高考物理热点题型和提分秘籍选修35专题02 波粒二象性解析版.docx
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高考物理热点题型和提分秘籍选修35专题02波粒二象性解析版
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。
热点题型一光电效应规律的理解
例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,应没有光电子逸出了
【答案】A
【提分秘籍】
光电效应中几个易混淆的概念
(1)光子与光电子
光子是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,光子是光电效应的因,光电子是果。
(2)光电子的最大初动能与光电子的动能
当光照射金属时,光子的能量全部被电子吸收,电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动。
有的向金属内部运动,有的向金属表面运动,但因途径不同,运动途中消耗的能量也不同。
唯独在金属表面的电子,只要克服金属原子核的引力做功,就能从金属中逸出而具有最大初动能。
根据爱因斯坦光电效应方程可以算出光电子的最大初动能为Ek=hν-W0(W0为金属的逸出功),而其他经过不同的路径射出的光电子,其动能一定小于最大初动能。
(3)光电流与饱和光电流
在一定频率与强度的光照射下产生光电效应,光电流与电压之间的关系为:
开始时,光电流随电压U的增大而增大,当U比较大时,光电流达到饱和值Im。
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大,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。
在一定光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。
(4)入射光强度和光子能量
入射光强度是单位时间内照射到金属表面单位面积上总的能量,光子能量即每个光子的能量,光子总能量等于光子能量与入射光子数的乘积。
【方法技巧】求解光电效应问题的五个决定关系
(1)逸出功W0一定时,入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。
(2)入射光的频率一定时,入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。
(3)爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0。
(4)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得,即Ek=eUc,其中Uc是遏止电压。
(5)光电效应方程中的W0为逸出功。
它与极限频率νc的关系是W0=hνc。
【举一反三】
现有a、b、c三束单色光,其波长关系为λaλbλc=123。
当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为Ek,若改用b光束照射该金属板,飞出的光电子最大动能为
Ek,当改用c光束照射该金属板时()
A.能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为
Ek
B.能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为
Ek
C.能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为
Ek
D.由于c光束光子能量较小,该金属板不会发生光电效应
【答案】B
热点题型二光电效应的图象分析
例2、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甲所示。
已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s。
(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UC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Ek=________J。
【答案】
(1)阳极
(2)5.15×10143.41×10-19
(3)1.23×10-19
【提分秘籍】
图象名称
图线形状
由图线直接(间接)得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①极限频率:
图线与ν轴交点的横坐标ν0
②逸出功:
图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0=|-E|=E
③普朗克常量:
图线的斜率k=h
颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系
①遏止电压Uc:
图线与横轴的交点
②饱和光电流Im:
电流的最大值
③最大初动能:
Ekm=eUc
颜色不同时,光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率ν0:
图线与横轴的交点
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量的乘积,即h=ke。
(注:
此时两极之间接反向电压)
【举一反三】
用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流强度与照射光的强弱、频率等物理量的关系。
图中A、K两极间的电压大小可调,电源的正负极也可以对调。
分别用a、b、c三束单色光照射,调节A、K间的电压U,得到光电流I与电压U的关系如图乙所示。
由图可知()
A.单色光a和c的频率相同,但a更强些
B.单色光a和c的频率相同,但a更弱些
C.单色光b的频率小于a的频率
D.改变电源的极性不可能有光电流产生
【答案】A
1.【2019·上海·10】1.用很弱的光做单缝衍射实验,改变曝光时间,在胶片上出现的图像如图所示,该实验表明
A.光的本质是波B.光的本质是粒子
C.光的能量在胶片上分布不均匀D.光到达胶片上不同位置的概率相同
【答案】C
【解析】用很弱的光做单缝衍射实验,改变曝光时间在胶片出现的图样,说明光有波粒二象性,故A、B错误;说明光到达胶片上的不同位置的概率是不一样的,也就说明了光的能量在胶片上分而不均匀,故C正确,D错误。
2.【2019·江苏·12C
(1)】3.波粒二象性时微观世界的基本特征,以下说法正确的有_______。
A.光电效应现象揭示了光的粒子性
B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性
