第六章 波粒二象性 章末综合提升-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

章末综合提升 第六章　波粒二象性 章末检测 内容索引 一、知识网络构建 二、归纳整合提升 1.光电效应中相关概念的区别 概念 区别 光子与光电子 光子是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 光电子的初动能与光电子的最大初动能 光照射到金属表面时,电子吸收光子的能量,可能向各个方向运动,需克服原子核的引力和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分能量为光电子的初动能,只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功,才具有最大初动能 概念 区别 光电流与饱和光电流 从金属板飞出的光电子到达阳极,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,这个饱和值就是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关 入射光强度与光子能量 入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量,光子能量即每个光子的能量。光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积 [典例1]　　关于光电效应,下列说法中正确的是(　　) A.金属的逸出功与入射光的频率成正比 B.光电流的强度与入射光的强度无关 C.用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大 D.对于任何一种金属都存在一个“最大波长”,入射光的波长大于此波长时,就不能产生光电效应 D [解析]　金属的逸出功是由金属本身决定的,与入射光的频率无关,A错误;光电流大小与单位时间内逸出的光电子数正相关,而频率一定时单位时间内接收到的光子数与入射光的强度成正比,所以发生光电效应时,光电流的强度跟入射光的强度正相关,B错误;不可见光中的紫外线照射金属产生的光电子的最大初动能大于可见光照射金属产生的光电子的最大初动能,但是不可见光中红外线的频率低于可见光的频率,所以用红外线照射金属产生的光电子的最大初动能应小于用可见光照射金属产生的光电子的最大初动能,C错误;D选项中与金属的“最大波长”相对应的是金属的极限频率,入射光的波长大于金属的“最大波长”即入射光的频率小于金属的极限频率时,不能发生光电效应,D正确。 2.光电效应方程Ekm=hν-W的应用(选学) (1)光电效应方程的理解 ①Ekm为光电子的最大初动能,与金属的逸出功W和光的频率ν有关。 ②若Ekm=0,则hν=W,此时的ν即为金属的截止频率ν0。 (2)光电效应现象的有关计算 ①最大初动能的计算:Ekm=hν-W=hν-hν0。 ②截止频率的计算:hν0=W,即ν0=。 ③截止电压的计算:-eUc=0-Ekm, 即Uc==。 [典例2]　在光电效应实验中,用频率为1.5ν的A光和频率为ν的B光分别照射同一金属,A光照射时的截止电压是B光照射时截止电压的2倍,则该金属发生光电效应的截止频率为(　　) A.ν　　　　　　　　　 B.ν C.ν D.ν B [解析]　根据光电效应方程Ekm=hν-W=eUc可得:对A光有Ekm1=1.5hν-W=eUc1;对B光有Ekm2=hν-W=eUc2,且有=2,解得W=hν,再由W=hν0可得ν0===ν,故B正确,A、C、D错误。 3.光电效应四类图像 图像名称 图线形状 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 图像名称 图线形状 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   (1)截止电压Uc:图线与横轴的交点 (2)饱和光电流Im:光电流的最大值 (3)最大初动能:Ek=eUc 图像名称 图线形状 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)截止电压Uc1、Uc2:图线与横轴的交点 (2)饱和光电流:光电流的最大值 (3)最大初动能:Ek1=eUc1,Ek2=eUc2 图像名称 图线形状 由图像直接(间接)得到的物理量 截止电压Uc与入射光频率ν的关系图像   (1)极限频率νc:图线与横轴的交点 (2)截止电压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) [典例3]　 (多选)如图是某金属在光的照射下逸出的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系图像,由图像可知(　　) A.该金属的逸出功等于E-hν0 B.该金属的逸出功等于hν0 C.入射光的频率为2ν0时,逸出的光电子的最大初动能为hν0 D.当入射光的频率ν大于ν0时,若ν增大一倍,则光电子的最大初动能也增大一倍 BC [解析]　根据Ekm=hν-W得金属的截止频率等于ν0,纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功,逸出功等于E,则E=W=hν0,故B正确,A错误;根据E'km=2hν0-W而W=hν0,故E'km=hν0,故C正确;根据光电效应方程Ekm=hν-W可知,光电子的最大初动能与入射光的频率是线性关系,不是成正比,所以若ν增大一倍,则光电子的最大初动能不是增大一倍,故D错误。 [典例4]　(多选)如图甲所示,在光电效应实验中,某同学用相同频率的单色光,分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管,结果都能发生光电效应。图乙为其中一个光电管的截止电压U0随入射光频率ν变化的函数关系图像。对于这两个光电管,下列判断正确的是(　　) A.因为材料不同逸出功不同,所以截止电压U0不同 B.光电子的最大初动能不同 C.因为光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光电流也可能相同 D.