第4章 波粒二象性 章末小结与质量评价（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

一、知识体系建构——理清物理观念 二、综合考法融会——强化科学思维 [例1]　小明用阴极为金属铷的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s(计算结果保留3位有效数字)。 光电效应规律及其应用 (1)图甲中电极A为光电管的什么极？ (2)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，则铷的截止频率νc和逸出功W0分别是多少？ (3)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Ek是多少？ [解析]　(1)由光电管的结构知，A为阳极。 (2)Uc- ν图像中横轴的截距表示截止频率， 则νc＝5.20×1014 Hz，逸出功W0＝hνc≈3.45×10－19 J。 (3)由爱因斯坦的光电效应方程得Ek＝hν－W0≈1.19×10－19 J。 [答案]　(1)阳极　(2)5.20×1014 Hz　3.45×10－19 J　(3)1.19×10－19 J [融会贯通] 1．概念对比 (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，光子是光电效应的因，光电子是果。 (2)光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，在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，这个饱和值叫饱和光电流。在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关，饱和光电流随入射光强度的增大而增大，这一规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。 3．光电效应的图像问题 [对点训练] 1.(多选)如图甲所示为光电效应实验的电路图，用一定强度的单色光a、b分别照射阴极K，用电流表测量流过光电管的电流I，用电压表测量光电管两极间的电压U，调节滑动变阻器的滑片，得到图乙所示的光电流I与电压U的关系图像。下列说法正确的是 (　 ) A．将a、b两种光由空气射入水中，水对a光的折射率大于对b光的折射率 B．a、b两种光在水中的传播速度a光更小 C．用a光照射时光电管的极限频率高于用b光照射时光电管的极限频率 D．当滑动变阻器的滑片滑到最左端时，光电流I为零 光的波粒二象性与物质波 [融会贯通] 1．光的波粒二象性 光的干涉和衍射现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明，光具有粒子性，理论和实验表明，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。 2．光的波粒二象性的理解 (1)光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现。 (2)大量的光子产生的效果波动性比较明显；个别光子产生的效果粒子性比较明显。 (3)波长短的光粒子性显著，波长长的光波动性显著。 (4)当光和其他物质发生相互作用时表现为粒子性。当光在传播时表现为波动性。 (5)光波不同于宏观观念中那种连续的波，它是表示大量光子运动规律的一种概率波。 [对点训练] 2.用能量为50 eV的光子照射到光电管阴极后，测得光电流与电压的关系如图所示。已知电子的质量m＝9.0×10－31 kg、元电荷e＝1.6×10－19 C，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。试求： (1)光电管阴极金属的逸出功W0； (2)光电子的最大动量和对应物质波的波长λ。(保留2位有效数字) 三、价值好题精练——培树科学态度和责任 1．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)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) (　 ) A．10－21 J B．10－18 J　 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．(2024·浙江1月选考)如图所示，金属极板M受到紫外线照 射会逸出光电子，最大速率为vm。正对M放置一金属网N，在M、 N之间加恒定电压U。已知M、N间距为d(远小于板长)，电子的质 量为m，电荷量为e，则(　　) 3．(2024·贵州高考)(多选)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST，其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为21 cm的中性氢辐射，另一处是波长为18 cm的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子(　　) A．频率更大　　　　　 B．能量更小 C．动量更小 D．传播速度更大 4．“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； (2)太阳辐射硬X射线的总功率P。 “章末综合检测”见“章末综合检测（四）” (单击进入电子文档) 24 2．