＝，而动量p＝＝，两式联立得λ＝，加速电压越大，电子的波长越短，衍射现象就越不明显，分辨本领越强，C、D错误． 例8　(2023·上海市师大附中高三月考)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(　　) 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 答案　D 解析　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． 课时精练 1．关于光电效应，下列说法正确的是(　　) 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 答案　A 解析　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．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有(　　) A．光电效应现象揭示了光的粒子性 B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有粒子性 C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波的波长也相等 答案　A 3．(2022·江苏卷·4)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 答案　B 解析　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． 4.研究光电效应的电路图如图所示，关于光电效应，下列说法正确的是(　　) A．任何一种频率的光，只要照射时间足够长，电流表就会有示数 B．若电源电动势足够大，滑动变阻器滑片向右滑，电流表的示数能一直增大 C．调换电源的正负极，调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数可能变为零 D．光电效应反映了光具有波动性 答案　C 解析　能否发生光电效应取决于光的频率，与照射时间长短无关，A错误；光照条件一定的情况下，会出现饱和电流，增加极板间电压，电流表示数不会一直增大，B错误；调换电源正负极，若反向电压达到遏止电压，则电流表示数变为零，C正确；光电效应反映了光具有粒子性，D错误． 5．(2023·江苏连云港市模拟)科学家以高速电子束为“光源”利用冷冻电镜“拍摄”到了新冠病毒的3D影像．冷冻电镜分辨率比光学显微镜高1 000倍以上，可达0.2 nm.不考虑相对论效应，下列说法正确的是(　　) A．冷冻电镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长长 B．用高倍光学显微镜也能拍摄到新冠病毒的影像 C．电子运动的速度越大，其德布罗意波的衍射能力越强 D．若用相同动能的质子代替电子，也能“拍摄”到新冠病毒的3D影像 答案　D 解析　影响冷冻电镜分辨率的直接因素是光源的波长，波长越短，加速电压越高，分辨率越高，病毒比细菌还小得多，只有在电镜下才可以看到新冠病毒的影像，故A、B错误；电子运动的速度越大则其动量越大，由λ＝可知其对应的德布罗意波波长越小，其德布罗意波的衍射现象越不明显，故C错误；由p＝，p＝，可得λ＝，质子和电子的动能相同，质子质量大于电子质量，所以质子的波长小于电子的波长，波长越短，分辨率越高，所以，更能“拍摄”到新冠病毒的3D影像，故D正确． 6．(2023·江苏省南京航空航天大学附属高级中学高三开学考试)某实验小组用图甲所示电路研究a、b两种单色光的光电效应现象，通过实验得到光电流I与电压U的关系如图乙所示，由图可知(　　) A．光电子的最大初动能Eka>Ekb B．若a光可以让处于基态的氢原子电离，则b光一定也可以 C．两种光照射金属K时的逸出功不一样 D．两种光的频率νa>νb 答案　B 解析　由题图可得b光的遏止电压大，其逸出的光电子最大初动能大，故A错误；金属的逸出功由金属本身决定，故两种光照射金属K时的逸出功一样，故C错误；由eUc＝hν－W0，由题图可得b光照射光电管时的遏止电压大，其频率大，即νa<νb，故D错误；b光的频率大，光子能量大，若a光可以让处于基态的氢原子电离，则b光一定也可以，故B正确． 7．(2020·江苏卷·12(1)(2))(1)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点．它是根据黑体辐射规律设计出来的，能将接收到的人体热辐射转换成温度显示．