两个光电管的U0-ν图像的斜率可能不同 [答案]　ABC [解析]　根据光电效应方程得Ek=hν-W,因为不同材料有不同的逸出功,所以光电子的最大初动能不同,因为eU0=Ek,所以截止电压U0不同,A、B项正确;在入射光的频率大于截止频率的情况下,发射出的光电子数与入射光的强度成正比,光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光电流也可能相同,C项正确;由U0=-可知,U0-ν图像的斜率k=是常数,D项错误。 [典例5]　如图所示,在光电效应实验中,小明用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线甲、乙、丙。下列说法正确的是(　　) A.甲光的频率比乙光的小 B.乙光的波长比丙光的长 C.甲、丙两种光照射该光电管阴极时所产生光电子的最大初动能不同 D.乙、丙两种光照射该光电管阴极的截止频率不同 A [解析]　由题图可得用单色光甲、乙照射光电管时截止电压不同,由Ekm=hν-W和Ekm=eUc得eUc=hν-W,因为甲光照射时的截止电压小,所以甲光的频率小,故A正确;由题图可得用单色光乙、丙照射光电管时截止电压不同,由Ekm=hν-W和Ekm=eUc得eUc=hν-W,因为丙光照射时的截止电压小,所以丙光的频率小,又λ=,故丙光的波长比乙光的长,故B错误;由题图可得用单色光甲、丙照射光电管时截止电压相同,故单色光甲、丙的频率相同,又Ekm=hν-W,故甲、丙两种光照射时产生光电子的最大初动能相同,故C错误;截止频率hν0=W,W只与该光电管阴极材料有关,故截止频率相同,故D错误。 章末检测(六)　波粒二象性 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 一、选择题(本大题共10个小题。在每小题所给的四个选项中,第1~7题只有一项符合题目要求,第8~10题有多项符合题目要求。) 1.对宇宙微波背景辐射的黑体谱形状的研究被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。关于黑体辐射,下列说法正确的是(　　) A.温度低于0 ℃的物体不会辐射电磁波 B.黑体不会辐射电磁波 C.爱因斯坦提出的能量子假说,能够很好地解释黑体辐射规律 D.黑体辐射的能量是不连续的,只能是某一最小能量值的整数倍 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射,并将这些辐射转化为热辐射;一切物体都会辐射电磁波,故A、B错误;普朗克在研究黑体辐射时最早提出了能量子假说,能够很好地解释黑体辐射规律,他认为黑体辐射的能量是不连续的,只能是某一最小能量值的整数倍,故C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 2.下列说法正确的是(　　) A.物质波属于机械波 B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性 C.德布罗意认为,任何一个运动着的物体,都具有一种波和它对应 D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:物质波与机械波是两个不同的概念,二者的本质不同,故A错误;德布罗意认为,任何一个运动着的物体,都具有一种波和它对应,即物质波,故B错误,C正确;宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,是由于宏观物体的波长非常小,并不是宏观物体运动时不具有波动性,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 3.如图所示,当弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器铝箔有张角,则该实验(　　) A.只能证明光具有波动性 B.只能证明光具有粒子性 C.只能证明光能够发生衍射 D.证明光具有波粒二象性 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性;验电器铝箔有张角,说明锌板发生了光电效应,则证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 4.以下说法正确的有(　　) A.黑体辐射中,随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 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.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等 D.汤姆孙证实了阴极射线就是电子流,并测出了电子所带的电荷量 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:在黑体辐射中,辐射强度随温度的变化关系为随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故A错误;衍射是波特有的性质,热中子束射到晶体上产生的衍射图样说明中子具有波动性,故B正确;由p=及p=可知,动能相同的质子和电子,其动量不同,故其德布罗意波长也不相同,故C错误;汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子,密立根测出了电子所带的电荷量,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 5.下列关于能量量子化的说法,正确的是(　　) A.能量子与电磁波的频率成反比 B.电磁波波长越长,其能量子越大 C.微观粒子的能量是不连续(分立)的 D.能量子假设是由爱因斯坦最早提出来的 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:由ε=hν可知,能量子与电磁波的频率成正比,故A错误;由ε=hν=可知,电磁波波长越长,其能量子越小,故B错误;普朗克提出了量子假设,他认为,物质辐射(或吸收)的能量都是不连续的,是一份一份进行的,故C正确;能量子假设是由普朗克最早提出来的,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 6.