常见物理量的求解 (1)最大初动能Ek＝hν－W0，ν＝。 (2)遏止电压Uc＝。 (3)截止频率νc＝。 图像名称 图像 从图像得出的结论 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轴交点的纵坐标绝对值，W0＝E ③普朗克常量：图线的斜率，h＝k 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：图线与横轴的交点横坐标 ②饱和光电流Im：电流的最大值 ③最大初动能：Ekm＝eUc 图像名称 图像 从图像得出的结论 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Ek2＝eUc2，Ek1＝eUc1 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像 ①截止频率：图像与横轴的交点横坐标νc ②遏止电压：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(此时光电管两极之间接反向电压) 解析：由光电流I与电压U的关系图像可知，a光对应的遏止电压大于b光对应的遏止电压，结合Ek＝hν－W0和Ek＝eUc可知，a光光子的频率大于b光光子的频率，水对a光的折射率大于对b光的折射率，故A正确；根据折射率n＝可知，a光在水中的传播速度更小，故B正确；光电管的极限频率与自身的性质有关，与照射光的频率无关，故C错误；由光电流I与电压U的关系图像可知，当滑动变阻器的滑片滑到最左端时，电压U为零，但光电流I不为零，故D错误。 答案：AB　 [例2]　光子不但有能量，还有动量。光子动量p＝，其中h是普朗克常量，λ是光子的波长。光照到物体表面，对物体表面产生压力。若设计一种以光压为动力的宇宙飞船，给飞船装上面积为S＝4×104 m2的反射率极高的帆板，并让它正对太阳，帆板每秒单位面积上得到的太阳光能为E0＝1.35×104 J，宇宙飞船质量为M＝2×103 kg，忽略除光压以外其他力的作用，不考虑帆板因为位置变化导致的每秒单位面积上得到太阳光能的变化，c＝3.0×108 m/s。求： (1)1 s内照射到帆板上光子的总动量； (2)飞船的加速度大小及1小时内飞船的速度变化大小(结果保留两位有效数字)。 [解析]　(1)光子能量E＝hν，光子动量p＝＝h 解得E＝pc 单位时间接收到的能量与光子数n的关系为E0S＝nE 1 s内照射到帆板上光子的总动量p总＝np 联立解得p总＝＝1.8 N·s。 (2)对撞上帆板的光子进行分析，由动量定理得2p总＝Ft，其中t＝1 s 由牛顿第二定律得飞船的加速度大小a＝＝＝1.8×10－3 m/s2 1小时内飞船的速度变化大小Δv＝at1＝6.5 m/s。 [答案]　(1)1.8 N·s　(2)1.8×10－3 m/s2　6.5 m/s 3．概率波 光子在空间出现的概率正好可以通过波动的规律来确定。所以从光子的概念上看，光波是一种概率波。 4．粒子的波动性 (1)物质波：德布罗意波由光的波粒二象性类比提出，实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都有一个对应的波，这种与实物粒子对应的波称为德布罗意波或物质波。 (2)物质波波长的计算公式：λ＝。 (3)宏观物体由于波长太小，很难观察到它的波动性。 (4)不确定性关系ΔxΔp≥。在微观领域，要准确地测定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要准确确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大。 解析：(1)由题图可知，遏止电压Uc为20 V，由功能关系可知，eUc＝mv2。由爱因斯坦光电效应方程mv2＝hν－W0，可得W0＝hν－eUc，代入数据解得W0＝30 eV。 (2)由公式eUc＝mv2，得最大动量p＝mv＝＝2.4×10－24 kg·m/s，则对应物质波的波长λ＝＝ m＝2.8×10－10 m。 答案：(1)30 eV (2)2.4×10－24 kg·m/s　2.8×10－10 m A．M、N间距离增大时电子到达N的动能也增大 B．只有沿x方向逸出的电子到达N时才有最大动能 C．电子从M到N过程中y方向位移大小最大为vmd D．M、N间加反向电压时电流表示数恰好为零 答案：C　 解析：根据动能定理，从金属板M上逸出的光电子到达N时有eU＝Ekm－mv，则到达N时的动能为Ekm＝eU＋mv，与M、N间距无关，与电子从金属板中逸出的方向无关，选项A、B错误； 平行极板M逸出的电子到达N时在y方向的位移最大，则电子从M到N过程中y方向最大位移为ym＝vmt，d＝·t2，解得ym＝vmd ， 选项C正确；M、N间加反向电压且电流表示数恰好为零时，有eUc＝mv，解得Uc＝，选项D错误。 解析：所有电磁波在真空中传播的速度相等，都是c，D错误；由光子频率与波长公式ν＝，能量公式E＝hν，动量与波长公式p＝可知，中性氢辐射的光子波长更长，频率更小，能量更小，动量更小，A错误，B、C正确。 答案：BC　 解析：(1)由题意可知每个光子的动量为p＝ 每个光子的能量为E＝hν＝h。 (2)太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，根据题意设t秒发射总光子数为n，则＝，可得n＝，所以t秒辐射光子的总能量W＝E′＝nh＝，太阳辐射硬X射线的总功率P＝＝。 答案：(1)　h　(2) $$