(江蘇專版)2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 第2節(jié) 波粒二象性講義(含解析)
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1、(江蘇專版)2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 第2節(jié) 波粒二象性講義(含解析) (1)光子和光電子都是實(shí)物粒子。(×) (2)只要入射光的強(qiáng)度足夠強(qiáng),就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)。(×) (3)要使某金屬發(fā)生光電效應(yīng),入射光子的能量必須大于金屬的逸出功。(√) (4)光電子的最大初動(dòng)能與入射光子的頻率成正比。(×) (5)光的頻率越高,光的粒子性越明顯,但仍具有波動(dòng)性。(√) (6)德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子假說(shuō),成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。(×) (7)美國(guó)物理學(xué)家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng),證實(shí)了光的粒子性。(√) (8)法國(guó)物理學(xué)家德布羅意大膽預(yù)言了實(shí)物粒子在一定條件下會(huì)表現(xiàn)
2、為波動(dòng)性。(√) 突破點(diǎn)(一) 對(duì)光電效應(yīng)的理解 1.與光電效應(yīng)有關(guān)的五組概念對(duì)比 (1)光子與光電子:光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量,光子不帶電;光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來(lái)的電子,其本質(zhì)是電子。光子是光電效應(yīng)的因,光電子是果。 (2)光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能:光照射到金屬表面時(shí),電子吸收光子的全部能量,可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng),需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量,剩余部分為光電子的初動(dòng)能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí),只需克服原子核的引力做功的情況,才具有最大初動(dòng)能。光電子的初動(dòng)能小于或等于光電子的最大初動(dòng)能。 (3)光電流與飽和光電流:金屬板飛出的
3、光電子到達(dá)陽(yáng)極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個(gè)飽和值,這個(gè)飽和值是飽和光電流,在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無(wú)關(guān)。 (4)入射光強(qiáng)度與光子能量:入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量。 (5)光的強(qiáng)度與飽和光電流:飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比的規(guī)律是對(duì)頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)而言的,對(duì)于不同頻率的光,由于每個(gè)光子的能量不同,飽和光電流與入射光強(qiáng)度之間沒(méi)有簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。 2.光電效應(yīng)的研究思路 (1)兩條線索: (2)兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系: →→→ →→ [題點(diǎn)全練] 1.[多選](2019·南京六校聯(lián)
4、考)如圖所示是研究光電效應(yīng)的電路,陰極K和陽(yáng)極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極,K在受到光照時(shí)能夠發(fā)射光電子。陽(yáng)極A吸收陰極K發(fā)出的光電子,在電路中形成電流。如果用單色光a照射陰極K,電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);用單色光b照射光電管陰極K時(shí),電流表的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。下列說(shuō)法正確的是( ) A.a(chǎn)光的波長(zhǎng)一定小于b光的波長(zhǎng) B.只增加a光的強(qiáng)度可能使通過(guò)電流表的電流增大 C.只增加a光的強(qiáng)度可使逸出的光電子最大初動(dòng)能變大 D.用單色光a照射陰極K,當(dāng)電源的正、負(fù)極對(duì)調(diào)時(shí),電流表的讀數(shù)可能減為零 解析:選ABD 由題意可知,用a光照射光電管時(shí),發(fā)生光電效應(yīng),用b光照射時(shí),不發(fā)生光電效應(yīng),則知
