【创新】高中物理一轮复习学案：第15章 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。一、黑体辐射及实验规律1.热辐射(1)定义:周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。(2)特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。2.黑体、黑体辐射的实验规律(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(一般取h＝6.63×10－34J·s)。二、光电效应及其规律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.光电效应的产生条件入射光的频率大于或等于金属的截止频率。3.光电效应规律(1)每种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于或等于这个极限频率才能产生光电效应。(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s。(4)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。三、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.逸出功W0:电子从金属中逸出所需做功的最小值。3.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.光电效应方程:hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。四、光的波粒二象性与物质波1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。(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.物质波: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，p为运动物体的动量，h思考判断1.黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波。(×)2.微观粒子的能量是量子化的，即微观粒子的能量是分立的。(√)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。(×)考点一黑体辐射能量子1.黑体辐射的实验规律(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。(2)随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。2.能量子问题的求解方法(1)明确能量子公式ε＝hν，注意频率、波长、波速的关系，即ν＝cλ(2)应用ε＝hν＝ℎcλ(3)应用λ＝ℎcε(4)应用E总＝nε＝nhν＝nhcλ跟踪训练1.(黑体辐射)(多选)关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是()A.黑体能够完全吸收照射到它上面的光波B.随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加C.随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动D.黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关答案AD解析能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体，故A正确;由题图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，故B错误;随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故C错误;一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关，故D正确。2.(能量子)(2025·辽宁大连一模)智能手机的摄像头光圈尺寸和曝光时间会影响照片的成像质量。某智能手机的摄像头光圈的面积为S，标准曝光时间为t，暗室中有一个黄色的点光源，发光功率为P，现用该手机在距离点光源r处正对光源拍照。已知黄光的波长为λ，真空中的光速为c。普朗克常量为h，不考虑空气对光子的吸收，则单次拍照进入手机摄像头快门的光子个数为()A.PλSt4πr2ℎcC.PλSt2πr2答案A解析一个光子的能量为ε0＝hν＝ℎcλ，该光源在曝光时间t内发出的光能为E＝Pt，在曝光时间t内进入手机摄像头的光所具有的能量为E1，有E1E＝S4πr2，则曝光时间t考点二光电效应规律的理解和应用1.“四点”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)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。(4)光电子不是光子，而是电子。2.“两条”关系(1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。(2)光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。3.“三个”关系式(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek＝hν－W0。(2)最大初动能与遏止电压的关系:12mevc2＝(3)逸出功与极限频率的关系:W0＝hνc。例1(2024·海南卷，8)利用如图所示的装置研究光电效应，单刀双掷开关S与1接通，用频率为ν1的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U1，已知电子电荷量绝对值为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是()A.其他条件不变，增大光强，电压表示数增大B.改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为U1C.其他条件不变，使开关S与2接通，电流表示数仍为零D.