2023届高三物理【新教材】一轮复习-15-1-光电效应-波粒二象性.docx

第 十五 章 原子结构和波粒二象性　原子核

【核心素养】
物理观念：1.了解光电效应、波粒二象性、原子的核式结构、放射性和核衰变、核反应；2.掌握光电效应方程、核衰变、核反应等规律；3.更好地形成物质观念、运动与相互作用观念及能量观念．
科学思维：1.运用光电效应方程、核衰变、核反应等规律求解问题；2.领会模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等在人类探索微观世界过程中的作用；3.运用电荷守恒和能量守恒思想分析求解原子物理问题．
科学态度与责任：关注核技术对人类生活及社会发展的影响．

【命题探究】
1.命题分析：高考对原子结构和能级部分的考查重点有：对α粒子散射实验的理解，原子的核式结构学说，能级、光子的发射与吸收．既可以对本部分内容单独考查．也可以与磁场、动量、几何光学、光电效应、电磁波谱等知识相结合进行综合考查，以选择题或计算题的形式出现．
2．趋势分析：天然放射现象、核反应和核能部分主要是单独考查，但试题往往灵活多变，且常与最新时事相结合，考查对相关知识的理解和应用能力．

【试题情境】
生活实践类：霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等．
学习探索类：光电效应现象、爱因斯坦光电效应方程及其意义、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、原子核的组成、核反应方程、放射性和原子核衰变、半衰期及其统计意义、放射性同位素的应用、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等．

第1讲　光电效应　波粒二象性

【必备知识·自主排查】
一、光电效应
1．光电效应现象
照射到金属表面的光，能使金属中的________从表面逸出．这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子．
2．几个名词解释
(1)遏止电压：使光电流减小到0的________电压，用Uc表示．
(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的________频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)，用νc表示，不同的金属对应着不同的截止频率．
(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面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________．
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________截止频率时不发生光电效应．
(2)光电子的________与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而________．
(3)只要入射光的频率大于金属的截止频率，照到金属表面时，光电子的发射几乎是________，一般不超过10－9 s，与光的强度________关．
(4)当入射光的频率大于金属的截止频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成________比．
二、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________，光子的能量ε＝________．
2．逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的________．
3．爱因斯坦光电效应方程：(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝________．
(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的________．
三、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、偏振现象证明光具有________性．
(2)光电效应说明光具有________性．
(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的________性．
2．物质波：
(1)概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率________的地方，暗条纹是光子到达概率________的地方，因此光波又叫概率波．
(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＝________，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．

【教材拓展】
1.[人教版选择性必修第三册P72的图4.2－2]如图所示，在光电效应实验中，用A、B、C三条光分别照射同一装置中的相同光电管，得到三条不同的光电流与电压之间的关系曲线，则

(1)用A光照射光电管时对应的截止频率最大．(　　)
(2)用C光照射光电管时对应的光电子的最大初动能最大．(　　)
(3)若用强度相同的A、B光照射该光电管，则单位时间内逸出的光电子数相等．(　　)
(4)A、C光比较，A光的强度大．(　　)
2．[人教版选择性必修第三册P71问题改编]如图所示，用紫外线灯照射锌板，发现验电器的指针偏转，以下说法正确的是(　　)

A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带负电，指针带正电
C．锌板带正电，指针带正电
D．锌板带负电，指针带负电
3．[人教版选择性必修第三册P77T3改编]铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长为200 nm的光照射铝的表面(结果保留一位小数).
(1)求光电子的最大初动能．
(2)求遏止电压．

【关键能力·分层突破】
考点一　光电效应规律
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．

2．两条对应关系
(1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流饱和值大；
(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．
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：Ek＝eUc.
(3)逸出功与极限频率的关系W0＝hνc.

例1 [2022·重庆南岸模拟]如图所示，在研究光电效应的实验中，保持P的位置不变，用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转；改用另一频率的单色光b照射K，电流计的指针发生偏转，那么 (　　)

A．增加a的强度一定能使电流计的指针发生偏转
B．用b照射时通过电流计的电流由d到c
C．只增加b的强度一定能使通过电流计的电流增大
D．a的波长一定小于b的波长
[解题心得]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

【跟进训练】
1.下表给出了一些金属材料的逸出功．
材料
铯
钙
镁
铍
钛
逸出功/10－19 J
3.0
4.3
5.9
6.2
6.6
现用波长为400 nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s)(　　)
A．2种　　　B．3种　　　C．4种　　　D．5种
2．[2021·郑州一模](多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量．下列说法正确的是(　　)
A．若νa>νb，则一定有Ua<Ub
B．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb
C．若Ua<Ub，则一定有Eka<Ekb
D．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb

考点二　光电效应的图像分析
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

①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0＝|－E|＝E
③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

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
④逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值与电荷量的乘积Ume
颜色不同时，光电流与电压的关系

①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系

①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标
②饱和光电流Im1、Im2：光电流的最大值
③最大初动能：Ek＝eUc