若人体温度升高，则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是________． A．I增大，λ增大 B．I增大，λ减小 C．I减小，λ增大 D．I减小，λ减小 (2)大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线，其中最长和最短波长分别为λ1和λ2，则该激发态与基态的能量差为________，波长为λ1的光子的动量为________．(已知普朗克常量为h，光速为c) 答案　(1)B　(2)h　 解析　(1)若人体温度升高，则人体的热辐射强度I增大，由ε＝hν可知，对应的频率ν变大，由c＝λν知对应的波长λ变小，选项B正确． (2)该激发态与基态的能量差ΔE对应着辐射最短波长的光子，故能量差为ΔE＝hν＝h；波长为λ1的光子的动量p＝. 8.(2023·江苏常州市模拟)某金属在不同频率光的照射下发生光电效应，产生光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的图像，如图所示，换用其他金属开展相同实验，下列图像可能正确的是(　　) 答案　D 解析　由光电效应方程Ek＝hν－W0，结合图像可知，极限频率为ν0，有hν0－W0＝0，换用其他金属开展相同实验，不同金属的逸出功不同，故极限频率不一样；最大初动能Ek与入射光频率ν的图像的斜率是普朗克常量，为定值，故图像D正确，A、B、C错误． 9．(2023·江苏南京市检测)图甲是探究光电效应实验电路图，光电管遏止电压Uc随入射光频率ν的变化规律如图乙所示．下列判断正确的是(　　) A．入射光的频率ν不同，遏止电压Uc相同 B．入射光的频率ν不同，光照强度不同，Uc－ν图像的斜率相同 C．图甲所示电路中，当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流 D．只要入射光的光照强度相同，光电子的最大初动能就一定相同 答案　B 解析　根据Ekm＝hν－W0，又eUc＝Ekm，所以有Uc＝ν－，可见入射光的频率ν不同，遏止电压Uc不同，选项A错误；由Uc＝ν－知Uc－ν图像的斜率k＝，与入射光的频率ν、光照强度无关，选项B正确；题图甲所示电路中，必须把电源正负极反接过来，才能用来验证光电流与电压的关系，即当电压增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流，选项C错误；根据Ekm＝hν－W0可知在入射光频率相同的情况下，光电子的最大初动能相同，与光照强度无关，选项D错误． 10.(2023·山西省榆次一中模拟)如图所示，分别用波长为λ、2λ的光照射光电管的阴极K，对应的遏止电压之比为3∶1，则光电管的截止频率对应的光的波长是(　　) A．2λ B．3λ C．4λ D．6λ 答案　C 解析　根据eUc＝mvm2＝－得eUc1＝－，eUc2＝－，其中＝ ，联立解得λ0＝4λ，故选C. 11．(2023·江苏省阜宁中学检测)如图所示，某种单色光照射到光电管的阴极上时，电流表有示数，则下列说法不正确的是(　　) A．增大单色光的强度，电流表的示数将增大 B．滑片P向左移，电流表示数将减小，甚至为零 C．滑片P向左移，电流表示数将增大 D．入射的单色光的频率一定大于阴极材料的截止频率 答案　C 解析　增大单色光的强度，则产生的光电流增大，电流表的示数增大，故A正确；滑片P向左移时，K极的电势比A极的高，光电管上加的是反向电压，故滑片左移的过程中，电流表示数将减小，甚至为零，故B正确，C错误；单色光射到光电管的阴极时，电流表有示数，说明发生了光电效应，因此入射的单色光的频率一定大于阴极材料的截止频率，故D正确． 12．(2023·江苏泰兴市第一高级中学月考)光照射到物体上对物体表面产生的压力叫光压，科学家设想在未来的宇航事业中利用太阳照射到太阳帆上产生的光压来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒每单位面积接收到光的总能量为E，光平均波长为λ，光在真空中的速度为c，太阳帆面积为S，反射率100%，设太阳光垂直射到太阳帆上，飞船总质量为m，普朗克常量为h.求： (1)太阳帆上每秒内接收到光子的个数； (2)星际飞船飞行的加速度． 答案　(1)　(2) 解析　(1)光子的频率为ν＝ 一个光子的能量为hν＝h 太阳帆每秒接收的能量为ES，故每秒内接收的光子的个数为n＝＝ (2)光子垂直射到太阳帆上再反射，动量变化量为2p，设光对太阳帆的压力为F，光子的动量为p＝ 单位时间内由动量定理知F×1＝n·2p＝·2＝ 由牛顿第二定律得a＝＝. 学科网（北京）股份有限公司 $$