步步高2015届一轮讲义：13.2光电效应 波粒二象性

第2课时 光电效应 波粒二象性考纲解读1.知道什么是光电效应，理解光电效应的实验规律.2.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.知道光的波粒二象性，知道物质波的概念．1．[黑体辐射和能量子的理解]下列说法正确的是( )A ．一般物体辐射电磁波的情况与温度无关，只与材料的种类及表面情况有关B ．黑体能完全吸收入射的各种波长的电磁波，不反射C ．带电微粒辐射和吸收的能量，只能是某一最小能量值的整数倍D ．普朗克最先提出了能量子的概念答案 BCD2．[光电效应规律的理解]关于光电效应的规律，下列说法中正确的是( )A ．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生B ．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比C ．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7 s D ．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比 答案 D解析 由ε＝hν＝h c 知，当入射光波长小于金属的极限波长时，发生光电效应，故A 错．由E k ＝hν－W 0知，最大初动能由入射光频率决定，与入射光强度无关，故B 错．发生光电效应的反应时间一般不超过10－9 s ，故C 错． 3．[光的波粒二象性的理解]下列说法正确的是( )A ．光电效应反映了光的粒子性B ．大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性C ．光的干涉、衍射、偏振现象证明了光具有波动性D ．只有运动着的小物体才有一种波和它相对应，大的物体运动是没有波和它对应的 答案 AC一、黑体辐射与能量子1．黑体与黑体辐射(1)黑体：是指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①一般材料的物体，辐射的电磁波除与温度有关外，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．a．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加．b．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．2．能量子(1)定义：普朗克认为，带电微粒辐射或者吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍．即能量的辐射或者吸收只能是一份一份的．这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子．(2)能量子的大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常量．h＝6.63×10－34J·s.二、光电效应1．光电效应现象光电效应：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子．2．光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率．(2)光子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大．(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的．(4)光电流的强度与入射光的强度成正比．3．爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子．光子的能量为ε＝hν，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34 J·s.(2)光电效应方程：E k＝hν－W0.其中hν为入射光的能量，E k为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功．4．遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U c.(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的极限频率．(3)逸出功：电子从金属中逸出所需做功的最小值，叫做该金属的逸出功．三、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波动性．(2)光电效应说明光具有粒子性．(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．2．物质波(1)概率波光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，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＝hp，p为运动物体的动量，h为普朗克常量.考点一对光电效应实验规律的理解光电效应实验规律可理解为1．放不放光电子，看入射光的最低频率．2．放多少光电子，看光的强度．3．光电子的最大初动能大小，看入射光的频率．4．要放光电子，瞬时放．例11905年是爱因斯坦的“奇迹”之年，这一年他先后发表了三篇具有划时代意义的论文，其中关于光量子的理论成功的解释了光电效应现象．关于光电效应，下列说法正确的是()A．当入射光的频率低于极限频率时，不能发生光电效应B．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比C．光电子的最大初动能与入射光的强度成正比D．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属可能发生光电效应解析根据光电效应现象的实验规律，只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应，故A、D正确．根据光电效应方程，最大初动能与入射光频率为线性关系，但非正比关系，B错误；根据光电效应现象的实验规律，光电子的最大初动能与入射光强度无关，C错误．答案AD突破训练1用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则()A．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变B．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小C．逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小D．