（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十五章 第1節(jié) 光電效應(yīng) 波粒二象性學(xué)案（含解析）

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1、（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十五章 第1節(jié) 光電效應(yīng) 波粒二象性學(xué)案（含解析） 新課程標(biāo)準(zhǔn) 核心知識(shí)提煉 1.了解人類探索原子結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子核式結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)氫原子光譜的分析，了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。 2.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫(xiě)出核反應(yīng)方程。 3.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計(jì)意義。了解放射性同位素的應(yīng)用，知道射線的危害與防護(hù)。 4.認(rèn)識(shí)原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響。 5.了解人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索歷程。 6.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解

2、光電效應(yīng)現(xiàn)象。能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論說(shuō)明光的波粒二象性。知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。 7.知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，了解微觀世界的量子化現(xiàn)象。體會(huì)量子論的建立對(duì)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的影響。 原子核式結(jié)構(gòu)模型 氫原子光譜 原子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 原子核的組成 核力的性質(zhì)　四種基本相互作用 核反應(yīng)方程 放射性和原子核衰變　半衰期 放射性同位素 結(jié)合能 核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng) 光的波粒二象性　光電效應(yīng)現(xiàn)象 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 第1節(jié)　光電效應(yīng)　波粒二象性 一、光電效應(yīng) 1．光電效應(yīng)現(xiàn)象：在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象 [注1]，稱為光電效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子

3、稱為光電子。 2．光電效應(yīng)的四個(gè)規(guī)律 (1)每種金屬都有一個(gè)極限頻率。 (2)光照射到金屬表面時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的。 (3)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光的頻率增大而增大。 (4)光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。[注2] 3．遏止電壓與截止頻率 (1)遏止電壓：使光電流減小到零的反向電壓Uc。 (2)截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。不同的金屬對(duì)應(yīng)著不同的極限頻率。 二、愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 1．光子說(shuō) 在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光的能量子，簡(jiǎn)稱光子，光子

4、的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34 J·s。(稱為普朗克常量) 2．逸出功W0 使電子脫離某種金屬所做功的最小值。[注3] 3．最大初動(dòng)能 發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時(shí)所具有的動(dòng)能的最大值。 4．愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 (1)表達(dá)式：Ek＝hν－W0。 (2)物理意義：金屬表面的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動(dòng)能Ek＝mev2。 三、光的波粒二象性 1．光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動(dòng)性。 2．光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性。 3．光既具有波動(dòng)性，又具

5、有粒子性，稱為光的波粒二象性。 【注解釋疑】 [注1] 光電效應(yīng)現(xiàn)象可認(rèn)為是光子把原子最外層的電子撞了出來(lái)，是一對(duì)一的關(guān)系，而且是瞬時(shí)的。 [注2] 光照強(qiáng)度決定著每秒鐘光源發(fā)射的光子數(shù)，頻率決定著每個(gè)光子的能量。 [注3] 金屬越活躍，逸出功越小，越容易發(fā)生光電效應(yīng)。 [深化理解] 1．每種金屬都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率不低于這個(gè)極限頻率才能使金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)。 2．當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，飽和光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。 3．遏止電壓Uc與入射光頻率ν、逸出功W0間的關(guān)系式：Uc＝ν－。 4．截止頻率νc與逸出功W0的關(guān)系：hνc－W0＝0，據(jù)此求出截止頻

6、率νc。 [基礎(chǔ)自測(cè)] 一、判斷題 (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)要想在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)到光電流，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。(×) 二、選擇題 1．[人教版選修3－5 P30演示實(shí)驗(yàn)改編](多選)如圖所示，用導(dǎo)線把驗(yàn)電器與鋅板相連接，當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí)，發(fā)生的現(xiàn)象是(　　) A．有光子從鋅

7、板逸出　　　 B．有電子從鋅板逸出 C．驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度 D．鋅板帶負(fù)電 答案：BC 2．在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用波長(zhǎng)為λ的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．僅增大入射光的強(qiáng)度，光電流大小不變 B．僅減小入射光的強(qiáng)度，光電效應(yīng)現(xiàn)象可能消失 C．改用波長(zhǎng)大于λ的光照射，光電子的最大初動(dòng)能變大 D．改用波長(zhǎng)大于λ的光照射，可能不發(fā)生光電效應(yīng) 解析：選D　當(dāng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，增大入射光的強(qiáng)度，則光電流會(huì)增大，故A錯(cuò)誤；入射光的頻率不低于金屬的極限頻率，就會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，故B錯(cuò)誤；在光電效應(yīng)中，根據(jù)光電效應(yīng)方程知，Ekm＝－W0

