2026版创新设计高考总复习物理(人教基础版)教师用-第1讲　光电效应　波粒二象性

第1讲光电效应波粒二象性学习目标1.理解光电效应的实验规律,会利用光电效应方程计算逸出功、最大初动能、截止频率等物理量。2.会分析光电效应的图像问题。3.理解物质波的概念,理解光的波粒二象性。考点一黑体辐射能量子1.黑体:能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。2.黑体辐射的实验(1)对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。(2)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。随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,另一方面,辐射强度的极大值(温度一定时,黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值)向波长较短的方向移动,如图所示。3.能量子(1)定义:普朗克认为,当带电微粒辐射或吸收能量时,只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)能量子大小:ε=hν,其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.626×10-34J·s(一般h=6.63×10-34J·s)。(3)能量子的理解①电磁波的能量是不连续的,只能是ε=hν的整数倍。②微观世界中的物理系统,如原子、分子和离子等,其能量正如普朗克所假设的那样,只能取某些特定的值,即能量是量子化的。判断正误(1)黑体能够反射各种波长的电磁波,但不会辐射电磁波。(×)(2)玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式,提出了能量子的假说。(×)(3)微观粒子的能量是量子化的,即微观粒子的能量是分立的。(√)例1一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10-7m的光,在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量为h=6.63×10-34J·s。R约为()A.1×102m B.3×102m C.6×102m D.9×102m答案B解析一个光子的能量为E0=hν=hcλ,点光源向所有方向均有辐射,光子以球面波的形式传播,那么以光源为原点的球面上的光子数相同,此时距光源的距离为R处,球面的表面积为S=4πR2,则P=4πR2×nE0,联立以上各式解得R≈3×102m,故选项B正确例2(多选)在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔,小孔可看成黑体,由小孔的热辐射特性,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像,则下列说法正确的是()A.T1>T2B.T1<T2C.随着温度的升高,黑体的辐射强度都有所降低D.随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动答案AD解析一般材料的物体辐射能的多少决定于物体的温度(T)、辐射波的波长、时间的长短和发射的面积,而黑体是指在任何温度下,能够完全吸收任何波长的辐射的物体,黑体辐射的强度按波长的分布只与温度有关。实验表明,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有所增加,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。结合题图中可知λ1<λ2,T1>T2,故A、D正确,B、C错误。考点二光电效应规律的理解和应用1.光电效应现象照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。发射出来的电子叫光电子。2.光电效应规律(1)每种金属都有一个截止(极限)频率,入射光的频率必须大于或等于这个极限频率νc才能发生光电效应。(2)当入射光的频率大于截止频率时,饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。(3)遏止电压:使光电流减小到零的反向电压Uc。遏止电压Uc与入射光频率ν、逸出功W0间的关系式:Uc=heν-W(4)光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9s。