光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了答案 A解析光的频率不变，表示光子能量不变，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；而减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选项A正确．考点二对光电效应方程的应用和E k－ν图象的考查1．爱因斯坦光电效应方程E k＝hν－W0hν：光电子的能量W0：逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功．E k：光电子的最大初动能．2．由E k－ν图象(如图1)可以得到的信息图1(1)极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc.(2)逸出功：图线与E k轴交点的纵坐标的绝对值E＝W0.(3)普朗克常量：图线的斜率k＝h.例2如图2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(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5)．由图可知()图2A．该金属的截止频率为4.27×1014 HzB．该金属的截止频率为5.5×1014 HzC．该图线的斜率表示普朗克常量D．该金属的逸出功为0.5 eV解析图线在横轴上的截距为截止频率，A正确，B错误；由光电效应方程E k＝hν－W0可知图线的斜率为普朗克常量，C正确；金属的逸出功为W0＝hνc＝6.63×10－34×4.27×1014eV＝1.77 eV，D错误．1.6×10－19答案 AC突破训练2 (2011·新课标全国·35)在光电效应实验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______．若用波长为λ(λ<λ0)的单色光做该实验，则其遏止电压为______．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e 、c 和h .答案 hc λ0 hc (λ0－λ)eλ0λ解析 由光电效应方程知，光电子的最大初动能E k ＝hν－W 0，其中金属的逸出功W 0＝hν0，又由c ＝λν知W 0＝hc λ0，用波长为λ的单色光照射时，其E k ＝hc λ－hc λ0＝hc λ0－λλ0λ.又因为eU ＝E k ，所以遏止电压U ＝E k e ＝hc (λ0－λ)eλ0λ. 考点三 对光的波粒二象性、物质波的考查光既具有波动性，又具有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：(1)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．(2)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，而贯穿本领越强．(3)光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时，往往表现为粒子性． 例3 关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是( )A ．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性B ．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道C ．波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的D ．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性解析 光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，大量光子运动的规律表现出光的波动性，而单个光子的运动表现出光的粒子性．光的波长越长，波动性越明显，光的频率越高，粒子性越明显．而宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，不是不具有波粒二象性．答案 D突破训练3 用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图3所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片．这些照片说明( )图3A ．光只有粒子性没有波动性B．光只有波动性没有粒子性C．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性D．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性答案 D解析光具有波粒二象性，这些照片说明少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性，故D正确．53．用光电管研究光电效应的规律例4小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图4甲所示．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，结果保留三位有效数字．图4(1)图甲中电极A为光电管的______(填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压U c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＝____Hz，逸出功W0＝________J；(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能E k＝________J.解析(1)由光电管的结构知，A为阳极；(2)U c－ν图象中横轴的截距表示截止频率νc，逸出功W0＝hνc；(3)由爱因斯坦的光电效应方程E k＝hν－W0，可求结果．答案(1)阳极(2)5.15×1014(5.10×1014～5.20×1014均可) 3.41×10－19(3.38×10－19～3.45×10－19均可)(3)1.23×10－19(1.19×10－19～1.26×10－19均可)突破训练4(2010·江苏单科·12C(1))研究光电效应的电路如图5所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压U AK的关系图象中，正确的是________．图5答案 C解析由于光的频率相同，所以对应的反向截止电压相同，选项A、B错误；发生光电效应时，在同样的加速电压下，光强度越大，逸出的光电子数目越多，形成的光电流越大，所以选项C正确，D错误．1．常见电路(如图6所示)图62．由U c－ν图象得到的物理量：(1)截止频率νc：图线与横轴的交点；(2)遏止电压U c：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)高考题组1．