我国已研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”,对芯片制造领域技术突破作出重大贡献,光刻所用光的波长越短,分辨率越高。下面关于光的波粒二象性的说法中,正确的说法是(　　) A.光不可能同时既具有波动性,又具有粒子性 B.频率越小的光其粒子性越显著,频率越大的光其波动性越显著 C.光在传播时往往表现出粒子性,光在跟物质相互作用时往往表现出波动性 D.大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:光的波粒二象性是指光既具有波动性,又具有粒子性,二者是统一的,故A错误;在光的波粒二象性中,频率越大的光其粒子性越显著,频率越小的光其波动性越显著,故B错误;光在传播时往往表现出波动性,光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性,故C错误;光既具有粒子性,又具有波动性,大量的光子波动性比较明显,个别光子粒子性比较明显,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 7.美国物理学家阿瑟·阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖。光在接触物体后,会对其产生力的作用,这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动,这就是光镊技术。在光镊系统中,光路的精细控制非常重要。对此下列说法正确的是(　　) A.光镊技术利用光的粒子性 B.光镊技术利用光的波动性 C.红色激光光子能量大于绿色激光光子能量 D.红色激光光子动量大于绿色激光光子动量 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:光在接触物体后,会对其产生力的作用,则光镊技术利用光的粒子性,A正确,B错误;红光的频率小于绿光的频率,根据E=hν可知,红色激光光子能量小于绿色激光光子能量,C错误;红色激光光子的频率小于绿色激光光子的频率,则红色激光光子的波长大于绿色激光光子的波长,根据λ=可知红色激光光子动量小于绿色激光光子动量,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 8.下列有关光的波粒二象性的说法正确的是(　　) A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出波动性 CD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:一切光都具有波粒二象性,光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性,有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性,A错误;电子是实物粒子,有静止质量,光子不是实物粒子,没有静止质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,B错误;光的波长越长,波动性越显著,光的波长越短,粒子性越显著,C正确;大量光子运动的规律表现出光的波动性,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 9.(2023·海南卷)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 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析: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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 10.在利用光电管装置研究光电效应的实验中,使用某一频率的光照射光电管阴极时,有光电流产生。下列说法正确的是(　　) A.光电效应揭示了光的粒子性 B.在光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光频率成正比 C.保持入射光的频率不变,不断减小入射光的强度,截止电压始终不变 D.保持入射光的频率不变,增大入射光的强度,光电子的最大初动能一定变大 AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:光电效应说明光具有粒子性,故A正确;根据光电效应方程Ek=hν-W知,光电子的最大初动能与入射光的频率不是正比关系,故B错误;由光电效应方程Ek=hν-W及Ek=eUc可知,入射光频率不变光电子的最大初动能不变,对应的截止电压不变,故C正确;由光电效应方程Ek=hν-W知,入射光的频率不变,则对应的光电子最大初动能保持不变,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 二、非选择题(本题共5个小题。计算题需要写出必要的文字说明和具体的解题步骤。) 11.如图所示是研究光电管产生的光电流的电路图,A、K是光电管的两个电极,已知该光电管阴极的截止频率为νc,元电荷为e,普朗克常量为h。现将频率为ν(大于νc)的光照射在阴极上,则: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 (1)阴极材料的逸出功等于　　　　。  (2)加在A、K间的正向电压为U时,到达阳极的光电子的最大动能为　　　　　　　　,将A、K间的正向电压从零开始逐渐增加,电流表的示数的变化情况是　　　　　　　　　　　　　　　　。  (3)为了阻止所有光电子到达阳极,在A、K间应加上U反=　　　 　的反向电压。  hνc hν-hνc+eU 逐渐增大,最后保持不变 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:(2)逸出光电子的最大初动能为hν-hνc,若加在A、K间的正向电压为U时,到达阳极的光电子的最大动能为Ek+eU=hν-hνc+eU,将A、K间的正向电压从零开始逐渐增加,则到达阳极的光电子数逐渐增加,直到当全部光电子都能到达阳极时为止,则电流表的示数的变化情况是逐渐增大,最后保持不变。 (3)为了阻止所有光电子到达阳极,在A、K间应加的反向电压应满足:eU反=Ek=hν-hνc,解得U反=。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 12.某同学在研究光电效应“单位时间发射的光电子数与照射光强弱的关系”实验中: (1)在给出的四个电路图中,本实验应该选用的电路是　　　　。  2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 (2)要求加在光电管上的电压从零开始变化,则闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P应移到最　　　　(选填“左端”或“右端”)。  2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 (3)在某一强度的光照下,记录两电表示数如下表所示: ①用上表数据在下图所示的坐标纸上描绘出光电流与电压的关系图线; 电压U/V 0 0.20 0.50 0.80 1.00 1.30 1.50 2.00 2.50 电流I/μA 0.10 0.18 0.27 0.33 0.35 0.38 0.39 0.40 0.40 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 ②有同学利用电压为零时的电流值0.10 μA计算光电管单位时间里逸出的光电子数,行不行?　　　　,请说明理由________________________ 　 　 ;  ③估算此光照射下,单位时间内产生的光电子数为　　　　个。(已知电子电荷量大小e=1.6×10-19 C)  2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 答案:(1)A　(2)左端　(3)①图见解析　②不行　此时逸出的光电子并未全部到达阳极　③2.5×1012 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:(1)由于本实验是研究光电效应“单位时间发射的光电子数与照射光强弱的关系”,要求光电流达到饱和,则光电管两端所加电压应为正向电压,即光电管阴极K与电源负极相连,电流表必须与光电管串联后再与电压表并联,故应选A。 (2)若要求加在光电管上的电压从零开始变化,则闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P应移到最左端。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 (3)①如图所示。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 ②该做法不行,因为由作出的光电流与电压关系图线可知,饱和光电流为0.40 μA,电流为0.10 μA时逸出的光电子并未全部到达阳极。 ③在此光照射下,由作出的光电流与电压关系图线可知,饱和光电流为0.40 μA,此时1 s内由K极发出的电子全部到达阳极,根据I=可得,单位时间内产生的光电子数为N==个=2.5×1012个。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 13.如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴交点的横坐标为4.27×1014Hz,与纵轴交点的纵坐标为0.5 eV),试求:(结果都保留三位有效数字) (1)普朗克常量h; (2)这种金属的逸出功W。 答案:(1)6.50×10-34 J·s　(2)2.78×10-19 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:(1)根据Ek=hν-W,对照图像可知,图线的斜率表示普朗克常量, h= J·s≈6.50×10-34 J·s。 (2)当最大初动能为零时,入射光的光子能量与逸出功相等,即入射光的频率等于金属的截止频率,由题图可知金属的截止频率为ν0=4.27×1014 Hz 则金属的逸出功为W=hν0=6.50×10-34×4.27×1014 J≈2.78×10-19 J。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 14.(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; (2)太阳辐射硬X射线的总功率P。 答案:(1)　h　(2) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 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==。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 15.德布罗意认为:任何一个运动着的物体,都有一种波与它对应,波长λ=,式中p是运动着的物体的动量,h是普朗克常量。已知某种紫光的波长是440 nm,将电子加速,使它的德布罗意波长是这种紫光波长的10-4倍。 (1)求电子的动量的大小; (2)试推导加速电压跟德布罗意波长的关系,并计算加速电压的大小。(电子质量m=9.1×10-31 kg,电子电荷量的绝对值e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,加速电压的计算结果保留一位有效数字) 答案:(1)1.5×10-27 kg·m/s　(2)U=　8×102 V 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 14 15 解析:(1)由λ=得电子的动量 p== kg·m/s≈1.5×10-27 kg·m/s。 (2)电子在电场中加速,根据动能定理有eU=mv2 又Ek=mv2=,p= 则U= 代入数据得U≈8×102 V。 $$