3.爱因斯坦光电效应方程(1)光子说:在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光子,光子的能量ε=hν。(2)光电效应方程:hν=Ek+W0或Ek=hν-W0。(3)逸出功W0:电子从金属中逸出所需做功的最小值。逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关。逸出功与极限频率的关系,W0=hνc。(4)最大初动能:发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。4.“几点”提醒(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率。(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。(3)光电子不是光子,而是电子。判断正误(1)光子和光电子都不是实物粒子。(×)(2)用紫外线灯照射锌板,验电器箔片张开,此时锌板带正电;若改用红光照射锌板,发现验电器箔片不张开,说明红光的频率小于锌的截止频率。(√)(3)只要入射光的强度足够大,就可以使金属发生光电效应。(×)(4)要使某金属发生光电效应,入射光子的能量必须大于或等于该金属的逸出功。(√)(5)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。(×)例3(多选)(2024·黑吉辽卷,8)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子,并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面,逸出了光电子,若增加此X光的强度,则()A.该金属的逸出功增大B.X光的光子能量不变C.逸出的光电子最大初动能增大D.单位时间逸出的光电子数增多答案BD解析金属的逸出功由金属本身决定,与入射光无关,A错误;光子的能量E=hν,与入射光强度无关,B正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,逸出的光电子最大初动能与入射光的强度无关,C错误;入射光的强度增加,单位时间内入射光的总能量增加,每个光子的能量不变,故单位时间内入射的光子数增多,则单位时间内逸出的光电子数增多,D正确。粤教版选择性必修第三册P98习题四T5(3)考查光照强度及入射光频率与波长对光电效应的影响,该高考试题考查光照强度对光电效应中相关物理量的影响,可见考查方式来源于教材又高于教材,是对教材习题的拓展应用。3.当用绿光照射光电管阴极K时,可以发生光电效应,则下列说法正确的是()A.增大绿光照射强度,光电子的最大初动能增大B.增大绿光照射强度,电路中的光电流增大C.改用波长比绿光波长长的光照射光电管阴极K时,电路中一定有光电流D.改用频率比绿光频率高的光照射光电管阴极K时,电路中一定有光电流总结提升光电效应的分析思路例4(2025·湖北武汉模拟)用如图所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,电流表G的示数不为零。移动滑动变阻器的滑片P,发现当电压表的示数大于或等于1.7V时,电流表示数为零,则在该实验中()A.光电子的最大初动能为1.05eVB.光电管阴极的逸出功为1.7eVC.开关S断开,电流表G示数为零D.当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时,电压表示数增大答案D解析由题意可知,遏止电压Uc=1.7V,光电子的最大初动能Ek=eUc=1.7eV,A错误;根据光电效应方程可知,逸出功W0=ε-Ek=1.05eV,B错误;断开开关S,光电效应依然发生,有光电流,光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路,电流表的示数不为零,C错误;所加电压为反向电压,当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时,反向电压增大,电压表示数增大,D正确。考点三光电效应的四类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[Ek=hν+(-W0)=hν+(-hνc)]图线①极限频率:图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0=|-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图线①两种色光对应的截止频率和频率相等②遏止电压Uc相等:图线与横轴的交点的横坐标③饱和光电流Im1>Im2:光电流的最大值④最大初动能:Ek1=Ek2=eUc颜色不同时,光电流与电压的关系图线①遏止电压大小Uc1>Uc2②饱和光电流大小I黄>I蓝③最大初动能:Ek1=eUc1>Ek2=eUc2④两色光频率ν1>ν2;两种色光对应的截止频率ν1=ν2遏止电压Uc(注:此时两极之间接反向电压)与入射光频率ν的关系Uc①极限频率νc:图线与横轴的交点的横坐标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k与电子电荷量e的乘积,即h=ke例5(2025·吉林长春高三期中)某探究小组在实验室用相同双缝干涉实验装置测量甲、乙两种单色光的波长时,发现甲光的相邻亮条纹间距大,乙光的相邻亮条纹间距小,若用这两种光分别照射同一金属板,且都能发生光电效应,以下说法正确的是()A.甲种单色光对应图乙中的曲线BB.乙种单色光光子的动量小C.若想通过图甲装置测得图乙中的UB和UC,需使A极接电源正极,K极接电源的负极D.