(2013·上海单科·2)当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时() A．锌板带负电B．有正离子从锌板逸出C ．有电子从锌板逸出D ．锌板会吸附空气中的正离子答案 C解析 锌板在紫外线的照射下产生了光电效应，说明锌板上有光电子飞出，所以锌板带正电，C 正确，A 、B 、D 错误．2．(2012·海南单科·19(1))产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能E k ，下列说法正确的是( )A ．对于同种金属，E k 与照射光的强度无关B ．对于同种金属，E k 与照射光的波长成反比C ．对于同种金属，E k 与光照射的时间成正比D ．对于同种金属，E k 与照射光的频率成线性关系E ．对于不同种金属，若照射光频率不变，E k 与金属的逸出功成线性关系答案 ADE解析 由E k ＝hν－W 0知E k 与照射光的强度及照射时间无关，与ν成线性关系，故选项A 、D 正确，C 错误．由E k ＝hc λ－W 0可知E k 与λ不成反比，故选项B 错误．在hν不变的情况下，E k 与W 0成线性关系，故选项E 正确．3．(2013·北京·20)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出．强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实．光电效应实验装置示意图如图7所示．用频率为ν的普通光源照射阴极K ，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K ，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U ，即将阴极K 接电源正极，阳极A 接电源负极，在K 、A 之间就形成了使光电子减速的电场．逐渐增大U ，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U 可能是下列的(其中W 为逸出功，h 为普朗克常量，e 为电子电量)( )图7A ．U ＝hνe －W eB ．U ＝2hνe －W eC ．U ＝2hν－WD ．U ＝5hν2e －W e答案 B解析 由光电效应方程可知：nhν＝W ＋12m v 2m (n ＝2,3，4…)① 在减速电场中由动能定理得：－eU ＝0－12m v 2m ② 联立①②式得：U ＝nhνe －W e(n ＝2,3,4…)，故选项B 正确． 4．(2013·江苏单科·12C(1))如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的________也相等．A ．速度B ．动能C ．动量D ．总能量答案 C解析 由德布罗意波长λ＝h p知二者的动量应相同，故C 正确．由p ＝m v 可知二者速度不同，E k ＝12m v 2＝p 22m，二者动能不同，由E ＝mc 2可知总能量也不同，A 、B 、D 均错． 模拟题组5．如图8所示，用a 、b 两种不同频率的光分别照射同一金属板，发现当a 光照射时验电器的指针偏转，b 光照射时指针未偏转，以下说法正确的是( )图8A ．增大a 光的强度，验电器的指针偏角一定减小B ．a 光照射金属板时验电器的金属小球带负电C ．a 光在真空中的速度大于b 光在真空中的速度D ．a 光在真空中的波长小于b 光在真空中的波长答案 D解析 增大a 光的强度，从金属板飞出的光电子增多，金属板带电荷量增大，验电器的指针偏角一定增大，选项A 错误；a 光照射金属板时，光电子从金属板飞出，金属板带正电，验电器的金属小球带正电，选项B 错误；光在真空中的速度为c ，选项C 错误；经分析，a 光在真空中的频率大于b 光在真空中的频率，故a 光在真空中的波长小于b 光在真空中的波长，选项D 正确．6．如图9所示的实验电路，当用黄光照射光电管中的金属涂层时，毫安表的指针发生了偏转．若将电路中的滑动变阻器的滑片P向右移动到某一位置时，毫安表的读数恰好减小到零，此时电压表读数为U.若此时增加黄光照射的强度，则毫安表________(选填“有”或“无”)示数．若改用蓝光照射光电管中的金属涂层，则毫安表________(选填“有”或“无”)示数．图9答案无有解析光电效应的原理是当有频率足够大的光照射到金属表面时，将会使金属中的电子获得足够能量而从表面逸出，逸出的光电子向另一极板定向移动而形成电流．当增加黄光照射的强度时，不能增加光电子的最大初动能，故毫安表无示数．当改用蓝光照射时，光电子的最大初动能增大，光电子能到达A极，形成电流．(限时：30分钟)►题组1对光的波粒二象性的考查1．下列说法正确的是()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．γ射线具有显著的粒子性，而不具有波动性答案 C解析从光的波粒二象性可知：光是同时具有波粒二象性的，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著．光的波长越长，越容易观察到其显示波动特征．光子是一种不带电的微观粒子，而电子是带负电的微观粒子，它们虽然都是微观粒子，但有本质区别，故上述选项中正确的是C.2．物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度．使光子只能一个一个地通过狭缝．实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．对这个实验结果下列认识正确的是()A．曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点B．单个光子的运动没有确定的规律C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D．只有大量光子的行为才表现出波动性答案BCD解析单个光子通过双缝后的落点无法预测，大量光子的落点呈现一定的规律性，落在某些区域的可能性较大，这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域，因而把光波叫做概率波．光具有波粒二象性，少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性．所以正确选项为B、C、D.►题组2对光电效应理解的考查3．光电效应实验中，下列表述正确的是()A．光照时间越长光电流越大B．入射光足够强就可以有光电流C．遏止电压与入射光的频率有关D．入射光频率大于极限频率时才能产生光电子答案CD解析由爱因斯坦光电效应方程知，只有当入射光频率大于极限频率时才能产生光电子，光电流几乎是瞬时产生的，其大小与光强有关，与光照时间长短无关，易知eU c＝E k＝hν－W0(其中U c为遏止电压，E k为光电子的最大初动能，W0为逸出功，ν为入射光的频率)．