第十二章近代物理 第1節(jié)光電效應(yīng)波粒二象性 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 一 光電效應(yīng)1 定義 在光的照射下從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象 發(fā)射出的電子稱為光電子 2 產(chǎn)生條件 入射光的頻率大于或等于極限頻率 3 光電效應(yīng)規(guī)律 1 存在著飽和電流 對(duì)于一定顏色的光 入射光強(qiáng)度越大 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)越多 2 存在著遏止電壓和截止頻率 光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān) 而與入射光的強(qiáng)弱無(wú)關(guān) 當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng) 3 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性 當(dāng)頻率超過(guò)截止頻率時(shí) 無(wú)論入射光怎樣微弱 幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流 時(shí)間不超過(guò)10 9s 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 二 光子說(shuō)及光電效應(yīng)方程1 光子說(shuō)空間傳播的光是一份一份的 每一份叫一個(gè)光子 一個(gè)光子的能量為E h 其中h 6 63 10 34J s 稱為普朗克常量 2 光電效應(yīng)方程 1 表達(dá)式 光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光光子的能量h 和逸出功W0之間的關(guān)系 Ek h W0 其中逸出功是指使某種金屬原子中的電子脫離金屬所做功的最小值 2 物理意義 金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h 這些能量一部分用于克服金屬的逸出功 剩下的表現(xiàn)為逸出電子的初動(dòng)能 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 三 光的波粒二象性與物質(zhì)波1 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 又具有粒子性 稱為光的波粒二象性 2 物質(zhì)波 1 概率波 光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動(dòng)遵守波動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn) 亮條紋是光子到達(dá)概率大的地方 暗條紋是光子到達(dá)概率小的地方 因此光波又叫概率波 2 物質(zhì)波 任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體 小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對(duì)應(yīng) 其波長(zhǎng) p為運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量 h為普朗克常量 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 1 2017 黑龍江哈爾濱期中 用一束紫外線照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng) 可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的措施是 A 改用紅光照射B 改用X射線照射C 改用強(qiáng)度更大的原紫外線照射D 延長(zhǎng)原紫外線的照射時(shí)間 答案 解析 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 2 多選 如圖所示 用導(dǎo)線把驗(yàn)電器與鋅板相連接 已知紫光頻率大于鋅的極限頻率 當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí) 發(fā)生的現(xiàn)象是 A 有光子從鋅板逸出B 有電子從鋅板逸出C 驗(yàn)電器兩箔片張開(kāi)一個(gè)角度D 鋅板帶負(fù)電 答案 解析 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 3 關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律 下列說(shuō)法正確的是 A 只有入射光的波長(zhǎng)大于該金屬的極限波長(zhǎng) 光電效應(yīng)才能產(chǎn)生B 光電子的最大初動(dòng)能跟入射光強(qiáng)度成正比C 發(fā)生光電效應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間一般都大于10 7sD 發(fā)生光電效應(yīng)時(shí) 單位時(shí)間內(nèi)從金屬內(nèi)逸出的光電子數(shù)目與入射光強(qiáng)度成正比 答案 解析 知識(shí)梳理 考點(diǎn)自診 4 請(qǐng)判斷下列說(shuō)法是否正確 1 只要光照射的時(shí)間足夠長(zhǎng) 任何金屬都能發(fā)生光電效應(yīng) 2 光電子就是光子 3 極限頻率越大的金屬材料逸出功越大 4 從金屬表面出來(lái)的光電子的最大初動(dòng)能越大 這種金屬的逸出功越小 5 入射光的頻率越大 逸出功越大 答案 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 對(duì)光電效應(yīng)的理解與光電效應(yīng)有關(guān)的概念對(duì)比1 光子與光電子 光子不帶電 光電子是光電效應(yīng)時(shí)發(fā)射出來(lái)的電子 其本質(zhì)是電子 2 光電子的初動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能 光電子的初動(dòng)能小于等于光電子的最大初動(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 入射光強(qiáng)度與光子能量 入射光強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)照射到單位面積上的總能量 與光子的能量和單位時(shí)間內(nèi)光子的數(shù)目有關(guān) 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 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 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 例1 多選 2016 全國(guó)卷 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E 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) 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 思維點(diǎn)撥本題主要考查光電效應(yīng) 發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率 光的強(qiáng)弱只影響單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目 本題涉及的光電效應(yīng)知識(shí)較多 很多結(jié)論都是識(shí)記的 注意把握現(xiàn)象的實(shí)質(zhì) 明確其間的聯(lián)系與區(qū)別 平時(shí)積累物理知識(shí) 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 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 光強(qiáng)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 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 