第15章 第1讲 光电效应 波粒二象性(基础落实课)（课件）-【新高考方案】2026年高考物理一轮总复习（江苏专版）

第十五章 原子物理 1 基础落实课 第1讲　光电效应 波粒二象性 第2讲　原子结构 原子核 光电效应 波粒二象性(基础落实课) 第 1 讲 1 课前基础先行 2 逐点清(一)　光电效应规律的理解及应用 CONTENTS 目录 4 逐点清(三)　对波粒二象性、物质波的理解 5 课时跟踪检测 3 逐点清(二)　光电效应的图像及应用 课前基础先行 一、黑体辐射　能量子 1.黑体、黑体辐射的实验规律 (1)黑体:能够__________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_____有关，还与材料的_____及表面状况有关。 完全吸收 温度 种类 ②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的______有关。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有_____，另一方面，辐射强度的极大值向波长较____的方向移动，如图所示。 温度 增加 短 2.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______，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=___，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)。 整数倍 hν 二、光电效应 1.光电效应现象 (1)定义:在光的照射下，金属中的_____从表面逸出的现象，逸出的电子叫作_______。 (2)产生条件:入射光的频率_____________金属的极限频率。 电子 光电子 大于或等于 2.光电效应的四条规律 (1)每种金属都有一个_____频率，入射光的频率必须___________这个极限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_____无关，只随入射光频率的增大而______。 (3)光电效应的发生几乎是_____的。 (4)当入射光的频率大于截止频率时，入射光越强，单位时间内逸出的电子数越多，饱和光电流______。 极限 大于或等于 强度 增大 瞬时 越大 三、爱因斯坦的光电效应理论 1.光子说 在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子，光子的能量ε=____。 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式:Ek=hν-____。 hν W0 (2)各量的意义: ①ν:照射光的频率。 ②W0:为逸出功，指使电子脱离某种金属所做功的最小值。 ③Ek :为光电子的最大初动能，指发生光电效应时，金属表面上的_____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。 电子 (3)公式的意义: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光电子的最大初动能Ek=_________。 me 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_____性。 (2)光电效应说明光具有_____性。 (3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的_________性。 波动 粒子 波粒二象 2.物质波 (1)概率波:光的干涉现象是大量光子的运动遵循波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率___的地方，暗条纹是光子到达概率___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。 大 小 1.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。 ( ) 2.光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。 ( ) 3.光电效应、康普顿效应都说明了光具有粒子性。 ( ) 4.法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子也具有波动性。 ( ) 5.光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。 ( ) 微点判断 √ × √ √ √ 1.(人教选择性必修3P77T2·改编)金属A在一束绿光照射下恰能发生光电效应，现用某种光照射金属A时能逸出光电子，该种光可能是 (　 ) A.红光　 　B.紫光　 　C.黄光　 　D.红外线 解析：发生光电效应的条件是入射光的频率大于或等于金属的极限频率。金属A在一束绿光照射下恰能发生光电效应，说明绿光的频率等于金属A的极限频率。现用某种光照射金属A时能逸出光电子，说明这种光的频率大于绿光的频率，故选B。 经典回练 √ 2.(人教选择性必修3P77T3·改编)用波长200 nm的光照射铝的表面能发生光电效应，已知铝的逸出功是4.2 eV，普朗克常量h=6.6×10-34 J·s，电子电荷量e=1.6×10-19 C，则光电子的最大初动能约为 (　 ) A.0.2 eV B.2 eV C.20 eV D.200 eV 解析：根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0=-W0，代入数据解得Ek≈2 eV，A、C、D错误，B正确。 √ 逐点清(一)　光电效应规律的理解及应用 课 堂 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: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)光电流与饱和光电流: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E=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.光电效应的两条分析思路 (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与截止频率νc的关系:W0= hνc。 考法1　对光子说的理解 1.(2024·贵州高考·改编)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.能量更大 C.动量更小 D.传播速度更小 考法全训 √ 解析：所有电磁波在真空中传播的速度相同，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，波长更长，频率更小，能量更小，动量更小，A、B错误，C正确。 考法2　光电效应规律的研究 2.如图所示为光电效应实验的电路图，用P光照射K极时，电流表有示数。改用照射强度与P光相同的Q光照射时，电流表示数为零，则(　 ) A.Q光频率大于P光频率 B.Q光频率一定小于金属电极 K的截止频率 C.增大Q光照射强度，可使电流表示数不为零 D.用Q光照射时，减小电源电压，电流表示数可能不为零 √ 解析：P光照射时，电流表有示数，Q光照射时，无示数，由此可知，Q光频率小于 P 光频率，A错误;由电路图可知，所加电压为反向电压，Q光照射K极可能不发生光电效应，也可能发生光电效应，故Q光频率可能大于金属电极K的截止频率，若发生光电效应，则增大Q光照射强度不能改变所产生光电子的最大初动能，故电流表示数依然为零，B、C错误;用Q光照射时，减小电源电压，电场力对光电子做功减小，若Ek0>qU，有光电子到达A极，此时电流表示数不为零，D正确。 考法3　爱因斯坦光电效应方程的应用 3.(2025·南通高三调研)美国物理学家密立根用如图所示的装置测量光电效应中的几个重要物理量。已知电子的电荷量e=1.60×10-19 C。 (1)开关S断开时，用单色光照射光电管的K极，电流表的读数I=1.76 μA。求单位时间内打到A极的电子数N; 答案：1.1×1013个 解析：由I=，且q=Nte 联立解得N===个=1.1×1013个。　 (2)开关S闭合时，用频率ν1=5.8×1014 Hz和ν2=6.8×1014 Hz的单色光分别照射光电管的K极，调节滑动变阻器，电压表示数分别为U1=0.13 V和U2=0.53 V时，电流表的示数刚好减小到零。求普朗克常量h。 答案：6.4×10-34 J·s 解析：设用频率为ν的光照射K极时，逸出的光电子的最大初动能为Ek，对应的遏止电压为U，逸出功为W0，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek1=hν1-W0，Ek2=hν2-W0 根据动能定理有eU1=Ek1，eU2=Ek2， 联立解得h==6.4×10-34 J·s。 逐点清(二)　光电效应的图像及应用 课 堂 光电效应四类图像对比 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 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 续表 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 续表 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 续表 考法1　Ek⁃ν图像 1.(2025·宿迁高三检测)在研究甲、乙两种金属的光电效应现象的实验中，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，则下列说法正确的是(　 ) 考法全训 A.甲金属的逸出功大于乙金属的逸出功 B.两条图线与横轴的夹角α和β可能不相等 C.若增大入射光的频率，则所需遏止电压随之增大 D.若增大入射光的强度，但不改变入射光的频率，则光电子的最大初动能将增大 √ 解析：根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知，光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像的斜率为普朗克常量h，纵轴截距的绝对值为逸出功，所以两条图线的斜率一定相等，则两条图线与横轴的夹角α和β一定相等，甲金属的逸出功小于乙金属的逸出功，A、B错误;根据Ek=hν-W0可知，增大入射光的频率，产生的光电子的最大初动能增大，由eUc=Ek可知，所需遏止电压随之增大，C正确;根据光电效应规律可知，不改变入射光频率ν，只增大入射光的强度，则光电子的最大初动能不变，D错误。 考法2　Uc⁃ν图像 2.(2025·南京高三检测)用图甲所示实验装置探究光电效应规律，得到a、b两种金属材料遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线如图乙中1和2所示，则下列有关说法中正确的是(　 ) A.图线的斜率表示普朗克常量h B.金属材料a的逸出功较大 C.用同一种光照射发生光电效应时，a材料逸出的光电子最大初动能较大 D.