第十六章 第1课时 能量量子化 光电效应（课件PPT）-【步步高】2025年高考物理大一轮复习讲义（粤教版 粤）

近代物理 第十六章 考 情 分 析 近代物理 考 情 分 析 近代物理 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 课时 能量量子化　光电效应 目标 要求 1.知道能量量子化。2.认识光电效应现象并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.会分析光电效应的三类图像。 内 容 索 引 考点一　　能量量子化 考点二　　光电效应 考点三　　光电效应常见的三类图像 课时精练 > < 考点一 能量量子化 1.能量子假说 物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hν的整数倍，hν被称为一个能量子，其中ν是辐射频率，h被称为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s。 能量量子化 考点一 2.光子 (1)光子及光子能量：爱因斯坦认为，当光和物质相互作用时，光的能量不是连续的，而是一份一份的光量子，这些光量子被称为光子，频率为ν的光子的能量ε＝____。 (2)光子的动量：①康普顿认为，光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。三者关系为p＝ 。 ②在康普顿效应中，当入射的光子与物质中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子动量可能会变小，波长λ______。 hν 变长 能量量子化 考点一 例1　(2023·江苏卷·14)“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； 能量量子化 考点一 能量量子化 考点一 (2)太阳辐射硬X射线的总功率P。 能量量子化 考点一 太阳辐射的硬X射线光子以球面波的形式均匀地向各个方向辐射，以太阳为圆心，半径为R的球面上每平方米面积上接收到的光子数相同，太阳每秒辐射光子的总能量E总＝P ① 面积为S的镜头每秒接收到的辐射光子的能量 能量量子化 考点一 返回 球面辐射模型 总结提升 能量量子化 考点一 光电效应 > < 考点二 1.光电效应及其规律 (1)光电效应现象 金属在光的照射下发射_____的现象被称为光电效应。这种电子常称为_______。 (2)光电效应规律 ①每种金属都有一个截止频率ν0，入射光的频率必须_____这个截止频率才能产生光电流。 光电子 大于 电子 光电效应 考点二 ②光电子的最大初动能与入射光的强度_____，只随入射光_____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___，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_____。 无关 频率 正比 多 光电效应 考点二 2.爱因斯坦光电效应方程 (1)光电效应方程 表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝________。 ①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______ _______。 ②逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的_______叫作这种金属的逸出功，逸出功W0与金属的截止频率的关系为________。 hν－W0 最大 初动能 最小值 W0＝hν0 光电效应 考点二 ③最大初动能：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。Ek＝ mvmax2，可以利用光电管实验的方法测得，最大初动能与遏止电压Uc的关系为_________。 电子 Ek＝eUc 光电效应 考点二 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。(　 　) √ × × × 判断正误 光电效应 考点二 思考　如图所示，用紫外线灯照射锌板，验电器箔片张开，此时锌板带____电；移走紫外线灯，使验电器箔片张角减为零后，再改用红外线照射锌板，发现验电器箔片不张开，说明_____________________________。 正 红外线的频率小于锌的截止频率 光电效应 考点二 例2　(2023·广东省华南师大附中三模)如图所示为研究光电效应实验的电路图。初始时刻，滑动触头P在O点左侧靠近a点某位置；用一定强度的绿光照射光电管K极，当闭合开关后，微安表的示数不为0，则在P向b端移动的过程中 A.微安表的示数一定不断增大 B.