内容正文:
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 2019·全国卷Ⅱ·T15
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 (多选)关于黑体辐射的实验规律如图所示,下列说法正确的是( )
A.黑体能够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 AD
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正确;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 (2023·浙江1月选考·11)被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星,领先世界.天眼对距地球为L的天体进行观测,其接收光子的横截面半径为R.若天体射向天眼的辐射光子中,有η(η<1)倍被天眼接收,天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子.普朗克常量为h,则该天体发射频率为ν光子的功率为( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 设天体发射频率为ν光子的功率为P,由题意可知Pt××η=Nhνt,解得P=,故选A.
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 (多选)(2023·浙江杭州市模拟)如图所示是研究光电效应的实验装置,某同学进行了如下操作:(1)用频率为ν1的光照射光电管,此时微安表中有电流,将滑动变阻器滑片P调至位置M(图中未画出),使微安表示数恰好变为0,此时电压表示数为U1;(2)用频率为ν2的光照射光电管,将滑片P调至位置N(图中未画出),使微安表示数恰好变为0,此时电压表的示数为U2.已知元电荷为e,ν1<ν2.关于该实验,下列说法正确的是( )
A.位置M比位置N更靠近b端
B.位置M、N与光照强度有关
C.可求得普朗克常量为
D.该光电管中金属的截止频率为
答案 AD
解析 根据电路图,结合逸出电子受到电场阻力时,微安表示数才可能为零,因此只有K的电势高于A点,即触头P向a端滑动,才能实现微安表示数恰好变为零,根据爱因斯坦光电效应方程可得Ek=hν-W0=eUc,因ν1<ν2,则U1<U2,即位置M对应的电压较小,位置M比位置N更靠近b端,故A正确;位置M、N对应的是遏止电压,与入射光的频率有关,与入射光的强度无关,故B错误;根据光电效应方程可得Ek1=hν1-W0=eU1,Ek2=hν2-W0=eU2,联立两式可得普朗克常量为h=,逸出功为W0=,根据W0=hνc,可解得该光电管中金属的截止频率为νc==,故D正确,C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·山东日照市模拟)在研究光电效应现象时,先后用单色光a、b、c照射同一光电管,所得到的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示,下列说法正确的是( )
A.b、c两种单色光的颜色相同
B.a、b两种单色光的光照强度相同
C.增大c光的光照强度,电路中的饱和电流将增大
D.增大b光的光照强度,射出的光电子的最大初动能增大
答案 C
解析 根据题图可知单色光c的遏止电压小于单色光b的遏止电压,根据eUc=Ek=hν-W0可知,b、c两种单色光频率不同,所以颜色不同,故A错误;由题图可知单色光a、b的遏止电压相同,则单色光a、b的频率相同,在光的频率相同的情况下,入射光越强,饱和电流越大,单色光a的饱和电流大于单色光b的饱和电流,则单色光a的光照强度大于单色光b的光照强度,故B错误;电路中的饱和电流与光照强度有关,在其他条件相同的情况
下,光照强度越大,光电流越大,故增大c光的光照强度,电路中的饱和电流将增大,故C正确;射出的光电子的最大初动能与光照强度无关,故D错误.
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 (多选)(2022·浙江1月选考·16)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
答案 BD
解析 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,故A错误;发射电子的物质波波长约为λ== m=5.5×10-11 m,故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,故C错误,D正确.
例8 (多选)(2023·浙江省金丽衢十二校联考)用1 000 V的电压对初速度为0的电子加速,然后让它们通过双缝打到屏上,得到如图所示的图样,图甲、图乙、图丙分别表示100多个电子、3 000多个电子、70 000多个电子通过双缝后的干涉图样,取电子的质量m=9×10-31 kg、电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量取6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是( )
A.加速后电子的物质波波长约为4×10-11 m
B.与电子、质子相联系的德布罗意波是概率波
C.图丙的图样是由于电子之间相互作用引起的
D.在微观物理学中电子的物质波可以用“轨迹”来描述电子的运动
答案 AB
解析 由德布罗意波长公式可得λ=,而动量p==,两式联立解得λ=≈4×10-11 m,A正确;物质波同时也是概率波,B正确;根据题图丙中的图样可知,是因为电子的波动性引起的干涉图样,C错误;物质波是一种概率波,没有确定的位置,在微观物理学中不可以用“轨迹”来描述电子的运动,D错误.
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.(多选)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波动性
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 AB
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·山东淄博市模拟)某光源发出的光由不同频率的光组成,不同频率的光的强度如图所示,表中给出了某些材料的截止频率,用该光源发出的光照射表中材料,下列说法正确的是( )
材料
钾
钙
钨
截止频率(×1014 Hz)
5.44
7.73
10.95
A.仅钾能产生光电子
B.仅钨、钙能产生光电子
C.仅钙、钾能产生光电子
D.钨、钙、钾都能产生光电子
答案 D
解析 由题图可知,该光源发出的光的频率大约在6×1014 Hz 到14×1014 Hz之间,而三种材料中,截止频率最大的钨的截止频率为10.95×1014 Hz,小于14×1014 Hz,所以该光源能使三种材料都发生光电效应,产生光电子,故选D.
