第16章 第一讲 能量量子化 光电效应 波粒二象性（课件）-【创新方案】2026年高考物理一轮复习（通用版）

第十六章 原子物理 1 能量量子化 光电效应 波粒二象性 第 一 讲 |纲举目张|·|精要回顾| 温度 增加 短 电子 光电子 大于 增大 强度 hν hν-W0 干涉 波动性 光电效应 粒子性 波动 粒子 微点判断 (1)光子和光电子都是实物粒子。 ( ) (2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。 ( ) (3)要想在光电效应实验中测到光电流，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。 ( ) (4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。 ( ) (5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。 ( ) × × √ × √ (6)(2024·湖南高考)德布罗意认为质子具有波动性，而电子不具有波动性。 ( ) (7)如果一个电子和一个质子的德布罗意波长相等，则他们的动能也相等。 ( ) (8)(2024·湖南高考)普朗克认为黑体辐射的能量是连续的。 ( ) (9)黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。 ( ) × × × × 1 逐点清(一)　能量量子化(基础点速过) 2 逐点清(二)　光电效应的理解及应用 (重难点疏通) CONTENTS 目录 4 逐点清(四)　波粒二象性 物质波 (基础点速过) 3 逐点清(三)　光电效应的三类图像 (重难点疏通) 5 课时跟踪检测 逐点清(一)　 能量量子化(基础点速过) |关键知能|·|升维学习| ◉黑体辐射的实验规律 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 √ 解析：黑体辐射的实验规律如图所示，特点是随着温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，所以人体热辐射的强度I增大；随着温度的升高，辐射强度的峰值向波长较短的方向移动，所以λ减小。故选B。 ◉能量子 2.A、B两种光子的能量之比为3∶1，下列关于两种光子的说法正确的是(　 ) A.A和B频率之比为3∶1，波长之比为3∶1 B.A和B频率之比为1∶3，波长之比为3∶1 C.A和B频率之比为3∶1，动量大小之比为3∶1 D.A和B频率之比为1∶3，动量大小之比为3∶1 √ 解析：根据ε=hν=h，可得A、B光子的频率之比为3∶1，波长之比为1∶3，故A、B错误；根据p=，可得A、B光子的动量大小之比为3∶1，故C正确，D错误。 1.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，如图所示。 2.能量子 (1)定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值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是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量。h=6.626 070 15×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。 逐点清(二)　光电效应的理解及应用(重难点疏通) 1.与光电效应有关的五组概念对比 (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。光子是因，光电子是果。 (2)光电子的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，除了要克服逸出功外，有时还要克服原子的其他束缚的作用力，剩余部分为光电子的初动能；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的情况，才具有最大初动能。 (3)光电流和饱和光电流：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。 (4)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总能量，而光子能量ε=hν。 (5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。 2.光电效应的研究思路 (1)两条线索 (2)两条对应关系 ①入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大； ②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。 3.光电效应中三个重要关系 (1)爱因斯坦光电效应方程：Ek=hν-W0。 (2)光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系：Ek=eUc。 (3)逸出功W0与极限频率νc的关系：W0= hνc。 题点1　对光子说的理解 1.(2023·海南高考)(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(　 ) 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 √ √ 解析：光的频率ν=，选项A正确；光子的能量E=hν=，选项B错误；光子的动量p=，选项C正确；在时间t内激光器发射的光子数n==，选项D错误。 