微安表的示数可能为零 C.到达A极的光电子动能不断增大 D.K极逸出的光电子的最大初动能不断增大 √ 光电效应 考点二 在P向b端移动的过程中，在到达O点之前，A极电势低于K极电势，随着P靠近O，电场力做的负功越来越少，微安表的示数增大；过了O点之后，A极电势高于K极电势，电场力对光电子做正功，微安表的示数增大， 当达到饱和电流后微安表的示数不再增大，A、B错误； 光电效应 考点二 A极电势逐渐升高，P到达O点前电场力对光电子做的负功减小，过了O点后电场力对光电子做的正功逐渐增大，根据动能定理可知到达A极的光电子动能不断增大，C正确； 根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，可知K极逸出 的光电子的最大初动能不变，D错误。 光电效应 考点二 拓展　将滑动触头P停在适当位置不动，若提高绿光强度，则光电子的最大初动能______，饱和电流______，金属的逸出功______。(均选填“增大”“减小”或“不变”) 不变 增大 不变 光电效应 考点二 例3　如表所示，给出了铝和钙的截止频率和逸出功，已知普朗克常量与光速的乘积为1 240 eV·nm，若用200 nm的光分别照射两种金属，下列选项正确的是 A.只有金属钙能发生光电效应 B.若增大入射光的波长，则截止频率减小 C.金属铝和钙对应遏止电压之比为2∶3 D.金属铝和钙对应遏止电压之比为21∶16 √ 金属 铝 钙 ν0/(×1014 Hz) 10.1 7.73 W0/eV 4.2 3.2 光电效应 考点二 截止频率只与金属自身的性质有关，与入射光的频率无关，B错误； 金属 铝 钙 ν0/(×1014 Hz) 10.1 7.73 W0/eV 4.2 3.2 光电效应 考点二 由爱因斯坦光电效应方程有Ek＝E－W0，结合动能定理eUc＝Ek得，铝的遏止电压为2 V，钙的遏止电压为3 V，则金属铝和金属钙的遏止电压之比为2∶3，故C正确，D错误。 金属 铝 钙 ν0/(×1014 Hz) 10.1 7.73 W0/eV 4.2 3.2 光电效应 考点二 光电效应的分析思路 返回 总结提升 光电效应 考点二 光电效应常见的三类图像 > < 考点三 1.Ek－ν图像 (1)写出最大初动能Ek与入射光频率ν的关系式：____________________。 (2)由图像获得的信息： ①图线与ν轴交点的横坐标：___________。 ②图线与Ek轴交点坐标的绝对值：__________。 ③图线的斜率：____________。 Ek＝hν－W0＝h(ν－ν0) 截止频率ν0 逸出功W0 普朗克常量h 考点三 光电效应常见的三类图像 2.Uc－ν图像(此时两极间接反向电压) (1)写出遏止电压Uc与入射光频率ν的关系式____________。 (2)由图像获得的信息： ①图线与横轴交点的坐标：___________。 ②图线的斜率k＝___。 截止频率ν0 考点三 光电效应常见的三类图像 (1)甲、乙两种色光比较： 两种色光对应的光电子最大初动能 Ek甲___Ek乙，两色光频率ν甲___ν乙， 两种色光对应的截止频率ν0甲___ν0乙，两种色光强度关系_________。 (2)丙、丁两种色光的比较：两种色光对应的光电子最大初动能Ek丙__Ek丁，两色光频率ν丙___ν丁；两种色光对应的截止频率ν0丙___ν0丁。 3.光电流I与电压U的关系(用同一光电管做实验) ＝ ＝ ＝ 甲光较强 < < ＝ 考点三 光电效应常见的三类图像 例4　(2022·河北卷·4)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知 A.钠的逸出功为hνc B.钠的截止频率为8.5×1014Hz C.图中直线的斜率为普朗克常量h D.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比 √ 考点三 光电效应常见的三类图像 根据遏止电压与最大初动能的关系有 eUc＝Ekmax， 根据爱因斯坦光电效应方程有Ekmax＝hν －W0， 结合图像可知，当Uc为0时，解得W0＝hνc， A正确； 钠的截止频率为νc，根据图像可知，截止频率小于8.5×1014Hz，B错误； 考点三 光电效应常见的三类图像 考点三 光电效应常见的三类图像 例5　(2023·广东省大湾区联考)某小组用a、b两种单色光照射同一光电管探究光电效应，得到光电流I与光电管所加电压U的关系如图所示，下列说法正确的是 A.b光照射时逸出的光电子最大初动能大 B.增强a光的强度，遏止电压Uca也增大 C.a光的频率大于b光的频率 D.a光的波长小于b光的波长 √ 考点三 光电效应常见的三类图像 根据eUc＝Ekm 遏止电压Ucb较大，则b光照射时逸出的光电子最 大初动能大，A正确； 遏止电压与光照强度无关，B错误； 由hν＝W0＋Ekm，eUc＝Ekm可知，a光的频率小于b光的频率，C错误； 返回 考点三 光电效应常见的三类图像 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.