5、νa>νb,由λ=知a光的波長(zhǎng)小于b光的波長(zhǎng),A正確;只增加a光的強(qiáng)度,即增加了光子的個(gè)數(shù),則產(chǎn)生的光電子數(shù)目增多,光電流增大,使通過(guò)電流表的電流增大,B正確;根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,最大初動(dòng)能與入射光頻率有關(guān),與強(qiáng)度無(wú)關(guān),故只增加a光的強(qiáng)度逸出的光電子最大初動(dòng)能不變,C錯(cuò)誤;當(dāng)正、負(fù)極對(duì)調(diào)后,形成反向電場(chǎng),光電子在電場(chǎng)中做減速運(yùn)動(dòng),若qU>Ekm,則光電子無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極A,電流表示數(shù)為0,D正確。 2.[多選](2017·海南高考)三束單色光1、2和3的波長(zhǎng)分別為λ1、λ2和λ3(λ1>λ2>λ3)。分別用這三束光照射同一種金屬。已知用光束2照射時(shí),恰能產(chǎn)生光電子。下列說(shuō)法正確的是
6、( ) A.用光束1照射時(shí),不能產(chǎn)生光電子 B.用光束3照射時(shí),不能產(chǎn)生光電子 C.用光束2照射時(shí),光越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目越多 D.用光束2照射時(shí),光越強(qiáng),產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大 解析:選AC 依據(jù)波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系:λ=,因λ1>λ2>λ3,那么ν1<ν2<ν3;由于用光束2照射時(shí),恰能產(chǎn)生光電子,因此用光束1照射時(shí),不能產(chǎn)生光電子,而光束3照射時(shí),一定能產(chǎn)生光電子,故A正確,B錯(cuò)誤;用光束2照射時(shí),光越強(qiáng),單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)目越多,而由光電效應(yīng)方程:Ekm=hν-W,可知,光電子的最大初動(dòng)能與光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān),故C正確,D錯(cuò)誤。 3.(2018·江蘇高考)光
7、電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,用波長(zhǎng)為λ0的單色光A照射某金屬板時(shí),剛好有光電子從金屬表面逸出。當(dāng)波長(zhǎng)為的單色光B照射該金屬板時(shí),光電子的最大初動(dòng)能為_(kāi)_______,A、B兩種光子的動(dòng)量之比為_(kāi)_______。(已知普朗克常量為h、光速為c) 解析:該金屬的逸出功W=hν0=h 波長(zhǎng)為的單色光的頻率ν= 根據(jù)光電效應(yīng)方程得,光電子的最大初動(dòng)能 Ek=hν-W=h-h(huán)= 根據(jù)p=,得A、B兩光子的動(dòng)量之比 ==。 答案: 1∶2 突破點(diǎn)(二) 愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程及應(yīng)用 1.三個(gè)關(guān)系 (1)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0。 (2)光電子的最大初動(dòng)能Ek可以利用光電管實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得
8、,即Ek=eUc,其中Uc是遏止電壓。 (3)光電效應(yīng)方程中的W0為逸出功,它與極限頻率νc的關(guān)系是W0=hνc。 2.四類圖像 圖像名稱 圖線形狀 讀取信息 最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線 ①截止頻率(極限頻率):圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc ②逸出功:圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的值W0=|-E|=E ③普朗克常量:圖線的斜率k=h 遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線 ①截止頻率νc:圖線與橫軸的交點(diǎn) ②遏止電壓Uc:隨入射光頻率的增大而增大 ③普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電量的乘積,即h=ke。(注:此時(shí)兩極之間接反向電壓) 顏色相同、強(qiáng)度不
