第六章+章末提升+波粒二象性（课件）新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案（教科版）

波粒二象性素养1

物理观念——物理概念和规律的辨析一、量子论与光子说1．量子论：德国物理学家普朗克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的，每一份电磁波的能量ε＝hν。2．光子说：爱因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比，即ε＝hν，其中h为普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s。[典例1](多选)下列对光子的认识，正确的是(

)A．“光子说”中的光子就是牛顿在微粒说中所说的“微粒”B．“光子说”中的光子就是光电效应的光电子C．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子D．光子的能量跟光的频率成正比CD[解析]

根据光子说，在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光量子，简称光子；而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒；光电效应中，金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力束缚，逸出金属表面，成为光电子，故A、B选项错误，C选项正确。由ε＝hν知，光子能量ε与其频率ν成正比，故D选项正确。二、光电效应中相关概念的区别概念区别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电子的初动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核的引力和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分能量为光电子的初动能，只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能光电流与饱和电流从金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值就是饱和电流，在一定的光照条件下，饱和电流与所加电压大小无关入射光强度与光子能量入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子的总能量，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[典例2]关于光电效应，下列说法中正确的是(

)A．金属的逸出功与入射光的频率成正比B．光电流的强度与入射光的强度无关C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长大于此波长时，就不能产生光电效应D[解析]

金属的逸出功是由金属本身决定的，与入射光的频率无关，A错误；光电流大小与单位时间内逸出的光电子数正相关，而频率一定时单位时间内接收到的光子数与入射光的强度成正比，所以发生光电效应时，光电流的强度跟入射光的强度正相关，B错误；不可见光中的紫外线照射金属产生的光电子的最大初动能大于可见光照射金属产生的光电子的最大初动能，但是不可见光中红外线的频率低于可见光的频率，所以用红外线照射金属产生的光电子的最大初动能应小于用可见光照射金属产生的光电子的最大初动能，C错误；D选项中与金属的“最大波长”相对应的是金属的极限频率，入射光的波长大于金属的“最大波长”即入射光的频率小于金属的极限频率时，不能发生光电效应，D正确。[典例3]用红光照射光电管阴极发生光电效应时，光电子的最大初动能为Ek，饱和电流为I。若改用强度相同的紫光照射同一光电管，产生的光电子的最大初动能和饱和电流分别为Ek′和I′，则下列关系式正确的是(

)A．Ek′<Ek，I′<I

B．Ek′>Ek，I′＝IC．Ek′<Ek，I′>I D．Ek′>Ek，I′<ID[解析]因为紫光的频率比红光的频率高，所以Ek′>Ek，红光和紫光的光强相同，只能说明单位时间内照射到金属表面的光子的总能量相同，即N红hν红＝N紫hν紫，所以N红>N紫，而饱和电流又由入射的光子数决定，因此I>I′。素养2科学思维——光电效应的图像问题图像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截止频率：图线与ν轴交点的横坐标ν0②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W＝|－E|＝E③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截止电压U0：图线与横轴的交点②饱和电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ek＝eU0颜色不同时，光电流与电压的关系①截止电压U01、U02②饱和电流③最大初动能Ek1＝eU01，Ek2＝eU02截止电压U0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截止电压U0：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)[典例4](多选)如图甲所示，在光电效应实验中，某同学用相同频率的单色光，分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管，结果都能发生光电效应。图乙为其中一个光电管的截止电压U0随入射光频率ν变化的函数关系图像。对于这两个光电管，下列判断正确的是(

)A．因为材料不同逸出功不同，所以截止电压U0不同B．光电子的最大初动能不同C．因为光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，饱和电流也可能相同D．两个光电管的U0ν图像的斜率可能不同答案：ABC素养3

科学态度与责任——量子理论与光电效应在STSE中的应用一、量子计算机[典例5]

2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是(

)A．是计算机运算的一种程序B．表示运算速度的一个单位C．表示微观世界的不连续性观念D．类似于质子、中子的微观粒子[答案]

C[解析]

量子不是计算机的程序，量子是不可分割的最小的单元，故A错误；量子最早由普朗克于1900年提出，普朗克假设物体发射出电磁辐射能量是一份一份的，其中每一份被他称作能量子，电磁辐射能量是其整数倍，所以量子是表示能量的单元，而非运算速度的单位，故B错误；量子是不可分割的最小的单元，表示微观世界的不连续性，即通常所说的“量子化”，故C正确；量子不是实物粒子，不是像质子、中子那样的微观粒子，故D错误。故选C。二、红外测温仪[典例6]为防范新冠病毒的蔓延，额温枪成为重要的防疫装备。有一种红外测温仪的原理是：任何物体在高于绝对零度(－273℃)以上时都会向外发出红外线，额温枪通过红外线照射到温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为电信号，计算出温度数据。已知人体温正常时能辐射波长为10μm的红外光，如图甲所示，用该红外光照射光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，得到的电流随电压变化图像如图乙所示，h＝6.63×10－34J·s，e＝1.6×10－19C，c＝3×108m/s，则(

)A．将图甲的电源反接，一定不会产生电信号B．人体温度升高，辐射红外线的强度减弱，光电流强度增大C．波长10μm的红外光在真空中的频率为3×1014HzD．由图乙数据可知该光电管的阴极金属逸出功约为0.1eV三、火灾报警器[典例7]如图所示，是某种火灾报警装置的工作电路图，它的核心部件为紫外线光电管，其中A为阳极，K为阴极，发生火灾时c、d端有输出电压实施报警。已知地表附近太阳光中紫外线光子能量介于3.1～3.9eV之间，明火中的紫外线光子能量介于4.4～6.2eV之间。几种金属单质的逸出功如表所示，若光电管阴极材料K选用金属铝，则下列说法正确的是(

)金属单质钾钠锌铝逸出功/eV2.252.293.384.21A．太阳光照射时c、d端有输出电压B．明火照射时c、d端有输出电压C．若阴极K材料选用金属锌，能实现有效报警D．明火中紫外线波长越长，光电子的最大初动能越大[答案]

B

[解析]

金属铝的逸出功为W＝4.21eV，太阳光中紫外线光子的最大能量ε＝3.9eV，E＜W，所以太阳光照射光电管的阴极，不会发生光电效应，所以电路中没有光电流，c、d间没有输出电压，故A错误；明火中的紫外线光子的最小能量ε′＝4.4eV，ε′＞W，可见，明火照射光电管的阴极，有光电效应发生，电路中有光电流产生，c、d间有输出电压，故B正确；若阴极材料选