发生光电效应时，入射光的频率一定，光强越强，单位时间内逸出的 光电子数就越少 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 基础落实练 40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 逸出功W0＝hν0，W0∝ν0，A正确； 只有照射光的频率大于金属截止频率，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，最大初动能与入射光的频率和金属逸出功两个因素有关，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，入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出的光电子数越多，D错误。 2.(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3.(2023·新课标卷·16)铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁发射的光子具有稳定的频率，铯原子钟利用的两能级的能量差量级为10－5 eV，跃迁发射的光子的频率量级为(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，元电荷e＝1.60×10－19 C) A.103 Hz B.106 Hz C.109 Hz D.1012 Hz √ 4.(2024·广东广州市测试)如图，放映电影时，强光照在胶片上，一方面，将胶片上的“影”投到屏幕上；另一方面，通过声道后的光照在光电管上，随即产生光电流，喇叭发出与画面同步的声音。电影实现声音与影像同步，主要应用了光电效应的下列哪一条规律 A.光电效应的发生时间极短，光停止照射， 光电效应立即停止 B.入射光的频率必须大于金属的截止频率， 光电效应才能发生 C.光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大 D.当入射光的频率大于截止频率时，光电流的大小随入射光的强度增大而增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 电影实现声音与影像同步，主要应用了光电效应中的规律是：光电效应的发生时间极短，光停止照射，光电效应立即停止，依据该原理实现声音与影像同步，故选A。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5.(多选)(2023·广东省深圳中学三模)如图为光电倍增管的原理图，管内由一个阴极K、一个阳极A和K、A间若干对倍增电极构成。使用时在阴极K、各倍增电极和阳极A间加上电压，使阴极K、各倍增电极到阳极A的电势依次升高。当满足一定条件的光照射阴极K时，就会有光电子射出，在加速电场作用下，光电子以较大的动能撞击到第一个倍增电极上， 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 将动能转移给其他电子，从而激发出更多电子，最后阳极A收集到的电子数比最初从阴极发射的光电子数增加了很多倍。下列说法正确的有 A.光电倍增管适用于所有频率的光 B.保持入射光不变，增大各级间电压， 阳极收集到的电子数可能增多 C.保持入射光频率和各级间电压不变， 增大入射光强度可能影响阳极收集 到的电子数 D.分别用蓝光和紫光照射阴极，均逸出光电子，蓝光和紫光照射逸出的 光电子的动能可能相等 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ 光电倍增管工作时，入射光照射在阴极K上发生光电效应，即要求入射光的频率大于阴极K的截止频率，所以光电倍增管并不适用于所有频率的光，故A错误； 保持入射光不变，增大各级间电压，撞击各极的电子动能增大，从而可能激发出更多的电子，使阳极收集到的电子数增多，故B正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 保持入射光频率和各级间电压不变，增大入射光强度，阴极K单位时间内发射的光电子数增多，可能使第一倍增极被激发出的电子增多，从而最终影响阳极收集到的电子数，故C正确； 分别用蓝光和紫光照射阴极，均逸出光电子，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0可知，由于蓝光和紫光频率不同，所以逸出的光电子的最大初动能一定不等，但动能可能相等，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6.