9、同的光,光電流與電壓的關(guān)系 ①遏止電壓Uc:圖線與橫軸的交點(diǎn) ②飽和光電流Im:電流的最大值 ③最大初動(dòng)能:Ekm=eUc 顏色不同時(shí),光電流與電壓的關(guān)系 ①遏止電壓Uc1、Uc2 ②飽和光電流 ③最大初動(dòng)能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2 [典例] (2019·南通一模)利用圖甲所示電路研究光電效應(yīng)中金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系,描繪出如圖乙所示的圖像,由此算出普朗克常量h。圖乙中U1、ν1、ν0均為已知量,電子電荷量用e表示。當(dāng)入射光的頻率增大時(shí),為了測(cè)定遏止電壓,滑動(dòng)變阻器的滑片P應(yīng)向_____(選填“M”或“N”)端移動(dòng),由Uc-ν圖像可求得普朗克常
10、量h=______。(用題中字母表示)。 [解析] 入射光的頻率增大,光電子的最大初動(dòng)能增大,則遏止電壓增大,測(cè)遏止電壓時(shí),應(yīng)使滑動(dòng)變阻器的滑片P向N端移動(dòng);根據(jù)Ekm=hν-W0=eUc,由Uc-ν圖像可知,當(dāng)遏止電壓為零時(shí),ν=ν0,所以這種金屬的截止頻率為ν0;根據(jù)Ekm=hν-W0=eUc,解得Uc=-,圖線的斜率k==,則h=。 [答案] N [易錯(cuò)提醒] 應(yīng)用光電效應(yīng)方程時(shí)的注意事項(xiàng) (1)每種金屬都有一個(gè)截止頻率,入射光頻率大于這個(gè)截止頻率時(shí)才能發(fā)生光電效應(yīng)。 (2)截止頻率是發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率,對(duì)應(yīng)著光的極限波長(zhǎng)和金屬的逸出功,即hνc=h=W0。 (3)
11、應(yīng)用光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0時(shí),注意能量單位電子伏和焦耳的換算(1 eV=1.6×10-19 J)。 [集訓(xùn)沖關(guān)] 1.(2019·如皋模擬)用同一光電管研究a、b兩種單色光產(chǎn)生的光電效應(yīng),得到光電流I與光電管兩極間所加電壓U的關(guān)系如圖所示。關(guān)于這兩種光的比較,下列說(shuō)法正確的是( ) A.a(chǎn)光的頻率大 B.b光子的能量小 C.增大a光光照強(qiáng)度,其對(duì)應(yīng)的飽和電流增大 D.a(chǎn)光照射該光電管時(shí)逸出的光電子最大初動(dòng)能大 解析:選C 由題圖可得b光照射光電管時(shí)反向遏止電壓大,由Ekm=hν-W0=eUc可知b光照射光電管時(shí)逸出的光電子最大初動(dòng)能大,故D錯(cuò)誤;由D的分析可知b光的頻率大
12、,光子的能量大,故A、B錯(cuò)誤;增大a光光照強(qiáng)度,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)增多,所以飽和電流大,故C正確。 2.[多選](2018·宿遷期末)如圖所示為金屬A和B的遏止電壓Uc和入射光頻率ν的關(guān)系圖像,由圖可知( ) A.金屬A的逸出功大于金屬B的逸出功 B.金屬A的截止頻率小于金屬B的截止頻率 C.圖像的斜率為普朗克常量 D.如果用頻率為5.5×1014 Hz的入射光照射兩種金屬,從金屬A逸出光電子的最大初動(dòng)能較大 解析:選BD 根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W0及能量守恒定律方程:eUc=Ekm,得:Uc=-。當(dāng)Uc=0時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率,由題圖知,金屬A的截
13、止頻率 小于金屬B的截止頻率,故B正確;截止頻率對(duì)應(yīng)的光子能量等于金屬的逸出功,金屬的逸出功為W0=hνc,νc是截止頻率,所以金屬A的逸出功小于金屬B的逸出功,故A錯(cuò)誤;根據(jù)Uc=-,斜率為,故C錯(cuò)誤;由于A的逸出功較小,用相同頻率的光照射A、B兩金屬時(shí),從金屬A逸出光電子的最大初動(dòng)能較大,故D正確。 3.(2019·如東檢測(cè))下表是按照密立根的方法研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的某金屬的遏止電壓Uc與照射光頻率ν的幾組數(shù)據(jù),并由此繪制Uc-ν圖像如圖甲所示(已知e=1.6×10-19C)。求: Uc/V 0.541 0.637 0.714 0.809 0.878 ν/(×1014
14、 Hz) 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501 (1)這種金屬的截止頻率; (2)普朗克常量; (3)如圖乙,在給定的坐標(biāo)系中完成光電子最大初動(dòng)能Ek-ν關(guān)系圖像。 解析:(1)由題圖甲可知,金屬的極限頻率ν0=4.25×1014 Hz。 (2)在圖像中取(5.50×1014 Hz,0.50 V)點(diǎn),設(shè)普朗克常量為h,由動(dòng)能定理和光電效應(yīng)方程可得-eUc=0-Ek Ek=hν-h(huán)ν0 則Uc=ν-ν0 解得h=6.4×10-34 J·s。 (3)由于Ek=hν-h(huán)ν0 Ek-ν關(guān)系圖像如圖所示。 答案:(1)4.25×101