若用甲、乙两种单色光,对同一装置做单缝衍射实验,则甲种光更容易发生明显衍射现象答案D解析甲光干涉条纹间距大说明甲光波长较长,频率较低,使同一金属板发生光电效应时,甲光对应的最大初动能小,所以遏止电压小,则甲光应对应曲线C,故A错误;据p=hλ可知甲光的动量小,故B错误;若想通过题图甲装置测得题图乙中的UB和UC,需在光电管两端应加反向电压,则A极应接电源负极,K极应接电源正极,故C错误;波长越长的光,对同一装置做单缝衍射实验的现象越明显,则甲光更容易发生明显衍射现象,故D正确例6如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知()A.钠的逸出功为hνcB.钠的截止频率为8.5×1014HzC.图中直线的斜率为普朗克常量hD.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比答案A解析根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc=Ek,根据光电效应方程有Ek=hν-W0,结合图像可知,当Uc为0时,解得W0=hνc,A正确;钠的截止频率为νc,根据图像可知,截止频率为5.5×1014Hz,B错误;结合遏止电压与光电效应方程可得Uc=heν-W0e,可知,图中直线的斜率表示he,C错误;根据遏止电压与入射光的频率关系式可知,遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系,不是成正比考点四光的波粒二象性物质波1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。(2)光电效应说明光具有粒子性。(3)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。2.对光的波粒二象性的理解从数量上看个别光子的作用效果往往表现为粒子性,大量光子的作用效果往往表现为波动性从频率上看频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象,频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强从传播与作用上看光在传播过程中往往表现出波动性,在与物质发生作用时往往表现出粒子性波动性与粒子性的统一由光子的能量ε=hν、光子的动量表达式p=hλ也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长3.物质波(1)任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长λ=hp=hmv,p=mv为运动物体的动量,h(2)1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验,得到了衍射图样,从而证实了电子的波动性。判断正误(1)德布罗意认为实物粒子也具有波动性。(√)(2)光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦电磁场理论。(×)(3)波长较长的光只有波动性,没有粒子性。(×)(4)向前飞行的子弹具有波动性。(√)例7(2024·湖南卷,1)量子技术是当前物理学应用研究的热点,下列关于量子论的说法正确的是()A.普朗克认为黑体辐射的能量是连续的B.光电效应实验中,红光照射可以让电子从某金属表面逸出,若改用紫光照射也可以让电子从该金属表面逸出C.康普顿研究石墨对X射线散射时,发现散射后仅有波长小于原波长的射线成分D.德布罗意认为质子具有波动性,而电子不具有波动性答案B解析普朗克认为黑体辐射的能量是量子化的,A错误;紫光的频率大于红光的频率,由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,若改用紫光照射此金属表面,一定能发生光电效应,即电子会从金属表面逸出,B正确;康普顿散射实验发现,X射线被较轻物质(石墨、石蜡)等散射后除了有波长与原波长相同的成分外还有波长较长的成分,C错误;德布罗意认为实物粒子具有波粒二象性,D错误。例8(多选)(2023·浙江6月选考,15)有一种新型光电效应量子材料,其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时,只产生动能和动量单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝,在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹,测得条纹间距为Δx,已知电子质量为m,普朗克常量为h,光速为c,则()A.电子的动量pe=hLB.电子的动能Ek=hC.光子的能量E=W0+chLD.光子的动量p=W0c答案AD解析由双缝干涉条纹间距Δx=Ldλ、电子动量pe=hλ联立解得pe=hLdΔx,A正确;电子的动能Ek=12mv2=pe22m,解得Ek=12mhLdΔx2,B错误;根据爱因斯坦光电效应方程得光子的能量E=W0+Ek,故E=W0+12mhLdΔx限时作业(限时:35分钟)基础对点练对点练1黑体辐射能量子1.关于带电微粒辐射和吸收能量时的特点,以下说法错误的是()A.以某一个最小能量值一份一份地辐射B.辐射和吸收的能量均是某一最小值的整数倍C.