C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波也相等
【答案】AB
【解析】光电效应说明光的粒子性,所以A正确;热中子在晶体上产生衍射图样,即运动的实物粒子具有波的特性,即说明中子具有波动性,所以B正确;黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化,即黑体辐射是不连续的、一份一份的,所以黑体辐射用光的粒子性解释,即C错误;根据的德布罗意波长公式
,
,又质子的质量大于电子的质量,所以动能相等的质子和电子,质子的德布罗意波较短,所以D错误。
3.【2019·全国新课标Ⅰ·35
(1)】7.在某次光电效应实验中,得到的遏制电压
与入射光的频率
的关系如图所示,若该直线的斜率和截距分别为
和
,电子电荷量的绝对值为
,则普朗克常量可表示为,所用材料的逸出功可表示为。
【答案】
【解析】光电效应中,入射光子能量
,克服逸出功
后多余的能量转换为电子动能,反向遏制电压
;整理得
,斜率即
,所以普朗克常量
,截距为
,即
,所以逸出功
4.【2019·上海·11】13.某光源发出的光由不同波长的光组成,不同波长的光的强度如图所示,表中给出了一些材料的极限波长,用该光源发出的光照射表中材料
A.仅钠能产生光电子B.仅钠、铜能产生光电子
C.仅铜、铂能产生光电子D.都能产生光电子
【答案】D
【解析】根据爱因斯坦光电效应方程可知,只有光源的波长小于某金属的极限波长,就有光电子逸出,
5.【2019·全国新课标Ⅱ·35
(1)】16.实物粒子和光都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是。
(填正确答案标号,选对1个给2分,选对2个得4分,选对3个得5分,每选错1个扣3分,最低得分0分)
A.电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样
B.β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C.人们利慢中子衍射来研究晶体的结构
D.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
E.光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关
【答案】ACD
【解析】电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样,可以说明电子是一种波,故A正确;β射线在云
1.(多选)(2019·广东卷,18)在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是()
A.增大入射光的强度,光电流增大
B.减小入射光的强度,光电效应现象消失
C.改用频率小于ν的光照射,一定不发生光电效应
D.改用频率大于ν的光照射,光电子的最大初动能变大
【答案】AD
【解析】用频率为ν的光照射光电管阴极,发生光电效应,改用频率较小的光照射时,有可能发生光电效应,故C错误;据hν-W逸=
mv2可知增加照射光频率,光电子最大初动能增大,故D正确;增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积的光电子数增加,则光电流将增大,故A正确;光电效应是否发生与照射光频率有关而与照射光强度无关,故B错误。
2.[2019·江苏卷,12C
(1)]已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014Hz和5.44×1014Hz,在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应,比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子,钙逸出的光电子具有较大的()
A.波长B.频率C.能量D.动量
【答案】A
【解析】由爱因斯坦光电效应方程hν=W0+
mv
,又由W0=hν0,可得光电子的最大初动能
mv
=hν-hν0,由于钙的截止频率大于钾的截止频率,所以钙逸出的光电子的最大初动能较小,因此它具有较小的能量、频率和动量,B、C、D错;又由c=λf可知光电子频率较小时,波长较大,A对。
3.(2019·上海卷,6)在光电效应的实验结果中,与光的波动理论不矛盾的是()
A.光电效应是瞬时发生的
B.所有金属都存在极限频率
C.光电流随着入射光增强而变大
D.入射光频率越大,光电子最大初动能越大
【答案】C
【解析】根据波动理论,认为只要光照射的时间足够长、足够强就能发生光电效应,且光电子的初动
4.(多选)(2019·海南卷,17)在光电效应实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能发生光电效应。
对于这两个过程,下列四个物理过程中,一定不同的是()
A.遏止电压
B.饱和光电流
C.光电子的最大初动能
D.逸出功
【答案】ACD
【解析】同一种单色光照射不同的金属,入射光的频率和光子能量一定相同,金属逸出功不同,根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,最大初动能不同,则遏止电压不同;同一种单色光照射,入射光的强度相同,所以饱和光电流相同。
故选ACD。
1.爱因斯坦由光电效应的实验规律,猜测光具有粒子性,从而提出光子说,从科学研究的方法来说,这属于()
A.等效替代B.控制变量
C.科学假说D.数学归纳
【答案】C
【解析】科学假说是科学理论发展的思维形式,是人们根据已经掌握的科学原理和科学事实,对未知的自然现象及其规律,经过一系列的思维过程,预先在自己头脑中作出的假定性解释.爱因斯坦由光电效应的实验规律,猜测光具有粒子性,从而提出光子说,属于科学假说,选项C正确.
2.(多选)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hν=
mv
+W0知,频率ν越高,初动能就越大,选项D正确.
3.质量为m的粒子原来的速度为v,现将粒子的速度增大为2v,则该粒子的物质波的波长将(粒子的质量保持不变)()
A.保持不变
B.变为原来波长的两倍
C.变为原来波长的一半
D.变为原来波长的
倍
【答案】C
【解析】由题意知,粒子速度为v时,λ1=
;粒子速度为2v时,λ2=
,则λ2=
λ1,可知C正确,A、B、D错误.
4.下列有关光的波粒二象性的说法中,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.大量光子的行为往往显示出粒子性
【答案】C
【解析】一切光都具有波粒二象性,光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性,有些行为(如光电
子性就很显著.