即學(xué)即練1 多選 2017 全國(guó)卷 在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中 分別用頻率為 a b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 a b 則一定有Ua b 則一定有Eka EkbC 若Ua b 則一定有h a Eka h b Ekb 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 2 多選 2017 四川成都一診 下圖所示為光電管的工作電路圖 分別用波長(zhǎng)為 0 1 2的單色光做實(shí)驗(yàn) 已知 1 0 2 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合后 用波長(zhǎng)為 0的單色光照射光電管的陰極K時(shí) 電流表有示數(shù) 則下列說(shuō)法正確的是 A 光電管陰極材料的逸出功與入射光無(wú)關(guān)B 若用波長(zhǎng)為 1的單色光進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 則電流表的示數(shù)一定為零C 若僅增大電源的電動(dòng)勢(shì) 則電流表的示數(shù)一定增大D 若僅將電源的正負(fù)極對(duì)調(diào) 則電流表的示數(shù)可能為零 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 光電效應(yīng)四類(lèi)圖象問(wèn)題四類(lèi)圖象 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 例2 多選 2017 山西運(yùn)城模擬 美國(guó)物理學(xué)家密立根利用圖示的電路研究金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率 的關(guān)系 描繪出圖乙中的圖象 由此算出普朗克常量h 電子電荷量用e表示 下列說(shuō)法正確的是 A 入射光的頻率增大 測(cè)遏制電壓時(shí) 應(yīng)使滑動(dòng)變阻器的滑片P向M端移動(dòng)B 增大入射光的強(qiáng)度 光電子的最大初動(dòng)能也增大C 由Uc 圖象可知 這種金屬截止頻率為 c 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 定量分析時(shí)應(yīng)抓住三個(gè)關(guān)系式 1 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 Ek h W0 2 最大初動(dòng)能與遏止電壓的關(guān)系 Ek eUc 3 逸出功與極限頻率的關(guān)系 W0 h 0 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 即學(xué)即練3 2017 甘肅蘭州模擬 在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中 某同學(xué)用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線 甲光 乙光 丙光 如圖所示 則可判斷出 A 甲光的頻率大于乙光的頻率B 乙光的波長(zhǎng)大于丙光的波長(zhǎng)C 乙光對(duì)應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率D 甲光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能大于丙光的光電子最大初動(dòng)能 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 4 多選 下圖是用光照射某種金屬時(shí)逸出的光電子的最大初動(dòng)能隨入射光頻率的變化圖線 直線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)4 27 與縱軸交點(diǎn)坐標(biāo)0 5 已知普朗克常量為6 63 10 34J s 則由圖可知 A 該金屬的截止頻率為4 27 1014HzB 該金屬的截止頻率為5 5 1014HzC 該圖線的斜率表示普朗克常量D 該金屬的逸出功為0 5eV 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 對(duì)波粒二象性的理解 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 例3 2017 浙江臺(tái)州模擬 1927年戴維孫和湯姆孫分別完成了電子衍射實(shí)驗(yàn) 該實(shí)驗(yàn)是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的重大近代物理實(shí)驗(yàn)之一 如圖所示的是該實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)化圖 下列說(shuō)法不正確的是 A 亮條紋是電子到達(dá)概率大的地方B 該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明物質(zhì)波理論是正確的C 該實(shí)驗(yàn)再次說(shuō)明光子具有波動(dòng)性D 該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明實(shí)物粒子具有波動(dòng)性 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 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 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 4 波動(dòng)性與粒子性的統(tǒng)一 由光子的能量E h 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 和波長(zhǎng) 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 即學(xué)即練5 多選 圖甲為實(shí)驗(yàn)小組利用100多個(gè)電子通過(guò)雙縫后的干涉圖樣 可以看出每一個(gè)電子都是一個(gè)點(diǎn) 如圖乙為該小組利用70000多個(gè)電子通過(guò)雙縫后的干涉圖樣 為明暗相間的條紋 則對(duì)本實(shí)驗(yàn)的理解正確的是 A 圖甲體現(xiàn)了電子的粒子性B 圖乙體現(xiàn)了電子的粒子性C 單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)軌道是確定的D 圖乙中明條紋是電子到達(dá)概率大的地方 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 6 2017 北京平谷模擬 2016年8月16日1時(shí)40分 我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 墨子號(hào) 發(fā)射升空 在量子世界中 一個(gè)物體可以同時(shí)處在多個(gè)位置 一只貓可以處在 死 和 活 的疊加狀態(tài)上 所有物體都具有 波粒二象性 既是粒子也是波 兩個(gè)處于 糾纏態(tài) 的粒子 即使相距遙遠(yuǎn)也具有 心電感應(yīng) 一個(gè)發(fā)生變化 另一個(gè)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變 正是由于量子具有這些不同于宏觀物理世界的奇妙特性 才構(gòu)成了量子通信安全的基石 在量子保密通信中 由于量子的不可分割 不可克隆和測(cè)不準(zhǔn)的特性 所以一旦存在竊聽(tīng)就必然會(huì)被發(fā)送者察覺(jué)并規(guī)避 通過(guò)閱讀以上材料可知 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 A 電磁波是量子化的B 量子不具有波粒二象性C 可以準(zhǔn)確測(cè)定量子的位置D 量子相互獨(dú)立互不干擾 答案 解析 命題點(diǎn)一 命題點(diǎn)二 命題點(diǎn)三 7 2017 江蘇卷 質(zhì)子被加速到相同動(dòng)能時(shí) 質(zhì)子的動(dòng)量 選填 大于 小于 或 等于 粒子的動(dòng)量 質(zhì)子和 粒子的德布羅意波波長(zhǎng)之比為 答案 解析