由以上分析知，A、B错误，C、D正确．4．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属发生光电效应的措施是() A．改用频率更小的紫外线照射B．改用X射线照射C．改用强度更大的原紫外线照射D．延长原紫外线的照射时间答案 B解析要使该金属发生光电效应必须使光的频率大于极限频率，X射线的频率大于紫外线的频率．5．光电效应的实验结论是：对于某种金属()A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应C．超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小D．超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大答案AD解析根据光电效应规律可知，选项A正确；根据光电效应方程E k＝hν－W0知，频率ν越高，初动能就越大，选项D正确．6．入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，下列说法中正确的是()A．有可能不发生光电效应B．从光照射到金属表面上至发射出光电子之间的时间间隔将明显增加C．逸出的光电子的最大初动能将减小D．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少答案 D解析由光电效应方程E k＝hν－W0可知，光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与光强没有关系，但入射光的强度减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少，A、C错，D对；光电效应具有瞬时性，B错．7．对光电效应的理解正确的是()A．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属发生光电效应，入射光的最低频率也不同答案BD解析按照爱因斯坦的光子说，光子的能量由光的频率决定，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大．但要使电子离开金属，须使电子具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于入射光的光子能量，且电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子．若入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，不会发生光电效应．综上所述，选项B、D正确．►题组3对光电效应方程应用的考查8．如图1是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系图象．由图象可知()图1A．该金属的逸出功等于EB ．该金属的逸出功等于hνcC ．入射光的频率为2νc 时，产生的光电子的最大初动能为ED ．入射光的频率为νc 2时，产生的光电子的最大初动能为E 2答案 ABC解析 由题图并结合E k ＝hν－W 0得，E k ＝hν－E ，故逸出功W 0＝E ，故选项A 对；当E k ＝0时，ν＝νc ，故E ＝hνc ，故选项B 对；ν＝2νc 时，可得出E k ＝E ，故选项C 对；当入射光的频率为νc 2时，不发生光电效应，故选项D 错． 9．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子的最大初动能E k 随入射光频率ν变化的E k —ν图象．已知钨的逸出功是3.28 eV ，锌的逸出功是3.34 eV ，若将二者的图线画在同一个坐标图中，以实线表示钨，虚线表示锌，如图所示，则正确反映这一过程的图象是( )答案 A解析 根据E k ＝hν－W 0知，图象斜率代表普朗克常量h ，所以两条线应平行；横轴截距代表了极限频率νc ，νc ＝W 0h，因此锌的νc 大些． 10．在光电效应实验中，飞飞同学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(甲光、乙光、丙光)，如图2所示，则可判断出( )图2A ．甲光的频率大于乙光的频率B ．乙光的波长大于丙光的波长C ．乙光的频率大于丙光的频率D ．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能答案 B解析 由题图可知，甲、乙两光对应的遏止电压均为U c2，由爱因斯坦光电效应方程E k ＝hν－W 0和－eU c ＝0－E k 可知甲、乙两光的频率相同，且小于丙光的频率，故选项A 、C 均错误；甲光频率小于丙光的频率，则甲光对应的光电子的最大初动能小于丙光对应光电子的最大初动能，选项D 错误；乙光频率小于丙光频率，由c ＝λν可知乙光的波长大于丙光的波长，选项B 正确．11．如图3所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K 上时，电路中有光电流，则( )图3A ．若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K 时，电路中一定没有光电流B ．若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K 时，电路中一定有光电流C ．增加电路中电源电压，电路中光电流一定增大D ．若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生答案 B解析 用波长为λ0的光照射阴极K ，电路中有光电流，说明入射光的频率ν＝c λ0大于金属的极限频率，换用波长为λ1的光照射阴极K ，因为λ1>λ0，根据ν＝c λ可知，波长为λ1的光的频率不一定小于金属的极限频率，因此有可能发生光电效应现象，A 错误；同理可以判断，B 正确；光电流的大小与入射光的强度有关，在一定频率与强度的光照射下，光电流与电压之间的关系为：开始时，光电流随电压U 的增加而增大，当U 增大到一定程度时，光电流达到饱和值，这时即使再增大U ，在单位时间内也不可能有更多的光电子定向移动，光电流也就不会再增加，即饱和光电流是在一定频率与强度的光照射下的最大光电流，增大电源电压，若光电流达到饱和值，则光电流也不会增大，C 错误；将电源极性反接，若光电子的最大初动能大于光电管两极间电场力做的功，电路中仍有光电流产生，D 错误．12．2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图象传感器．他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理．如图4所示电路可研究光电效应规律．图中标有A 和K 的为光电管，其中K 为阴极，A 为阳极．理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压．现接通电源，。