5.(多选)下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波的波长和频率为1MHz的无线电波的波长,由表中数据可知()
质量/kg
速度/(m·s-1)
波长/m
弹子球
2×10-2
1.0×10-2
3.3×10-30
电子(100eV)
9.0×10-31
5.0×106
1.4×10-10
无线电波(1MHz)
3.0×108
3.3×102
A.要检测弹子球的波动性几乎不可能
B.无线电波通常情况下表现出波动性
C.电子照射到金属晶体(大小约为10-10m)上能观察到波动性
D.只有可见光才有波动性
【答案】ABC
【解析】弹子球的波长相对太小,所以检测其波动性几乎不可能,A正确;无线电波波长较长,所以通常表现为波动性,B正确;电子波长与金属晶体尺度差不多,所以能利用金属晶体观察电子的波动性,C正确;由物质波理论知,D错误.
6.如图所示,近年来数码相机已经进入千家万户,用来衡量数码相机性能的一个重要的指标就是像素,1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点,现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多,其原因可解释为()
A.像素的多少,与光的本质无关
B.像素少,光的波动性显著
C.像素多,说明大量光子表现光具有粒子性
D.像素的多少能说明光具有波粒二象性,像素多光的波动性显著
【答案】D
【解析】根据光的波粒二象性,当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子
7.(多选)如图所示是研究光电效应的电路,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,K在受到光照射时能够发射光电子.阳极A吸收阴极K发出的光电子,在电路中形成光电流.如果用单色光a照射阴极K,电流表的指针发生偏转;用单色光b照射光电管阴极K时,电流表的指针不发生偏转.下列说法正确的是()
A.a光的波长一定小于b光的波长
B.只增加a光的强度可能使通过电流表的电流增大
C.只增加a光的强度可使逸出的光电子最大初动能变大
D.阴极材料的逸出功与入射光的频率有关
【答案】AB
【解析】用a光照射,探测到了光电流,说明发生了光电效应,而用b光照射,未探测到光电流,
8.如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等,则它们的哪一个物理量也相等.()
A.速度B.动能
C.动量D.总能量
【答案】C
【解析】由公式p=
可知,它们的动量相等,C项正确.
9.在光电效应实验中,小明同学用同一实验装置如图(a)在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线,如图(b)所示,则正确的是()
A.乙光的频率小于甲光的频率
B.甲光的波长大于丙光的波长
C.丙光的光子能量小于甲光的光子能量
D.乙光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能
【答案】B
【解析】由题图可知,乙、丙两光对应的截止电压均为U1,由光电效应方程hν=
mv
+W0,及-eU1=0-
mv
可知,乙、丙两光的频率相同,且均大于甲光的频率,则由c=λν,可知甲光波长大于乙、丙波长;同样丙光光子能量大于甲光的光子能量.选项B正确,其余皆错.
10.下表给出了一些金属材料的逸出功.
材料
铯
钙
镁
铍
钛
逸出功(10-19J)
3.0
4.3
5.9
6.2
6.6
现用波长为400nm的单色光照射上述材料,能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h=6.63×10-34J·s,光速c=3.0×108m/s)()
A.2种B.3种
C.4种D.5种
【答案】A
【解析】要发生光电效应,则入射光的能量必须大于金属的逸出功,由题可算出波长为400nm的光的能量为E=hν=h
=6.63×10-34×
J=4.97×10-19J,大于铯和钙的逸出功.所以A选项正确.
11.(多选)如图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()
A.该金属的截止频率为4.27×1014Hz
B.该金属的截止频率为5.5×1014Hz
C.该图线的斜率表示普朗克常量
D.该金属的逸出功为0.5eV
【答案】AC
12.如图甲,合上开关,用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极K,发现电流表读数不为零.调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.60V时,电流表读数仍不为零,当电压表读数大于或等于0.60V时,电流表读数为零.由此可知,光电子的最大初动能为________.把电路改为图乙,当电压表读数为2V时,电子到达阳极时的最大动能为________.图乙中,电压表读数为2V不变而照射光的强度增到原来的三倍,此时电子到达阳极时的最大动能是________.
【答案】0.6eV2.6eV2.6eV
【解析】光子能量hν=2.5eV的光照射阴极,电流表读数不为零,则能发生光电效应,由光电效应
大动能不变,仍为2.6eV.
13.德布罗意认为,任何一个运动着的物体,都有一种波与它对应,波长是λ=
,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量.已知某种紫光的波长是440nm,若将电子加速,使它的德布罗意波长是这种紫光波的10-4倍.求:
(1)电子的动量大小;
(2)试推导加速电压跟德布罗意波长的关系,并计算加速电压的大小.电子质量m=9.1×10-31kg,电子电荷量e=1.6×10-19C,普朗克常量h=6.6×10-34J·s,加速电压的计算结果取一位有效数字.
【答案】
(1)1.5×10-23kg·m/s
(2)U=
8×102V
【解析】
(1)由λ=
得p=
=
kg·m/s
=1.5×10-23kg·m/s.
(2)eU=Ek=
,又λ=
联立解得U=
,
代入数据解得U=8×102V.
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