8、，改用波長(zhǎng)大于λ的光照射，光電子的最大初動(dòng)能變小，或者可能不發(fā)生光電效應(yīng)，故C錯(cuò)誤，D正確。 高考對(duì)本節(jié)內(nèi)容的考查，主要集中在對(duì)光電效應(yīng)的理解、愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程及應(yīng)用、 對(duì)波粒二象性的理解，通常以選擇題的形式呈現(xiàn)，對(duì)這些內(nèi)容主要靠在理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行識(shí)記，所以題目難度一般都不大。 考點(diǎn)一　對(duì)光電效應(yīng)的理解[基礎(chǔ)自修類] [題點(diǎn)全練] 1.[光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件] 如圖所示是光電管的原理圖，已知當(dāng)有波長(zhǎng)為λ0的光照到陰極K上時(shí)，電路中有光電流，則(　　) A．若增加電路中電源電壓，電路中光電流一定增大 B．若將電源極性反接，電路中一定沒(méi)有光電流產(chǎn)生 C．

9、若換用波長(zhǎng)為λ1(λ1>λ0)的光照射陰極K時(shí)，電路中一定沒(méi)有光電流 D．若換用波長(zhǎng)為λ2(λ2<λ0)的光照射陰極K時(shí)，電路中一定有光電流 解析：選D　光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)光越強(qiáng)時(shí)，光電子數(shù)目會(huì)增多，初始時(shí)電壓增加光電流可能會(huì)增加，當(dāng)達(dá)到飽和光電流后，再增大電壓，光電流不會(huì)增大，故A錯(cuò)誤；將電路中電源的極性反接，電子受到電場(chǎng)阻力，到達(dá)A極的數(shù)目會(huì)減小，則電路中電流會(huì)減小，甚至沒(méi)有電流，故B錯(cuò)誤；波長(zhǎng)為λ1(λ1>λ0)的光的頻率有可能大于極限頻率，電路中可能有光電流，故C錯(cuò)誤；波長(zhǎng)為λ2(λ2<λ0)的光的頻率一定大于極限頻率，電路中一定有光電流，故D正確。 2．[光電效

10、應(yīng)現(xiàn)象的理解] (多選)現(xiàn)用某一光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用某一頻率的光入射時(shí)，有光電流產(chǎn)生。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，飽和光電流變大 B．入射光的頻率變高，飽和光電流變大 C．入射光的頻率變高，光電子的最大初動(dòng)能變大 D．保持入射光的光強(qiáng)不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生 解析：選AC　根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：保持入射光的頻率不變，入射光的光強(qiáng)變大，飽和光電流變大，故A正確，B錯(cuò)誤；根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程得：入射光的頻率變高，光電子的最大初動(dòng)能變大，故C正確；遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的光強(qiáng)無(wú)關(guān)，保持入

11、射光的光強(qiáng)不變，若低于截止頻率，則沒(méi)有光電流產(chǎn)生，故D錯(cuò)誤。 [名師微點(diǎn)] 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：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。 (3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(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

12、)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：頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射光越強(qiáng)，飽和光電流越大，但不是簡(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： 入射光強(qiáng)度大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大； 光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大。 考點(diǎn)二　愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程及應(yīng)用 [師生共研類] 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，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓。 (

13、3)逸出功W0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)：橫軸截距 ②逸出功：縱軸截距的絕對(duì)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：橫軸截距 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荷量的乘積，即h＝ke 顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系 ①遏止電壓Uc：橫軸截距 ②飽和光電流Im：電流的最大值 ③最大初動(dòng)能：Ekm＝eU

14、c 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]　(2018·全國(guó)卷Ⅱ)用波長(zhǎng)為300 nm的光照射鋅板，電子逸出鋅板表面的最大初動(dòng)能為1.28×10－19 J。已知普朗克常量為6.63×10－34 J·s，真空中的光速為3.00×108 m·s－1。能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為(　　) A．1×1014 Hz　　　　　 B．8×1014 Hz C．2×1015 Hz D．8×1015 Hz [解析]　設(shè)單色光的最低頻率為ν0，由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程得Ek＝hν－W,0＝hν

15、0－W，又ν＝，整理得ν0＝－，代入數(shù)據(jù)解得ν0≈8×1014 Hz。 [答案]　B [延伸思考] (1)求金屬鋅的逸出功W0。 (2)求用波長(zhǎng)為300 nm光照射鋅板時(shí)的遏止電壓Uc。 提示：(1)逸出功W0＝hν－Ek＝5.35×10－19 J。 (2)遏止電壓Uc＝＝0.80 V。 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，入射光頻率不低于這個(gè)截止頻率時(shí)才能發(fā)生光電效應(yīng)。 (2)截止頻率對(duì)應(yīng)著光的極限波長(zhǎng)和金屬的逸出功，即hνc＝h＝W0。 (3)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