例2 如图甲所示为研究光电效应的实验装置，电源和电表的正负极可以对调，某同学选用a、b、c三束不同的单色光分别照射同一光电管，发现光电流与电压的关系图像如图乙所示，下列说法正确的是(　　)

A．三束光的频率关系为νa>νb>νc
B．单位时间内产生的光电子数的关系为na>nb>nc
C．用a、b、c三束光照射时，逸出光电子的最大初动能的关系为Ekb>Eka>Ekc
D．用a、b、c三束光照射时，逸出光电子的动能大小一定为Ekb>Ekc>Eka

【跟进训练】
3.(多选)与光电效应有关的四个图像如图所示，下列说法正确的是(　　)

A.根据图甲装置，若先让锌板带负电，再用紫外线照射锌板，则验电器的张角可能变小
B．根据图乙可知，黄光越强，则饱和电流越大，说明光子的能量与光强有关
C．由图丙可知，ν2为该金属的截止频率
D．由图丁可知E等于该金属的逸出功
[解题心得]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

考点三　光的波粒二象性　物质波
1．对光的波粒二象性的理解
(1)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．
(2)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，贯穿本领越强．越不容易看到光的干涉和衍射现象．
(3)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．
(4)波动性与粒子性的统一
由光子的能量E＝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：表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有描述波动性的物理量——频率ν和波长λ.
2．概率波与物质波
(1)概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波是一种概率波．
(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为普朗克常量．

【跟进训练】
4.(多选)为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相机底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是 (　　)
A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样
B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样
C．大量光子的运动显示光的波动性
D．光只有波动性没有粒子性
5．下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是(　　)
A．任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波
B．X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，是因为宏观物体的波长太大

第十五章　原子结构和波粒二象性　原子核
第1讲　光电效应　波粒二象性
必备知识·自主排查
一、
1．电子
2．(1)反向　(2)最小　(3)最大值
3．(1)低于　(2)最大初动能　增大　(3)瞬时的　无　(4)正
二、
1．光子　hν
2．最小值
3．(1)hν－W0　(2)最大初动能
三、
1．(1)波动　(2)粒子　(3)波粒二象
2．(1)大　小　(2)hp
教材拓展
1．答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
2．解析：本题考查光电效应，用紫外线灯照射锌板，有电子逸出，所以锌板带正电，验电器指针与锌板连接，同样带正电．所以C正确，A、B、D错误．
答案：C
3．解析：(1)Ek＝hcλ－W0＝2.0 eV；
(2)由－eU＝0－Ek，解得U＝2.0 V.
答案：(1)2.0 eV　(2)2.0 V
关键能力·分层突破
例1　解析：用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转，说明a光的频率小于阴极K的截止频率，增加a的强度也无法使电流计的指针发生偏转，A错误；电子运动方向从d到c，电流方向从c到d，B错误；只增加b的强度可以使光电流增大，使通过电流计的电流增大，C正确；b光能使阴极K发生光电效应，b光的频率大于阴极K的截止频率也就大于a光的频率，b的波长一定小于a的波长，D错误．
答案：C
1．解析：要发生光电效应，则入射光的能量要大于金属的逸出功，由题可算出波长为400 nm的光的能量为E＝hν0＝hcλ0＝6.63×10－34×3.0×108400×10-9 J＝4.97×10－19 J，大于铯和钙的逸出功，所以A选项正确．
答案：A
2．解析：设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误．
答案：BC
例2　解析：由eU＝Ek＝hν－W0可知三束光的频率关系为νb>νc>νa，光电子逸出时最大初动能的关系为Ekb>Ekc>Eka，在某种光的照射下逸出的光电子的动能介于0与最大初动能之间，故A、C、D错误；饱和光电流越大，说明单位时间内产生的光电子数越多，即na>nb>nc，故B正确．
答案：B
3．解析：紫外线照射锌板能发生光电效应，锌板带正电，若先让锌板带负电，则验电器张角有可能变小，选项A正确．光子的能量只与频率有关，选项B错误；最大初动能Ek＝hν－W0，eUc＝Ek，所以Uc＝heν－W0e，因此丙图中νc为截止频率，选项C错误．图丁中的E等于该金属的逸出功，选项D正确．
答案：AD
4．解析：使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现双缝干涉图样，如果时间很短，少量光子到达底片上，由于光波是概率波，光子的行为是随机的，则底片上不会出现双缝干涉图样，故A正确，B错误；光波是一种概率波，光子落在光屏上各点的概率是不同的．单个光子通过双缝后打在底片上的情况呈现出随机性，大量光子通过双缝后打在底片上的情况呈现出规律性．所以个别光子的运动体现粒子性，大量光子的运动体现波动性，故C正确；光既具有波动性又具有粒子性，故D错误．
答案：AC
5．解析：只有运动的物体才具有波动性，A错误；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B错误；电子是实物粒子，它的衍射能证实物质波的存在，C正确；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，D错误．
答案：C