15、4 Hz (2)6.4×10-34 J·s (3)圖見(jiàn)解析 突破點(diǎn)(三) 對(duì)波粒二象性的理解 1.對(duì)光的波動(dòng)性和粒子性的進(jìn)一步理解 光的波動(dòng)性 光的粒子性 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 干涉和衍射 光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng) 表現(xiàn) ①光是一種概率波,即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動(dòng)規(guī)律來(lái)描述 ②大量的光子在傳播時(shí),表現(xiàn)出光的波動(dòng)性 ①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),這種作用是“一份一份”進(jìn)行的,表現(xiàn)出粒子的性質(zhì) ②少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性 說(shuō)明 ①光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性,不是光子之間相互作用產(chǎn)生的 ②光的波動(dòng)性不同于宏觀觀念的波 ①粒子的含義是“不連續(xù)”、“一
16、份一份”的 ②光子不同于宏觀觀念的粒子 2.波動(dòng)性和粒子性的對(duì)立與統(tǒng)一 (1)大量光子易顯示出波動(dòng)性,而少量光子易顯示出粒子性。 (2)波長(zhǎng)長(zhǎng)(頻率低)的光波動(dòng)性強(qiáng),而波長(zhǎng)短(頻率高)的光粒子性強(qiáng)。 (3)光子說(shuō)并未否定波動(dòng)說(shuō),E=hν=中,ν和λ就是波的概念。 (4)波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的,而在微觀世界卻是統(tǒng)一的。 3.物質(zhì)波 (1)定義:任何運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與之對(duì)應(yīng),這種波叫做物質(zhì)波,也叫德布羅意波。 (2)物質(zhì)波的波長(zhǎng):λ==,h是普朗克常量。 [題點(diǎn)全練] 1.[多選](2018·金陵中學(xué)期末)利用金屬晶格(大小約10-10 m)作為障礙物觀察電子的
17、衍射圖樣,方法是讓電子束通過(guò)電場(chǎng)加速后,照射到金屬晶格上,從而得到電子的衍射圖樣。已知電子質(zhì)量為m,電荷量為e,初速度為0,加速電壓為U,普朗克常量為h。下列說(shuō)法正確的是( ) A.該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了電子具有波動(dòng)性 B.實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長(zhǎng)為λ= C.加速電壓U越大,電子衍射現(xiàn)象越明顯 D.若用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子,衍射現(xiàn)象將更加明顯 解析:選AB 該實(shí)驗(yàn)觀察電子的衍射圖樣,衍射現(xiàn)象說(shuō)明粒子的波動(dòng)性,A正確;電子束通過(guò)電場(chǎng)加速,由動(dòng)能定理可得eU=mv2,故有p=mv=,所以實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長(zhǎng)為λ==,加速電壓U越大,波長(zhǎng)越小,那么,衍射現(xiàn)象越不明顯,B正確,C錯(cuò)
18、誤;若用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子,質(zhì)量變大,那么粒子動(dòng)量p=變大,故德布羅意波的波長(zhǎng)λ=變小,故衍射現(xiàn)象將不明顯,D錯(cuò)誤。 2.[多選]實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性,下列現(xiàn)象或事實(shí)中突出體現(xiàn)波動(dòng)性的是( ) A.光的衍射現(xiàn)象 B.電子束通過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)后可以形成干涉圖樣 C.人們利用電子顯微鏡觀測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) D.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān) 解析:選ABC 衍射是波具有的特性,所以光的衍射現(xiàn)象說(shuō)明光具有波動(dòng)性,故A正確;干涉是波具有的特性,電子束通過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)裝置后可以形成干涉圖樣,說(shuō)明電子具有波動(dòng)性,故B正確;人們利用電子顯微鏡觀測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),說(shuō)明電子可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,說(shuō)明電子具有波動(dòng)性,故C正確;光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),是能夠從金屬中打出光電子,說(shuō)明的是光的粒子性,不能說(shuō)明光的波動(dòng)性,故D錯(cuò)誤。
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