辐射和吸收的能量均是量子化的D.吸收的能量可以是连续的答案D解析根据量子化的理论,带电微粒辐射和吸收的能量,都只能是某一最小能量值的整数倍,故A、B正确;带电粒子辐射和吸收的能量是不连续的,是量子化的,故C正确,D错误。2.(2025·江苏南京模拟)紫外线照射可以杀菌消毒。已知口罩表面积为S,紫外线波长为λ,普朗克常量为h,真空中光速为c。用单位面积上发射功率为P的紫外线垂直照射口罩时间为t,则t内照射到口罩上的紫外线光子数为()A.PSλhc B.C.hcPStλ D.答案D解析光子能量ε=hν=hcλ,根据题意可得PSt=Nhcλ,解得N=PStλhc,故对点练2光电效应规律的理解和应用3.(多选)(2025·八省联考内蒙古卷,8)如图所示,不带电的锌板经紫外线短暂照射后,其前面的试探电荷q受到了斥力,则()A.q带正电B.q远离锌板时,电势能减小C.可推断锌原子核发生了β衰变D.用导线连接锌板前、后表面,q受到的斥力将消失答案AB解析用紫外线短暂照射锌板时,锌板发生了光电效应,电子从锌板中逸出,锌板失去电子带正电,由于试探电荷q受到了斥力,可知q带正电,故A正确;q远离锌板时,静电力做正功,电势能减小,故B正确;原子核发生β衰变是自发的,故C错误;用导线连接锌板前、后表面,锌板仍带正电,则q受到的斥力不会消失,故D错误。4.原子处于磁场中,某些能级会发生劈裂,某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示,相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应,且逸出光电子的最大初动能为Ek,则()A.①和③的能量相等B.②的频率大于④的频率C.用②照射该金属一定能发生光电效应D.用④照射该金属,逸出光电子的最大初动能小于Ek答案A解析由题图可知跃迁时放出的光子①和③均由同一高能级跃迁到同一低能级,又释放的能量等于两能级的能量差,所以①和③的能量相等,A正确;由题图可知②的能量比④的能量小,则由公式E=hν可知②的频率小于④的频率,B错误;用①照射某金属表面时能发生光电效应现象,但由于②的能量小于①,所以用②照射该金属时不一定能发生光电效应,C错误;用①照射某金属时逸出光电子的最大初动能为Ek,由于④的能量大于①,则由Ek=hν-W0可知,用④照射该金属,逸出光电子的最大初动能一定大于Ek,D错误。对点练3光电效应的四类图像问题5.图为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时,下述光路图中正确的是()答案C解析由eUc=Ek=hν-W0结合I-U图像可知三种光的频率关系为νb>νc>νa,则三种光在三棱镜中的折射率关系为nb>nc>na,而a、b、c组成的复色光通过三棱镜时,折射率越大,偏折角度越大,故C正确,A、B、D错误。6.(多选)对于钠和钙两种金属,其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图所示。用h、e分别表示普朗克常量和电子电荷量,下列说法正确的是()A.钠的逸出功小于钙的逸出功B.图中直线的斜率为hC.在得到这两条直线时,必须保证入射光的强度相同D.若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能,则照射到钠的光频率较高答案AB解析根据eUc=Ek=hν-W0,得Uc=heν-W0e,由图像可知,钠的逸出功小于钙的逸出功,故A正确;图中直线的斜率为he,故B正确;在得到这两条直线时,入射光的强度不必相同,故C错误;由图像可知,若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能,则照射到钠的光频率较低,对点练4光的波粒二象性物质波7.一个德布罗意波波长为λ1的中子和另一个德布罗意波波长为λ2的氘核同向正碰后结合成一个氚核,该氚核的德布罗意波波长为()A.λ1λ2λC.λ1+λ2答案A解析中子的动量p1=hλ1,氘核的动量p2=hλ2,同向正碰后形成的氚核的动量p3=p2+p1,所以氚核的德布罗意波波长λ3=hp38.(多选)(2023·海南卷,10)已知一个激光发射器功率为P,发射波长为λ的光,光速为c,普朗克常量为h,则()A.光的频率为cB.光子的能量为hC.光子的动量为hD.在时间t内激光器发射的光子数为Ptc答案AC解析由c=λν可知,光的频率为ν=cλ,A正确;由光子说可知,光子能量E=hν=hcλ,光子动量p=hλ,B错误,C正确;时间t内激光器发射的光子的总能量为Pt,即n·hcλ=Pt,则n=Ptλ综合提升练9.(2025·湖南长沙联考)表中给出了铝和钙的截止频率和逸出功,已知普朗克常量与光速的乘积为1240eV·nm,若用200nm的光分别照射两种金属,下列选项正确的是()金属铝钙νc/(×1014Hz)10.17.73W0/eV4.23.2A.只有金属钙能发生光电效应B.若增大入射光的波长,则截止频率减小C.金属铝和钙对应遏止电压之比为2∶3D.金属铝和钙对应遏止电压之比为21∶16答案C解析由题意可知,光子能量E=hcλ=1240200eV=6.2eV,光子能量大于两种金属的逸出功,故均能发生光电效应,A错误;截止频率只与金属自身的性质有关,与