6.(多选)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub,光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb,h为普朗克常量.下列说法正确的是( )
A.若νa>νb,则一定有Ua<Ub
B.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb
C.若Ua<Ub,则一定有Eka<Ekb
D.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb
答案 BC
解析 由爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W0,由动能定理得Ek=eU,用a、b单色光照射同种金属时,逸出功W0相同.当νa>νb时,一定有Eka>Ekb,Ua>Ub,故选项A错误,B正确;若Ua<Ub,则一定有Eka<Ekb,故选项C正确;因逸出功相同,有W0= hνa- Eka=hνb-Ekb,故选项D错误.
7.(多选)(2023·天津市模拟)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( )
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
解析 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;发生光电效应产生光电子的最大初动能Ek=hν-W0,要想使得光电流为零,即反向遏止电压静电力做功eUc=Ek,因此根据题图丁可知,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通过同一双缝干涉的条纹间距不同,说明波长不同,两者是矛盾的,选项C错误;根据上述分析可知,a光遏止电压小,说明光子频率比b光频率低,由爱因斯坦光电效应方程可知,a光照射产生的光电子的最大初动能一定小于b光照射的,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.
8.(2021·浙江6月选考·13)已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,电子的质量为9.11×10-31 kg,一个电子和一滴直径约为4 μm的油滴具有相同动能,则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为(ρ油=0.8×103 kg/m3)( )
A.10-8 B.106 C.108 D.1016
答案 C
解析 根据德布罗意波长公式λ=
及p=,解得λ=
由题意可知,电子与油滴的动能相同所以有=
m油=ρ油·πd3=0.8×103××3.14×(4×10-6)3 kg≈2.7×10-14 kg
代入数据解得=≈1.7×108
所以C正确,A、B、D错误.
9.(多选)如图所示,甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图像(电子电荷量为e),以下说法正确的是( )
A.由图甲可求得普朗克常量h=
B.由图乙可知虚线对应金属的逸出功比实线对应金属的逸出功小
C.由图丙可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大
D.由图丁可知电压越高,则光电流越大
答案 BC
解析 根据光电效应方程,结合动能定理可知eUc=Ek=hν-W0=hν-hνc,变式可得Uc=ν-νc,斜率k==,解得普朗克常量为h=,故A错误;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,题图乙中纵轴截距的绝对值表示逸出功,则实线对应金属的逸出功比虚线对应金属的逸出功大,故B正确;入射光频率一定,饱和电流由入射光的强度决定,即光的颜色不变的情况下,入射光越强,光子数越多,饱和电流越大,故C正确;分析题图丁可知,当达到饱和电流以后,增加光电管两端的电压,光电流不变,故D错误.
10.用金属铷为阴极的光电管,观测光电效应现象,实验装置示意图如图甲所示,实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,图线与横轴交点的横坐标为5.15×1014 Hz.已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.则下列说法中正确的是( )
A.欲测遏止电压,应选择电源左端为正极
B.当电源左端为正极时,滑动变阻器的滑片向右滑动,电流表的示数持续增大
C.增大照射光的强度,产生的光电子的最大初动能一定增大
D.如果实验中入射光的频率ν=7.00×1014 Hz,则产生的光电子的最大初动能约为1.2×10-19 J
答案 D
解析 遏止电压产生的电场对电子起阻碍作用,则电源的右端为正极,故A错误;当电源左端为正极时,滑动变阻器的滑片向右滑动,加速电场增强,电流增加到一定值后不再增加,故B错误;由Ek=hν-W0可知,最大初动能与光的强度无关,故C错误;Ek=hν-W0=hν-hνc,νc=5.15×1014 Hz,代入数值求得Ek≈1.2×10-19 J,故D正确.
11.(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.
12.(多选)(2023·浙江省高三检测)如图所示为研究光电效应的实验装置,此时滑片P位于中点O的正上方,用光束照射光电管的极板K,电流表的指针发生偏转.移动滑片P,当电流表示数恰好为0时,电压表指针指向某一刻度,下列说法正确的是( )
A.滑片P应向右滑动
B.电流表示数恰好为0时,电压表示数为遏止电压的大小
C.电压表指针指向某一刻度后,再移动滑片P,指针将不再偏转
D.用某种频率的光照射,电流表示数恰好为0时,读取电压表示数;换用另一种频率的光,同样操作后也读取电压表示数,若两种光频率和电子电荷量已知,就可以测定普朗克常量
答案 BD
解析 分析可知光电管应加上反向电压,故滑片P向左滑动,A错误;电流表示数恰好为0时,电压表的示数为遏止电压的大小,B正确;电压表测量滑动变阻器部分两端电压,指针一直偏转,C错误;由eUc=hν-W0可知,两组数据可以测定普朗克常量,D正确.
13.(2023·山东淄博市模拟)某光电管的阴极在某单色光照射下恰好发生光电效应.阴极与阳极之间所加电压大小为U,光电流为I.已知电子的质量为m、电荷量为e,假设光电子垂直碰撞阳极且碰撞后即被吸收,则光电子对阳极板的平均作用力F的大小为( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 根据题意,阴极金属恰好发生光电效应,则说明光电子离开阴极的速度为0,根据动能定理有eU=mv2,可得v=,每个光电子到达阳极板时的动量变化量大小为Δp0=mv=,设时间Δt内有n个电子打在阳极板上,则有I==,由动量定理可得平均作用力为F=n,由以上整理得F=,A正确,B、C、D错误.
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