光电子在真空管中被加速 √ 解析：由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0，遏止电压Uc与最大初动能关系Ek=eUc，可得Uc=ν-，可知图线的斜率k=，A错误;由Uc=ν-，可知图像的纵轴截距的绝对值为，由题图乙可知b的纵轴截距的绝对值大于a，所以Wb>Wa，B错误;由于a材料的逸出功较小，由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0，可知用同一种光照射发生光电效应时，a材料逸出的光电子最大初动能较大，C正确;题图甲中真空管两极加的是反向电压，光电子在真空管中被减速，D错误。 考法3　同频率入射光的I⁃U图像 3.如图甲所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，频率相同的a、b两束光分别照射1、2两种材料，产生光电子的最大初动能分别为Eka、Ekb，光电流I随电压U变化关系如图乙所示，则(　 ) A.a光子的能量比b光子的大 B.a、b两光的光照强度相同 C.光电子的最大初动能Eka>Ekb D.材料1的截止频率比材料2的大 解析：a、b两束光的频率相同，则a、b两束光的光子的能量相同，选项A错误;因a光的饱和光电流较大，可知a光的光照强度较大，选项B错误;根据eUc=m=hν-W逸出功，因为b光的遏止电压较大，可知光电子的最大初动能Eka<Ekb，材料1的逸出功较大，即材料1的截止频率比材料2的大，选项C错误，D正确。 √ 考法4　不同频率入射光的I⁃U图像 4.如图所示为光电效应演示实验中，用a、b、c三束光照射某金属得到的电流与电压之间的关系曲线。下列说法正确的是(　 ) A.同一介质中a光的波长大于c光的波长 B.同一介质中a光的速度小于c光的速度 C.a光的光照强度小于b光的光照强度 D.a光照射时光电子最大初动能最大 √ 解析：a光的遏止电压小于c光的遏止电压，可知a光的频率小于c光的频率，即a光的波长大于c光的波长，A正确;a光的频率小于c光的频率，则a光的折射率小于c光的折射率，根据v=可知，同一介质中a光的速度大于c光的速度，B错误;a光的饱和光电流大于b光的饱和光电流，可知a光的光照强度大于b光的光照强度，C错误;a光的遏止电压小于c光的遏止电压，则a光照射时光电子最大初动能小于c光照射时的光电子最大初动能，D错误。 逐点清(三)　对波粒二象性、物质波的理解 课 堂 1.[对康普顿效应的理解] 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 题点全练 √ 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E=hν=，可知，散射光中存在频率变大的成分，或者说散射光中存在波长变短的成分，故C错误，D正确。 2.[对物质波的理解] 如图所示，电子在场中运动的初速度v有四种情况，电子的德布罗意波长变长的是(　 ) √ 解析：德布罗意波长公式为λ=，因此当电子速度减小时，动量减小，德布罗意波长变长。电子沿着与电场线相反的方向做加速运动，动量增大，德布罗意波长变短，故A错误;电子沿着电场线方向做减速运动，动量减小，德布罗意波长变长，故B正确;磁场对电子不做功，不改变电子速度大小，故德布罗意波长不变，故C、D错误。 3.[对波粒二象性的理解](2025·徐州高三检测)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，说明电子具有波动性，不能够证实原子具有核式结构，故A、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。 1.对光的波粒二象性的理解 精要点拨 　 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 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=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式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ 续表 2.物质波 (1)定义:任何运动着的物体都有一种波与之对应，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 1 2 3 4 5 6 7 8 1.(2025·镇江高三模拟)激光可以冷却中性原子，此过程光子和原子的物质波波长近似相等，则二者具有相近的 (　 ) A.速度 B.动量 C.质量 D.能量 解析：根据物质波波长公式λ=可知，二者一定具有相近的动量，故选B。 √ 1 5 6 7 8 2.(2025·南通高三检测)在研究光电效应的实验时，当图甲中滑动变阻器的滑片P由位置a滑到位置b的过程中，对应的电流表的示数变化如图乙所示，则滑片移动过程中 (　 ) 2 3 4 1 5 6 7 8 A.电源的左端为正极 B.从K极逸出的电子的最大初动能变大 C.到达A极的电子最大动能不变 D.单位时间内到达A极的电子数变多 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 解析：由题图乙可知，当题图甲中滑动变阻器的滑片P由位置a滑到位置b的过程中，电流表的示数由Ia增大到Ib，单位时间内到达A极的电子数变多，加在A极与K极间的正向电压增大，即A极电势高于K极电势，因此电源的左端为负极，A错误，D正确;K极的逸出功W0一定，照射光的频率ν一定，由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知，从K极逸出的电子的最大初动能不变，B错误;A极与K极间的正向加速电压增大，光电子由K极逸出到A极，由动能定理可得eU=EkA-Ekm，解得EkA=Ekm+eU，即到达A极的电子最大动能变大，C错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 3.