高考物理 考点一遍过 专题56 波粒二象性 光电效应.docx

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高考物理考点一遍过专题56波粒二象性光电效应

专题56波粒二象性光电效应

一、黑体辐射和量子

1．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。

2．实验规律：

随着温度升高，各种波长的电磁波辐射强度都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。

3．普朗克提出黑体辐射强度按波长分布的公式，理论与实验结果相符，但要求满足能量子假设。

4．能量子ε=hν，其中ν为电磁波频率，普朗克常量h=6.63×10–34J·s。

二、光电效应

1．实验规律：

（1）每种金属都有一个发生光电效应的最小频率，称为截止频率或极限频率（νc）。

（2）入射光的频率不变时，入射光越强，饱和光电流越大。

光电流的强度（单位时间内发射的光电子数）与入射光的强度成正比。

（3）入射光的频率不变时，存在一个使光电流减小到0的反向电压，即遏止电压（Uc）。

表明光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。

（4）光照射到金属表面时，光电子的逸出几乎是瞬时的，精确测量为10–9s。

2．爱因斯坦光电效应方程：

Ek=hν–W0

3．光电流与电压的关系图象（I–U图象）

（1）电压范围足够大时，电流的最大值为饱和光电流Im，图线与横轴交点的横坐标的绝对值为遏止电压Uc，光电子的最大初动能Ek=eUc。

（2）频率相同的入射光，遏止电压相同，饱和光电流与光照强度成正比。

（3）不同频率的入射光，遏止电压不同，入射光频率越大，遏止电压越大。

4．最大初动能与入射光频率的关系图象（Ek–ν图象）

（1）函数方程为Ek=hν–W0=hν–hνc。

（2）图线斜率等于普朗克常量h，横轴截距等于截止频率vc，纵轴截距绝对值E等于逸出功W0=hνc。

5．遏止电压与入射光频率的关系图象（Uc–ν图象）

（1）函数方程为Uc=

ν–

=

ν–

。

（2）图线斜率与电子电荷量的乘积等于普朗克常量h，横轴截距等于截止频率νc，纵轴截距的绝对值与电子电荷量的乘积等于逸出功。

三、波粒二象性

1．光的波粒二象性

（1）光的波动性：

光的干涉、衍射、偏振现象。

（2）光的粒子性：

光电效应、康普顿效应。

（3）光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。

2．康普顿效应

（1）光电效应表明光子具有能量；康普顿效应表明光子既具有能量，又具有动量。

（2）光子的动量p=

。

3．粒子的波粒二象性

（1）德布罗意波（物质波）：

频率ν=

，波长λ=

，其中ε为粒子能量，p为粒子动量，h为普朗克常量。

（2）验证和应用：

电子的衍射实验，电子显微镜。

（3）光波和物质波都是概率波。

黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知

A．随温度升高，各种波长的辐射强度都增加

B．随温度降低，各种波长的辐射强度都增加

C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动

D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动

【参考答案】ACD

【详细解析】由图可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，ACD正确，B错误。

【名师点睛】类似黑体辐射实验规律的知识，其数学原理推导困难，一般不要求掌握，所应用的领域（冶炼金属）的现象又不常见，这就要求在了解相关历史背景、历史沿革的前提下，进行主动记忆。

1．关于黑体辐射的强度与波长的关系，如图所示正确的是

【答案】B

【解析】黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，随着温度升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选B。

