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2014届高考一轮复习:X3-5-3 光电效应 波粒二象性


(对应学生用书P265) 一、光电效应 1.产生条件

入射光的频率 大于 金属的极限频率.

2.光电效应规律
大于 (1) 每 种 金 属 都 有 一 个 极 限 频 率 , 入 射 光 的 频 率 必 须

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10-9 s. (4)当入射光的频率大于极限频率时,饱和光电流的强度

与入射光的强度成 正比 .

(1)对光电效应现象的三点说明

①光电效应的实质是光现象转化为电现象.
②光电效应中的照射光包括可见光和不可见光. ③照射光的频率决定着是否发生光电效应及光电子的最 大初动能. (2)对光电子的理解

光电子是金属表面受光照射逸出的电子,光电子也是电
子,与光子不同,光子的本质是光.

二、光电效应方程
1.光子说 爱因斯坦提出:空间传播的光不是连续的,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:E=hν,其中h=6.63×10-34 J·s. 2.爱因斯坦光电效应方程 Ek=hν-W0(Ek是光电子的最大初动能;W0是逸出功,即

从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功).

3.对光电效应规律的解释
对应规律 光电子的最大 初动能随着入 射光频率的增 大而增大,与 入射光强度无 关 效应具有瞬时 性 光较强时饱和 电流大 对规律的产生的解释 电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作 用做功,剩余部分转化为光电子的初动 能,只有直接从金属表面飞出的光电子才 具有最大初动能,对于确定的金属,W0是 一定的,故光电子的最大初动能只随入射 光的频率增大而增大 光照射金属时,电子吸收一个光子的能量 后,动能立即增大,不需要能量积累的过 程 光较强时,包含的光子数较多,照射金属 时产生的光电子较多,因而饱和电流较大

三、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,称为光的 波粒二象 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, 大 亮条纹是光子到达概率 的地方,暗条纹是光子到达概率

小 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
h p

有一种波与它对应,其波长λ=
h为普朗克常量.

,p为运动物体的动量,

(对应学生用书 P266)

1.光电效应规律的解释
电子从金属表面逸出,首先需克服金属 原子核的引力做功 W0, 要使入射光子能 存在极限 W0 频率 量不小于 W0,对应的频率 νc= ,即 h 极限频率

光电子的最 大初动能随 着入射光频 率的增大而 增大,与入 射光强度无 关

电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用 做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只 有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大 初动能,对于确定的金属,W0是一定的,故 光电子的最大初动能只随入射光的频率增大 而增大,一个电子只能吸收一个光子,故光 电子最大初动能与光照强度无关

光电效应具 光照射金属时,电子吸收一个光子的能量 有瞬时性(10 后,动能立即增大,不需要能量积累的过程 -9 s) 光较强时饱 光较强时光子数较多,照射金属时,产生的 和电流大 光电子较多,因而饱和电流较大

2.用光电管研究光电效应 (1)常见电路

(2)光电流与饱和电流
①入射光强度:指单位时间内入射到金属表面单位面积 上的能量,可以理解为频率一定时,光强越大,光子数越 多. ②光电流:指光电子在电路中形成的电流.光电流有最 大值,未达到最大值以前,其大小和光强、电压都有关,达 到最大值以后,光电流和光强度成正比.

③饱和电流:指在一定频率与强度的光照射下的最大光
电流,饱和电流不随电路中电压的增大而增大.

(3)两条分析线索
①通过频率分析:光子频率高→光子能量大→产生光电 子的最大初动能大. ②通过光的强度分析:入射光强度大→光子数目多→产 生的光电子多→光电流大. (4)常见概念辨析

(2012· 河北唐山高三一模)用强度相同的红光和蓝光分别照 射同一种金属,均能使该金属发生光电效应.下列判断正确的 是 ( )

A.用红光照射时,该金属的逸出功小,用蓝光照射时该 金属的逸出功大 B.用红光照射时,该金属的截止频率低,用蓝光照射时 该金属的截止频率高

C.用红光照射时,逸出光电子所需时间长,用蓝光照射
时逸出光电子所需时间短 D.用红光照射时,逸出的光电子最大初动能小,用蓝光 时逸出的光电子最大初动能大

[尝试解答]

金属的逸出功只与金属本身的结构有关,因

W 而逸出功相同,金属的截止频率 ν= 相同,逸出光电子所需 h 时间相等,选项 A、B、C 错误;由爱因斯坦光电效应方程 Ek =hν-W0 可知,频率高的光照射时,逸出的光电子最大初动能 大;蓝光的频率高于红光的频率,用蓝光照射时逸出的光电子 最大初动能大,选项 D 正确.
[答案] D

(2012·福建福州八中高三上学期质检)用光照射某种金

属,有光电子从金属表面逸出,如果光的频率不变,而减弱
光的强度,则 ( )