光电管阴极材料的截止频率νc＝ν1－e答案D解析根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W0，根据动能定理有－eUc＝0－Ek，联立解得Uc＝ℎeν－W0e，因此光强不会改变截止电压的大小，由题意可知电压表测量截止电压，所以增大光强，电压表示数不变，A错误;根据A项表达式可知，若改用比ν1更大频率的光照射，截止电压增大，即此时电压表示数大于U1，B错误;当仅将开关S与2接通，则光电管中的电压变为正向电压，逸出的光电子在电场中加速，一定能到达右极板，电流表一定有示数，C错误;截止频率与逸出功的关系为W0＝hνc，结合A项表达式并代入题干条件可得νc＝ν1－跟踪训练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解析金属的逸出功与金属本身有关，与入射光无关，A错误;光子的能量ε＝hν，与入射光强度无关，B正确;根据爱因斯坦光电效应方程hν＝Ek＋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，可知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。4.如图所示为研究光电效应实验的电路图。初始时刻，滑动触头P在O点左侧靠近a点某位置，用一定强度的绿光照射光电管K极，当闭合开关后，微安表的示数不为0，则在P向b端移动的过程中()A.微安表的示数不断增大B.微安表的示数可能为零C.到达A极的光电子动能不断增大D.K极逸出的光电子的最大初动能不断增大答案C解析在P向b端移动的过程中，在到达O点之前，A极电势低于K极电势，随着P靠近O，静电力对光电子做的负功越来越少，微安表的示数增大;过了O点之后，A极电势高于K极电势，静电力对光电子做正功，微安表的示数增大，当达到饱和电流后微安表的示数不再增大，A、B错误;P到达O点前静电力对光电子做的负功减小，过了O点后静电力对光电子做的正功逐渐增大，根据动能定理可知到达A极的光电子动能不断增大，C正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，可知K极逸出的光电子的最大初动能不变，D错误。拓展将滑片P停在适当位置不动，若提高绿光强度，则金属的逸出功，光电子的最大初动能，饱和电流(均选填“增大”“减小”或“不变”)。

答案不变不变增大考点三光电效应的四类图像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遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①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:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke(注:此时两极之间接反向电压)颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系图线①遏止电压Uc:图线与横轴的交点的横坐标②饱和光电流Im:光电流的最大值③最大初动能:Ek＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系图线①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流Im1、Im2③最大初动能:Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2例2(2025·河南部分名校联考)研究某种金属的光电效应规律，所得相关图像分别如图甲、乙、丙、丁所示，Ek为光电子的最大初动能、ν为入射光的频率、I为光电流、U为两极板间的电压、Uc为遏止电压。下列说法正确的是()A.由图甲知，入射光的频率为νc2B.由图乙知，入射光的光照强度越大，光电子的最大初动能越大C.由图丙知，入射光2的频率大于入射光1的频率D.由图丁知，入射光的频率大于νc时，入射光的频率越大，遏止电压越大答案D解析根据Ek＝hν－W0，W0＝hνc，结合图甲可知，νc为截止频率，当入射光的频率为νc2时，不能发生光电效应，不能产生光电子，故A错误;光电子的最大初动能由入射光的频率与金属的逸出功共同决定，与光照强度无关，故B错误;根据图丙可知Uc1>Uc2，根据eUc1＝Ek1＝hν1－W0，eUc2＝Ek2＝hν2－W0，则有ν1>ν2，即入射光2的频率小于入射光1的频率，故C错误;由Uc＝ℎeν－W0e可知入射光的频率大于νc时，入射光的频率越大，跟踪训练5.(2025·四川精准教学联盟模拟)如图甲，分别用a、b两种材料作K极进行光电效应实验研究，用频率为ν的入射光照射K极，且保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系图像如图乙所示，且两线平行，已知普朗克常量h。则下列说法正确的是()A.图线1、2斜率k是普朗克常量hB.图线1、2斜率k是电子电荷量eC.材料a的逸出功W1＝hν＋E0D.材料a、b的逸出功之比为1∶2答案B解析根据光电效应方程得Ek＝hν－W0，根据动能定理得eU＝Ekm－Ek，联立得Ekm＝eU＋hν－W0，可知图线1、2斜率k是电子电荷量e，故A错误，B正确;根据Ekm＝eU＋hν－W0，设材料a、b的逸出功分别为W1、W2，根据题图乙可知E0＝hν－W1，2E0＝hν－W2，可得W1＝hν－E0，W2＝hν－2E0，则材料a、b的逸出功之比为W1W2＝ℎν−E0考点四光的波粒二象性物质波1.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2.物质波(1)任何一个运动的物体，无论大小，都有一种波与之对应。(2)物质波的波长:λ＝ℎp＝ℎ例3(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＝ℎLdΔx B.电子的动能EC.光子的能量E＝W0＋cℎLdΔx D.光子的动量答案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，光子的能量E＝W0＋Ek，故E＝W跟踪训练6.(多选)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10－23kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10－31kg，普