(2023·广东汕头市金南实验学校三模)如图甲所示，阴极K受到光照时能发射光电子。电源的正负极可以对调，闭合开关后，电路中形成光电流。用蓝光、弱黄光、强黄光分别照射阴极K，形成的光电流与电压的关系图像如图乙所示，则a、b、c光依次为 A.蓝光、弱黄光、强黄光 B.弱黄光、蓝光、强黄光 C.强黄光、蓝光、弱黄光 D.蓝光、强黄光、弱黄光 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 根据光电效应方程Ekm＝hν－W0 7.(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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。 8.(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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9.(2023·广东珠海市第三中学月考)用如图电路研究光电管的特性，入射光频率为ν，U为光电管K、A两极间的电势差，取A端电势高时为正值。若光电管K极材料的截止频率为ν0，普朗克常量为h，电子电荷量为e，则在U－ν坐标系中，阴影部分表示能产生光电流的U和ν取值范围，下列阴影标识完全正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10.(2023·广东广州市第二中学三模)如图，等腰直角三角形ABC玻璃砖固定，ab两束单色光垂直AC入射，其中a光刚好不能从AB面射出，而b光穿过AB面后进入光电管，并使电流表G产生示数(未饱和)。请回答下列问题： (1)玻璃砖对a光的折射率n为多少？不改变b光的频率，如何增大G表示数？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 不改变光的频率，增大b光的强度可令单位时间内光电子的数量增多，G表示数变大。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (2)若将图中电源反向，滑片P向右滑动过程中，发现电压表示数为U0时，G表示数刚好为零。已知光电管内金属材料的逸出功为W0，电子电荷量为e，则光电管的入射光的能量是多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案　U0e＋W0 G表示数刚好为零时，电压表示数U0，即为遏止电压，由光电效应方程U0e＝hνb－W0 所以光电管的入射光的光子能量为Eb＝hνb＝U0e＋W0 返回 答案　　h 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 答案　 E1＝·E总＝ ② 又E1＝Nhν＝N ③ 联立①②③解得P＝。 设一个点光源(比如太阳)辐射光子的功率为P0，它以球面波的形式均匀向外辐射光子，在一段很短的时间Δt内辐射的能量E＝P0·Δt，距离光源半径为R处有个面积为S的接收器，如图所示，则在Δt内接收器接收到的辐射光子能量E′＝E＝。 由题意可知，光子能量E＝＝ eV＝6.2 eV，光子能量大于两种金属的逸出功，故均能发生光电效应，A错误； Uc＝(ν－ν0) 根据上述分析，有Uc＝ν－，可知题图中直线的斜率表示，遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系，不是正比，C、D错误。 由λ＝可知，a光的波长大于b光的波长，D错误。 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＝，光在真空中传播速度不变，可知光子波长减小，故A、D错误，B正确； 根据p＝，可知光子的动量增大，故C错误。 根据已知条件可得：E＝10－5 eV＝1.6×10－24 J，根据E＝hν，可得光子频率为：ν＝＝≈2.4×109 Hz，选项C正确。 结合Ekm＝eUc，可得Uc＝，可知频率较大的光，遏止电压大，蓝光的频率大于黄光的频率，可知b光为蓝光，根据光照强度越大，饱和电流越大，可知a光为强黄光，则c光为弱黄光，故选C。 A. B. C. D. 设天体发射频率为ν光子的功率为P，由题意可知天眼每秒接收光子的能量E＝P··η＝Nhν， 解得P＝，故选A。 根据动能定理有－eU＝Ek，根据光电效应方程有Ek＝hν－W0＝hν－hν0，所以U＝－ν＋ν0。当入射光的频率大于截止频率时，才可以发生光电效应，故选A。 答案　　增大b光的强度 由于a光刚好不能从AB面射出，则在AB面发生全反射，所以sin i＝，由几何关系可得i＝45°。 所以可得玻璃砖对a光的折射率为n＝ $