(2025·扬州高三质检)如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其逸出功的大小关系为W1<W2，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 (　 ) 2 3 4 1 5 6 7 8 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 解析：由题图可知，光电管所加电压为正向电压，由光电效应方程有Ek=hν-W0，光电子到达A极过程，由动能定理有eU=Ekm-Ek，所以光电子到达A极时动能的最大值为Ekm=eU+hν-W0，由此可知，Ekm⁃U图像的斜率为e，纵截距为hν-W0，由题知W1<W2，则hν-W1>hν-W2，则用材料1和2进行光电效应实验得到的Ekm⁃U图线相互平行，且用材料2进行光电效应实验得到的Ekm⁃U图像的纵轴截距较小，故选A。 2 3 4 1 5 6 7 8 4.(2025·泰州高三调研)小明用同一光电管在不同实验条件下做光电效应实验，得到了三条光电流与电压之间的关系曲线，如图所示。关于本实验，下列说法中正确的是 (　 ) A.甲光的频率比乙光的频率大 B.乙光的波长比丙光的波长大 C.乙光所对应的截止频率与丙光所对应的截止频率一样大 D.甲光所产生光电子的最大初动能比丙光所产生光电子的最大初动能大 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 解析：根据题图可知，甲、丙两光对应的遏止电压相等，均小于乙光对应的遏止电压，根据eUc=Ekmax可知，甲光所产生光电子的最大初动能与丙光所产生光电子的最大初动能相等，故D错误;由于截止频率由金属材料本身决定，实验中小明用的是同一光电管，则乙光所对应的截止频率与丙光所对应的截止频率一样大，故C正确;根据光电效应方程有eUc=hν-W0，则ν=，由于甲光的遏止电压小于乙光的遏止电压，则甲光的频率比乙光的频率小，故A错误;结合上述分析可知，乙光的频率比丙光的频率大，根据c=λν可知，乙光的波长比丙光的波长小，故B错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 5.甲、乙两种光子的动量之比为3∶2，乙光子能使某金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能为Ek，已知乙光子的能量为E，则 (　 ) A.甲、乙两种光子的能量之比为9∶4 B.用甲光照射该金属时，产生的光电子最大初动能为E+Ek C.甲、乙两种光的波长之比为3∶2 D.用甲光照射时，该金属逸出功为(E-Ek) 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 解析：由光子能量ε==pc，可得甲、乙两种光子的能量之比为3∶2，故A错误;由动量p=，可得λ=，可得甲、乙两种光的波长之比为2∶3，故C错误;由于Ek甲=ε甲-W0，Ek乙=ε乙-W0，而ε甲=ε乙=E，用甲光照射该金属时，产生的光电子最大初动能为Ek甲=E+Ek，该金属逸出功W0=E-Ek，故B正确，D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 6.波长为λ的光子与一静止电子发生正碰，测得碰撞后(未反弹)的光子波长增大了Δλ，普朗克常量为h，不考虑相对论效应，碰后电子的动量为 (　 ) A.+ B.+ C.- D.- 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 解析： 根据动量和波长的关系λ=，设碰后电子的动量为p0，光子与电子碰撞过程满足动量守恒，因为光子碰后未反弹，所以=+p0，解得p0=-，故选D。 2 3 4 1 5 6 7 8 7.(2025·南通高三检测)“拉曼散射”是指一定频率的光照射到样品表面时，物质中的分子与光子发生能量转移，散射出不同频率的光。若在反射时光子将一部分能量传递给分子，则 (　 ) A.光子的传播速度变大　 B.光子的波长变小 C.光子的频率变大 D.光子的动量变小 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 解析：光子的传播速度不变，A错误;光子将一部分能量传递给分子，光子的能量减小，频率变小，波长变大，B、C错误;根据p=可知，光子的波长λ变大，其动量变小，D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 8.(10分)如图，真空中足够大的铝板M与金属板N平行放置，通过电流表与电压可调的电源相连。一束波长λ=200 nm的紫外光持续照射到M上，光电子向各个方向逸出。已知铝的逸出功W0=6.73×10-19 J，光速c=3.0×108 m/s，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。 2 3 4 1 5 6 7 8 (1)求光电子的最大初动能Ek(计算结果保留两位有效数字);(4分) 答案：3.2×10-19 J　 解析：根据光电效应方程可得 Ek=-W0= J-6.73×10-19 J≈3.2×10-19 J。 2 3 4 1 5 6 7 8 (2)调节电压使电流表的示数减小到0时，M、N间的电压为U0;当电压为U0时，求能到达N的光电子中，初速度与M之间夹角的最小值θ。(6分) 答案：60° 解析：因调节电压使电流表的示数减小到0时，M、N间的电压为U0，则Ek=U0e 2 3 4 1 5 6 7 8 当电压为U0时恰能到达N的光电子满足 U0e=m(v0sin θ)2=Ek(sin θ)2 解得sin θ=，则θ=60° 2 3 4 $$