用一单色光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果

A．增大入射光的强度，光电子的最大初动能增大

B．减小入射光的强度，就可能没有光电子逸出了

C．增大入射光的频率，逸出的光电子数目一定增多

D．减小入射光的频率，就可能没有光电子逸出了

【参考答案】D

【名师点睛】光电效应问题的解题关键：

（1）根据爱因斯坦光电效应方程分析光电子的最大初动能；

（2）光强与光子数有关，光强与光电效应发生的次数有关，而与每次发生的光电效应无关。

1．用如图所示的装置演示光电效应，当用某种频率的光照射光电管时，闭合开关S，此时电流表A的读数为I，若改用更高频率的光照射光电管

A．断开开关S，则一定有电流流过电流表A

B．将滑动变阻器的触头c向b端移动，光电子到达阳极时的速度必将变小

C．只要电源的电压足够大，将滑动变阻器的触头c向a端移动，光电管中可能没有光电子产生

D．只要电源的电压足够大，将滑动变阻器的触头c向a端移动，电流表A读数可能为0

【答案】AD

【解析】原来电路中，光电管两端加反向电压，此时有光电流，若改用更高频率的光照射光电管，且断开开关S，光电子的最大初动能增大，且无反向电压的减速，光电子一定能到达阳极，有光电流产生，A正确；将滑动变阻器的触头c向b端移动，光电管两端的反向电压减小，光电子到达阳极的速度必将增大，B错误；改用更高频率的光照射光电管，光电管中一定有光电子产生，C错误；只要电源的电压足够大，将滑动变阻器的触头c向a端移动，使光电管两端的反向电压达到遏止电压，光电子就不能到达阳极，无法形成光电流，则电流表A的读数可能为0，D正确。

在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是

A．使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样

B．单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样

C．光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏

D．单个光子通过单缝后打在底片上的情况呈现随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现规律性

【参考答案】AD

【详细解析】使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上中央到达的机会最多，其他地方机会较少，会出现衍射图样，A正确；单个光子通过单缝后，光子表现为粒子性，底片上只有一个光点，BC错误；单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现随机性，大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现规律性，所以少量光子体现粒子性，大量光子体现波动性，D正确。

【知识拓展】由

，光子的频率（能量）越高，波长越小，越不容易发生干涉或衍射，波动性越不明显，表现为粒子性。

1．在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上．假设现在只让一个光子通过单缝，那么该光子

A．一定落在中央亮纹处B．一定落在亮纹处

C．可能落在暗纹处D．落在中央亮纹处的可能性最大

【答案】CD

【解析】根据光的概率波概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，也可能落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，AB错误；CD正确。

1．在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特征，就可以确定炉内的温度，如图所示，就是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是

A．T1>T2

B．T1

C．温度越高，辐射强度最大的电磁波的波长越长

D．温度越高，辐射强度的极大值就越大

2．如图所示，电路中所有元件完好，有光照射到光电管上，但灵敏电流计没有示数，其原因可能是

A．入射光太弱B．入射光波长太长

C．光照时间短D．电源正负极接反

3．N为钨板，M为金属网，它们分别与电池的两极相连，各电池的电动势和极性如图所示，已知金属钨的逸出功为4.5eV。

现分别用不同能量的光子照射钨板（各光子的能量已在图上标出），那么没有光电子到达金属网的是

4．在光电效应实验中，某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，如图所示，则可判断出

A．甲光的光照强度大于乙光

B．乙光的波长大于丙光的波长

C．乙光照射时，光电管的截止频率等于丙光照射时，光电管的截止频率

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

5．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，普朗克常量h=6.63×10–34J·s，由图可知

A．该金属的极限频率为4.3×1014Hz

B．该金属的极限频率为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

6．某同学采用如图所示的实验装置研究光电效应现象。

当用某单色光照射光电管的阴极K时，会发生光电效应现象。

闭合开关S，在阳极A和阴极K之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压，直至电流计中电流恰为零，此时电压表的电压值U称为遏止电压。

现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极，测量到遏止电压分别为U1和U2，设电子质量为m、电荷量为e，则下列说法中正确的是

A．用频率为ν1的光照射时，光电子的最大初速度v=

B．阴极K金属的逸出功W0=hν1–eU1

C．阴极K金属的极限频率νc=

D．普朗克常量h=

7．下列各种波是概率波的是

A．声波B．无线电波

C．光波D．物质波

8．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10–18J，已知可见光的平均波长约为600nm，普朗克常量为6.63×10–34J·s，则进人人眼的光子数至少为

A．1个B．3个

C．30个D．300个

9．光通过单缝所发生的现象，用位置和动量的不确定关系的观点加以解释，其中正确的是

A．单缝越宽，光沿直线传播，因为单缝越宽，位置不确定量Δx越大，动量不确定量Δp越大

B．单缝越宽，光沿直线传播，因为单缝越宽，位置不确定量Δx越大，动量不确定量Δp越小

C．单缝越窄，中央亮纹越宽，因为单缝越窄，位置不确定量Δx越小，动量不确定量Δp越小

D．单缝越窄，中央亮纹越宽，因为单缝越窄，位置不确定量Δx越小，动量不确定量Δp越大

10．（2017新课标全国Ⅲ卷）在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。

h为普朗克常量。

下列说法正确的是

A．若νa>νb，则一定有Uaνb，则一定有Eka>Ekb

C．若Uaνb，则一定有hνa–Eka>hνb–Ekb

11．（2017北京卷）2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm（1nm=10–9m）附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。