题点2　光电效应规律的研究 2.(2024·黑吉辽高考)(多选)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则(　 ) A.该金属的逸出功增大 B.X光的光子能量不变 C.逸出的光电子最大初动能增大 D.单位时间逸出的光电子数增多 √ √ 解析：金属的逸出功是金属本身的特性，与照射光的强度无关，A错误；根据ε=hν可知，X光的光子能量与其强度无关，B正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0，结合以上分析可知，逸出的光电子最大初动能与照射光的强度无关，C错误；若增加此X光的强度，则单位时间照射到金属表面的光子数增多，单位时间逸出的光电子数增多，D正确。 题点3　爱因斯坦光电效应方程的应用 3.(2024·海南高考)利用如图所示的装置研究光电效应，使单刀双掷开关S接1，用频率为ν1的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U1，已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是(　 ) A.其他条件不变，增大光强，电压表示数增大 B.改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的 示数为零，此时电压表示数仍为U1 C.其他条件不变，使开关接2，电流表示数仍为零 D.光电管阴极材料的截止频率νc=ν1- √ 解析：当开关S接1时，由爱因斯坦光电效应方程得eU1=Ekm=hν1-W0，故其他条件不变时，增大光强，电压表的示数不变，故A错误；若改用比ν1更大频率的光照射时，调整电流表的示数为零，而金属的逸出功不变，故遏止电压变大，即此时电压表示数大于U1，故B错误；其他条件不变时，使开关S接2，此时可发生光电效应，且加的正向电压，故电流表示数不为零，故C错误；根据爱因斯坦光电效应方程得eU1=Ekm=hν1-W0，其中W0=hνc，联立解得光电管阴极材料的截止频率为νc=ν1-，故D正确。 逐点清(三)　光电效应的三类图像(重难点疏通) 类型1　Ek-ν图像 图像名称 图线形状 读取信息 最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率(极限频率)：横轴截距 ②逸出功：纵轴截距的绝对值W0=|-E|=E ③普朗克常量：图线的斜率k=h [例1]　某种金属发生光电效应时逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，图线的横轴截距为ν0，图线的纵轴截距为-E，下列说法正确的是 (　 ) A.若入射光的频率为，则光电子的最大初动能为 B.普朗克常量为 C.该金属的逸出功随入射光频率的增大而减小 D.入射光的频率越高，单位时间逸出的光电子数越多 √ [解析]　根据爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W0，Ek-ν图线的斜率表示普朗克常量h=，B正确；Ek-ν图线的横轴截距ν0表示该金属的截止频率，若入射光的频率为时，小于金属的截止频率，不能发生光电效应，故A错误；金属的逸出功为W0=hν0与入射光的频率无关，C错误；发生光电效应后，单位时间逸出的光电子数与入射光的强度成正比，与入射光的频率无关，故D错误。 类型2　Ec-ν图像 图像名称 图线形状 读取信息 遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率νc：横轴截距 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 [例2]　(2025·陕西西安期末)如图1所示，闭合开关，通过调节照射光频率和改变滑动变阻器的滑片位置，使得理想微安表的示数刚好为0，得到理想电压表的示数Ue随着照射光频率ν的变化图像如图2所示。测得直线的斜率为k、横截距为ν0，电子所带电荷量的绝对值为e，则 (　 ) A.光电效应说明了光具有波动性 B.图1中a端为电源正极 C.K板的逸出功ekν0 D.普朗克常量为k √ [解析]　光电效应说明了光具有粒子性，A错误；由题意可知，光电管加反向电压，则图1中a端为电源负极，B错误；根据光电效应方程可知Uee=m=hν-W逸出功，即Ue=-，由图像可知=k，=kν0，则K板的逸出功W逸出功=ekν0，普朗克常量为h=ke，C正确，D错误。 类型3　I-U图像 图像名称 图线形状 读取信息 颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc：横轴截距 ②饱和光电流Im：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图线 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③最大初动能Ek1=eUc1，Ek2=eUc2 [例3·同频率入射光的I-U图像]　某研究小组用图甲所示光电效应实验的电路图，来研究两个光电管a、b用同一种光照射情况下的光电流与电压的关系，测得两光电管a、b两极间所加电压U与光电流I的关系如图乙所示。则有关这两个光电管的说法正确的是 (　 ) A.a的饱和光电流大，所以照射光电管a的光子能量大 B.