A.逸出的光电子数减少,光电子的最大初动能不变 B.逸出的光电子数减少,光电子的最大初动能减小 C.逸出的光电子数不变,光电子的最大初动能减小

D.光的强度减弱到某一数值,就没有光电子逸出了
[答案] A

光电效应的图象描述

图象

(1)极限频率:图线与ν轴 交点的横坐标的值νc 描 (2)逸出功:图线与Ek轴 述 交点的纵坐标的值W0=E (3)普朗克常量:图线的 斜率k=h

(1)遏止电压:图线 与U轴交点的横坐 标的值Uc (2)极限频率:满足 hνc=eUc

如图(甲),合上开关,用光子能量为 2.5 eV 的一束光照射 阴极 K,发现电流表读数不为零.调节滑动变阻器,发现当电 压表读数小于 0.60 V 时,电流表读数仍不为零,当电压表读数 大于或等于 0.60 V 时,电流表读数为零.把电路改为图(乙), 当电压表读数为 2 V 时,则逸出功及电子到达阳极时的最大动 能为 ( )

A.1.5 eV
C.1.9 eV [思路启迪]

0.6 eV
2.6 eV

B.1.7 eV
D.3.1 eV

1.9 eV
4.5 eV

(1)利用动能定理和光电效应方程求解.

(2)变化的量有加速电场的电压、到达阳极的光电子的最 大动能,不变的量有入射光的能量、K极的逸出功、射出的光 电子的最大初动能,可以根据动能定理求解光电子到达阳极 时的最大动能.

[尝试解答] 用光子能量 hν=2.5 eV 的光照射阴极,电流 表读数不为零,则能发生光电效应,当电压表读数大于或等于 0.60 V 时,电流表读数为零,则电子不能到达阳极, 1 2 由动能定理 eU= mv m知, 2 最大初动能 Ek=eU=0.6 eV, 由光电效应方程 hν=Ek+W0 知 W0=1.9 eV, 对图(乙)当电压表读数为 2 V 时,电子到达阳极的最大动 能 Ek′=Ek+eU′=0.6 eV+2 eV=2.6 eV.故 C 正确.
[答案] C

该题在分析光电管两端的电压时容易出错.主要是因对

滑动变阻器的分压接法理解不透,对电源极性的接法观察不
细造成的.

如右图所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5 eV的一

束光照射阴极P,发现电流表读数不为零.合上开关,调节滑
动变阻器,发现当电压表读数小于0.60 V时,电流表读数仍不 为零;当电压表读数大于或等于0.60 V时,电流表读数为零. (1)求此时光电子的最大初动能的大小; (2)求该阴极材料的逸出功.

[解析]

设用光子能量为2.5 eV的光照射时,光电子的最

大初动能为Ek,阴极材料逸出功为W0, 当反向电压达到Uc=0.60 V以后,具有最大初动能的光电 子也达不到阳极,因此eUc=Ek 由光电效应方程知Ek=hν-W0 由以上二式得Ek=0.6 eV,W0=1.9 eV. [答案] (1)0.6 eV (2)1.9 eV

1.粒子的波动性:实物粒子也具有波动性,满足如下关系: ε h ν= 和 λ= ,这种波称为德布罗意波,也叫物质波. h p

2.光的波粒二象性
光既有波动性,又有粒子性,两者不是孤立的,而是有 机的统一体,其表现规律为: (1)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)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.
(3)光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作 用时,往往表现为粒子性.

关于物质的波粒二象性,下列说法中不正确的是 (

)

A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波 粒二象性 B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时, 都没有特定的运动轨道 C.波动性和粒子性,在宏观现象中是矛盾的、对立的, 但在微观高速运动的现象中是统一的 D.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象 性

[尝试解答]

光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规

律,大量光子运动的规律表现出光的波动性,而单个光子的 运动表现出光的粒子性.光的波长越长,波动性越明显,光 的频率越高,粒子性越明显.而宏观物体的德布罗意波的波 长太小,实际很难观察到波动性,不是不具有波粒二象性.D 项正确. [答案] D

(2012·安阳二模)如右图所示,用单色光做双缝干涉实 验,P处为亮条纹,Q处为暗条纹.不改变单色光的频率,而 调整光源使其极微弱,并把单缝调至只能使光子一个一个地 过去,那么过去的某一光子 A.一定到达P处 B.一定到达Q处 C.可能到达Q处 D.都不正确 ( )

[解析]

单个光子的运动没有确定的轨道,只是落在P处

的概率大,落在Q处的概率小.因此,一个光子从狭缝通过后 可能落在P处也可能落在Q处,故C正确. [答案] C

(对应学生用书 P268) 易错点:对光电效应现象以及结论不理解,不能利用爱因 斯坦光电效应方程计算 在光电效应实验中,飞飞同学用同一光电管在不同实验条 件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙 光),如图所示.则可判断出 ( )

A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长 C.乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大 初动能 [易错分析] 不明白光电流与电压之间的关系,不知道截

止电压的含义,错选C项;不能根据题干所给的图象,求出三

种色光频率的关系,错选A项.