大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。

一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。

据此判断，能够电离一个分子的能量约为（取普朗克常量h=6.6×10–34J·s，真空光速c=3×108m/s）

A．10–21JB．10–18J

C．10–15JD．10–12J

12．（2016新课标全国Ⅰ卷）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。

下列说法正确的是

A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大

B．入射光的频率变高，饱和光电流变大

C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大

D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生

E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关

13．（2015新课标全国Ⅱ卷）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

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．人们利用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

14．（2015上海卷）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

15．（2015江苏卷）波粒二象性是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，它们的德布罗意波长也相等

1．AD【解析】不同温度的物体向外辐射的电磁波的波长范围是不相同的，温度越高向外辐射的能量中波长短的波越多，所以T1>T2，A正确，B错误；随温度的升高，相同波长的光辐射强度都会增加，同时最大辐射强度向左侧移动，即向波长较短的方向移动，C错误，D正确。

3．AC【解析】光子的能量大于钨的逸出功时，才有光电子逸出，光子的能量要大于4.5eV；加正向电压时，逸出的光电子一定能到达金属网处；加反向电压时，入射光子的能量hν≥W0+eU时，逸出的光电子才能到达金属网处。

故BD中光电子能到达金属网处，AC中没有光电子到达金属网处，选AC。

4．ABC【解析】甲光、乙光的遏止电压相等，则甲、乙光的频率相等，甲光的光电流比乙光大，则甲光的光照强度比乙光大，A正确；由

，甲、乙光的遏止电压小于丙光的遏止电压，则甲、乙光的频率小于丙光的频率大于乙光的频率，乙光的波长大于丙光的波长，B正确；同一种金属，截止频率是相同的，C正确；甲光对应的光电子最大初动能小于于丙光的光电子最大初动能，D错误。

5．AC【解析】由爱因斯坦光电效应方程有Ekm=hν–W=h（ν–νc），可知图线的横轴截距为金属的极限频率，νc=4.3×1014Hz，A正确，B错误；图线的斜率表示普朗克常量，C正确；金属的逸出功W=hνc≈1.8eV，D错误。

6．ABC【解析】光电子在光电管中减速，根据动能定理有–eU1=0–

mv2，则用频率为ν1的光照射时，光电子的最大初速度v=

，A正确；由爱因斯坦光电效应方程有hν1=eU1+W0，hν2=eU2+W0，得阴极K金属的逸出功W0=hν1–eU1，得h=

，B正确，D错误；阴极K金属的极限频率νc=

=

，C正确。

7．BCD【解析】声波是机械波，A错误；电磁波和物质波都是概率波，无线电波和光波都属于电磁波，BCD正确。

8．B【解析】可见光的光子的平均能量

，能引起人的眼睛视觉效应的光子数

，选B。

9．BD【解析】由粒子位置不确定量Δx与粒子动量不确定量Δp的不确定关系ΔxΔp≥

可知，单缝越宽，位置不确定量Δx越大，动量不确定量Δp越小，所以光沿直线传播，A错误；B正确；单缝越窄，位置不确定量Δx越小，动量不确定量Δp越大，所以中央亮纹越宽，C错误，D正确。

10．BC【解析】由爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν–W0，又由动能定理有Ek=eUc，若νa>νb，则有Eka>Ekb，Ua>Ub，A错误，B正确；若Ua

11．B【解析】一个处于极紫外波段的光子的能量约为

，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同，故选B。

13．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，A正确；β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹，说明β射线是粒子流，B错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，中子衍射说明中子是一种波，C正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，利用了电子的波动性，D正确；光电效应实验说明了光的粒子性，E错误。

14．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，AB错误；光到达胶片上不同位置的概率不同，说明光的能量在胶片上分布不均匀，C正确，D错误。

15．AB【解析】光电效应说明光的粒子性，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，说明中子具有波动性，B正确；黑体辐射的实验规律说明电磁辐射是量子化的，即黑体辐射用光的粒子性解释，C错误；根据德布罗意波的动量

，又

，可得

，质子和电子的质量不等，所以动能相等的质子和电子，德布罗意波长不等，D错误。