照射光电管b时产生光电子的最大初动能大 C.照射两光电管时光电管b产生光电子需要的时间较长 D.光电管a的阴极所用金属的极限频率小 √ [解析]　照射两个光电管所用的是同一种光，光子能量相同，A错误；根据动能定理-eUc=0-Ek，可知，最大初动能与遏止电压成正比，根据图像可知|Uca|<|Ucb|，所以照射光电管b时产生光电子的最大初动能大，B正确；发生光电效应的过程是瞬时的，C错误；光电管a对应的遏止电压小，说明对应的光电子的最大初动能小，根据光电效应方程Ek=hν-W0，W0=hνc，可知光电管a阴极所用金属的极限频率大，D错误。 [例4·不同频率入射光的I-U图像]　如图所示为 演示光电效应的实验装置，用光强相同、频率差距 较大的单色光a、b分别照射光电管的K极，得到a光 对应的反向遏止电压比b光的大，则两种单色光分别 实验时，得到的电流的示数I和对应电压表的示数U关系图像，正确的是 (　 ) √ [解析]　a光对应的反向遏止电压比b光的大，由eUc=hν-W0，可知a光的频率比b光的大，a光的光子能量大，在光强相同的情况下，b光单位时间照射到K极上光子数多，逸出的光电子数多，饱和光电流大。故选B。 逐点清(四)　 波粒二象性 物质波(基础点速过) |关键知能|·|升维学习| ◉粒子性与康普顿效应 1.(2024·青岛模拟)实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射，下列说法中正确的是(　 ) A.该过程不遵循能量守恒定律 B.该过程不遵循动量守恒定律 C.散射光中存在波长变长的成分 D.散射光中存在频率变大的成分 √ 解析：康普顿认为X射线的光子与电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律，可以推知，在逆康普顿效应中，同样遵循能量守恒定律与动量守恒定律，故A、B错误；由题可知，在逆康普顿散射的过程中有能量从电子转移到光子，则光子的能量增大，根据公式ε=hν=，可知散射光中存在频率变大的成分，或者散射光中存在波长变短的成分，故C错误，D正确。 ◉对粒子性与波动性的理解 2.(2023·浙江6月选考)(多选)有一种新型光电效应量子材料，其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时，只产生动能和动量单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝，在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹，测得条纹间距为Δx。已知电子质量为m，普朗克常量为h，光速为c，则(　 ) A.电子的动量pe= B.电子的动能Ek= C.光子的能量E=W0+ D.光子的动量p=+ √ √ 解析：根据干涉条纹间距公式Δx=λ，可得λ=d，电子的动量pe==，故A正确；根据动能和动量的关系Ek=，结合A选项可得Ek=，故B错误；光子的能量E=W0+Ek=W0+，故C错误；光子的动量p=mc，光子的能量E=mc2，联立可得p=，则光子的动量p=+，故D正确。 ◉对物质波的理解 3.(2025·江苏徐州检测)汤姆孙利用电子束穿过铝箔，得到如图所示的衍射图样。则(　 ) A.该实验现象是电子粒子性的表现 B.该实验证实了原子具有核式结构 C.实验中电子的物质波波长与铝箔中原子间距差不多 D.实验中增大电子的速度，其物质波波长变长 √ 解析：衍射是波的特性，该实验现象是电子波动性的表现，故A错误；电子的发现证明原子能够再分，该实验是波的衍射现象，说明电子具有波动性，该实验不能够证实原子具有核式结构，故B错误；发生明显衍射现象的条件是波长与孔的尺寸差不多，可知，实验中电子的物质波波长与铝箔中原子间距差不多，故C正确；根据物质波的表达式有λ==可知，实验中增大电子的速度，其物质波波长变短，故D错误。 ◉对波粒二象性的理解 4.(多选)关于光的波粒二象性，正确的说法是(　 ) A.光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越显著 B.光的波长越长，光的能量越小，波动性越显著 C.频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性 D.个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性 √ √ √ 解析：光具有波粒二象性，但在不同情况下表现不同，频率越高，波长越短，粒子性越显著，反之波动性越显著，个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性，A、B、D正确。 1.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 续表 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、光子的动量表达式p=也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和动量的计算公式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ 2.物质波 (1)定义：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种波叫作物质波，也叫德布罗意波。 (2)物质波的波长：λ==，h是普朗克常量。 课时跟踪检测 (单击进入电子文档) $$