16、J)?！?　　 [題點(diǎn)全練] 1．[光電效應(yīng)方程的應(yīng)用] (多選)(2017·全國(guó)卷Ⅲ)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測(cè)得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動(dòng)能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．若νa>νb，則一定有Uaνb，則一定有Eka>Ekb C．若Uaνb，則一定有hνa－Eka>hνb－Ekb 解析：選BC　設(shè)該金屬的逸出功為W，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程有Ek＝hν－W，同種金屬的W不變，則逸出光電子的最大初動(dòng)能隨

17、ν的增大而增大，B項(xiàng)正確；又Ek＝eU，則最大初動(dòng)能與遏止電壓成正比，C項(xiàng)正確；根據(jù)上述有eU＝hν－W，遏止電壓U隨ν增大而增大，A項(xiàng)錯(cuò)誤；又有hν－Ek＝W，W相同，則D項(xiàng)錯(cuò)誤。 2．[光電效應(yīng)的Ek-ν圖像] 用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。閉合開(kāi)關(guān)S，用頻率為ν的光照射光電管時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，圖線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(a,0)，與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(0，－b)。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．普朗克常量為h＝ B．?dāng)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)S后，電流表G的示數(shù)不為零 C．僅增加照射光的強(qiáng)度，光電子的最大初動(dòng)能將增大

18、 D．保持照射光強(qiáng)度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變 解析：選B　由Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝，故A錯(cuò)誤；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，仍有光電子產(chǎn)生，所以電流表G的示數(shù)不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動(dòng)能，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，故C錯(cuò)誤；保持照射光強(qiáng)度不變，僅提高照射光頻率，單個(gè)光子的能量增大，而光的強(qiáng)度不變，那么光子數(shù)一定減少，發(fā)出的光電子數(shù)也減少，電流表G的示數(shù)要減小，故D錯(cuò)誤。 3．[光電效應(yīng)的I -U圖像] (多選)用甲、乙兩種單色光照射同一金屬做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光電流與電壓的關(guān)系如圖所示。已知普朗克常量為h，被照射金屬的逸出功

19、為W0，遏止電壓為Uc，電子的電荷量為e。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．甲光的強(qiáng)度大于乙光的強(qiáng)度 B．甲光的頻率大于乙光的頻率 C．甲光照射時(shí)產(chǎn)生的光電子初動(dòng)能均為eUc D．乙光的頻率為 解析：選AD　根據(jù)光的強(qiáng)度越強(qiáng)，則光電子數(shù)目越多，對(duì)應(yīng)的光電流越大，即可判定甲光的強(qiáng)度較大，選項(xiàng)A正確；由光電效應(yīng)方程mv2＝hν－W0，mv2＝Uce，結(jié)合題圖可知，甲、乙的遏止電壓相同，故甲、乙的頻率相同，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；甲光照射時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為eUc，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)mv2＝hν－W0＝Uce，可得ν＝，選項(xiàng)D正確。 考點(diǎn)三　對(duì)波粒二象性的理解[基礎(chǔ)自修類] [題點(diǎn)全練]

20、1．[波粒二象性的理解] (多選)實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性。下列事實(shí)中突出體現(xiàn)波動(dòng)性的是(　　) A．電子束通過(guò)雙縫實(shí)驗(yàn)裝置后可以形成干涉圖樣 B．β射線在云室中穿過(guò)會(huì)留下清晰的徑跡 C．人們利用慢中子衍射來(lái)研究晶體的結(jié)構(gòu) D．人們利用電子顯微鏡觀測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) 解析：選ACD　干涉和衍射體現(xiàn)的是波動(dòng)性，A、C正確；β射線在云室中留下清晰的徑跡，體現(xiàn)的是粒子性，不能體現(xiàn)波動(dòng)性，B錯(cuò)誤；電子顯微鏡利用電子束衍射工作，體現(xiàn)的是波動(dòng)性，D正確。 2．[光子的能量] (2017·北京高考)2017年年初，我國(guó)研制的“大連光源”——極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長(zhǎng)在100 nm(

21、1 nm＝10－9 m)附近連續(xù)可調(diào)的世界上最強(qiáng)的極紫外激光脈沖。“大連光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。一個(gè)處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個(gè)分子，但又不會(huì)把分子打碎。據(jù)此判斷，能夠電離一個(gè)分子的能量約為(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　) A．10－21 J　　　　　　　 B．10－18 J C．10－15 J D．10－12 J 解析：選B　光子的能量E＝hν，c＝λν，聯(lián)立解得E≈2×10－18 J，B項(xiàng)正確。 [名師微點(diǎn)] 光的波粒二象性的規(guī)律 1．從數(shù)量上看：個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。 2．從頻率上看：頻率越低波動(dòng)性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，貫穿本領(lǐng)越強(qiáng)，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象。 3．從傳播與作用上看：光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性。 4．波動(dòng)性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量E＝hν、光子的動(dòng)量表達(dá)式p＝也可以看出，光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長(zhǎng)λ。