[正确解答]

本题考查爱因斯坦光电效应方程的应用,及

对截止频率、最大初动能等概念的理解. 根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hυ-W0 ,由截止电压定 义可知,hυ0 =W0 =eUc,结合题意与图象可以判断,W0 相 同,Uc1>Uc2则三种色光的频率为υ甲=υ乙<υ丙,同时判断甲光 对应光电子的最大初动能小于丙光对应光电子的最大初动 能,AD项错误;由υ=知,λ甲=λ乙>λ丙,B项正确;同一光电

管,截止频率相等,C项错误.答案为B.

(2011·福建)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释 光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖.某种金属逸 出光电子的最大初动能Ekm 与入射光频率υ的关系如图所示, 其中υ0 为极限频率.从图中可以确定的是________.(填选项 前的字母) A.逸出功与υ有关

B.Ekm与入射光强度成正比
C.当υ<υ0时,会逸出光电子 D.图中直线的斜率与普朗克常量有关

[解析]

金属的逸出功由金属本身决定,与入射光的频率

无关,A错;由Ekm =hυ-hυ0 可知,Ekm 与入射光的频率有 关,与入射光的强度无关,B错;当入射光的频率小于极限频 率时不会发生光电效应,不会逸出光电子,C错;由Ekm=hυ -hυ0可知图线的斜率与普朗克常量有关,D对.答案为D. [答案] D

(对应学生用书P268) 1.(2012·河北保定检测)从光的波粒二象性出发,下列说 法正确的是 ( )

A.光是高速运动的微观粒子,每个光子都具有波粒二象
性 B.光的频率越高,光子的能量越小 C.在光的干涉现象中,暗条纹的地方是光子不会到达的 地方

D.在光的干涉现象中,亮条纹的地方是光子到达概率最
大的地方 [解析] 光具有波粒二象性,波动性是对大量光子来说

的,单个光子表现出粒子性.光的频率越高,光子的能量越 大,A、B错误;在干涉条纹中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,C错,D正确. [答案] D

2.(2012·徐州检测)关于光电效应,下列说法正确的是
( A.极限频率越大的金属材料逸出功越大 B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效 应 C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大,这种金 属的逸出功越小 )

D.入射光的光强一定时,频率越高,单位时间内逸出的
光电子数就越多

[解析]

由W=hν可知A正确.照射光的频率大于极限频

率时才能发生光电效应,即B错;由Ek=hν-W可知C错;单 位时间内逸出的光电子数与频率无关 ,取决于入射光的强 度,故D错. [答案] A

3.(2012·浙江东阳月考)用频率为ν1的单色光照射某种金
属表面,发生了光电效应现象.现改为频率为ν2的另一单色光 照射该金属表面,下面说法正确的是 A.如果ν2>ν1,能够发生光电效应 B.如果ν2<ν1,不能够发生光电效应 C.如果ν2>ν1,逸出光电子的最大初动能增大 D.如果ν2>ν1,逸出光电子的最大初动能不受影响 ( )

[解析]

对一定的金属,入射光的频率必须大于或等于某

一频率ν时才会产生光电效应,频率ν称为截止频率,如果入射 光的频率低于截止频率ν,则不论光强多大,照射时间多长, 都不会产生光电效应,不同的金属有不同的截止频率.所以 当ν2>ν1 时能够发生光电效应,ν2<ν1 时不一定能够发生光电效 应,A正确,B错误;又光电子的初动能随着入射光频率的增 加而线性增加,所以当ν2>ν1时逸出光电子的初动能增大,C正

确,D错误.
[答案] AC

4.(2012·启东模拟)如图所示的实验电路,当用黄光照射
光电管中的金属涂层时,毫安表的指针发生了偏转.若将电 路中的滑动变阻器的滑片P向右移动到某一位置时,毫安表的 读数恰好减小到零,此时电压表读数为U.若此时增加黄光照 射的强度,则毫安表________(填“有”或“无”)示数.若改 用 蓝 光 照 射 光 电 管 中 的 金 属 涂 层 , 则 毫 安 表 ________( 填 “有”或“无”)示数.

[解析]

光电效应的原理是当有频率足够大的光照射到金

属表面时,将会使金属中的电子获得足够能量而从表面逸 出,逸出的电子向另一极板定向移动而形成电流.当增加黄 光的强度时,不能增加光电子的最大初动能.故毫安表无示 数.当改用蓝光照射时,光电子的最大初动能增大,光电子 能到达A极,形成电流. [答案] 无 有

课时作业(四十七)


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