1第十一章第十一章 近代物理初步近代物理初步第 1 节波粒二象性(1)光子和光电子都是实物粒子。()(2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。()(3)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。()(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。()(5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。()(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律。()(7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性。()(8)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性。()突破点(一) 对光电效应的理解1与光电效应有关的五组概念对比(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属2表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。光子是光电效应的因，光电子是果。(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。(3)光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。(5)光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。2光电效应的研究思路(1)两条线索：(2)两条对应关系：光强大光子数目多发射光电子多光电流大光子频率高光子能量大光电子的最大初动能大题点全练1多选关于光电效应，下列说法正确的是( )A发生光电效应时，光电子的最大初动能一定等于金属的逸出功B一般而言，用给定的单色光照射不同的金属，若都能发生光电效应，则光电子的最大初动能不同C用不同频率的单色光照射同一金属，若都能发生光电效应，则光电子的最大初动能不同D用单色光照射某金属没有发生光电效应，增加该单色光的强度，有可能发生光电效应解析：选 BC 根据光电效应方程EkmhW0知，发生光电效应时，光电子的最大初动能不一定等于金属的逸出功，故 A 错误；不同的金属逸出功不同，根据光电效应方程EkmhW0知，用给定的单色光照射不同的金属，若都能发生光电效应，则光电子的最大初动能不同，故 B 正确；根据光电效应方程EkmhW0知，用不同频率的单色光照射同一3金属，若都能发生光电效应，则光电子的最大初动能不同，故 C 正确；能否发生光电效应与入射光的强度无关，故 D 错误。2多选(2017海南高考)三束单色光 1、2 和 3 的波长分别为1、2和3(123)。分别用这三束光照射同一种金属。已知用光束 2 照射时，恰能产生光电子。下列说法正确的是( )A用光束 1 照射时，不能产生光电子B用光束 3 照射时，不能产生光电子C用光束 2 照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多D用光束 2 照射时，光越强，产生的光电子的最大初动能越大解析：选 AC 依据波长与频率的关系：，因123，那么c 123；由于用光束 2 照射时，恰能产生光电子，因此用光束 1 照射时，不能产生光电子，而光束 3 照射时，一定能产生光电子，故 A 正确，B 错误；用光束 2 照射时，光越强，单位时间内产生的光电子数目越多，而由光电效应方程：EkmhW，可知，光电子的最大初动能与光的强弱无关，故 C 正确，D 错误。3多选在演示光电效应的实验中，原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连，用蓝色弧光灯照射锌板时，验电器的指针张开了一个角度，如图所示，则( )A验电器指针带正电B验电器指针带负电C改用紫色弧光灯照射锌板时，原来不带电的验电器的指针能张开一个角度D改用黄色弧光灯照射锌板时，只要光足够强，原来不带电的验电器的指针一定能张开一个角度解析：选 AC 锌板在弧光灯照射下，发生光电效应，有光电子逸出，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，导致指针带正电，故 A 正确，B 错误；改用紫色弧光灯照射锌板时，紫光频率大于蓝光，那么原来不带电的验电器，其指针会张开一个角度，故 C 正确；当增大光的强度，而光的频率不变，能量不变，黄光的频率小于蓝光的频率，根据光电效应方程可知，原来不带电的验电器的指针一定不会张开一个角度，故 D 错误。突破点(二) 爱因斯坦的光电效应方程及应用1三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程EkhW0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即EkeUc，其中Uc是遏4止电压。(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率c的关系是W0hc。2四类图像图像名称图线形状读取信息最大初动能Ek与入射光频率的关系图线截止频率(极限频率)：图线与轴交点的横坐标c逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0|E|E普朗克常量：图线的斜率kh遏止电压Uc与入射光频率的关系图线截止频率c：图线与横轴的交点遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即hke。(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遏止电压Uc：图线与横轴的交点饱和光电流Im：电流的最大值最大初动能：EkmeUc颜色不同时，光电流与电压的关系遏止电压Uc1、Uc2饱和光电流最大初动能Ek1eUc1，Ek2eUc2典例 (2018泰州三模)一光电管的阴极K用截止频率为的金属铯制成，光电管阳极A和阴极K之间的正向电压为U。用波长为的单色光射向阴极，产生了光电流。已知普朗克常量为h，电子电荷量为e，真空中的光速为c。求：(1)金属铯的逸出功W；(2)光电子到达阳极的最大动能Ek。解析 (1)金属铯的逸出功Wh。(2)根据光电效应方程知，光电子的最大初动能EkmhWhh，c c 根据动能定理得，eUEkEkm，解得光电子到达阳极的最大动能EkeUEkmeUhh。c 5答案 (1)h (2)eUhhc 易错提醒 应用光电效应方程时的注意事项1每种金属都有一个截止频率，入射光频率大于这个截止频率时才能发生光电效应。2截止频率是发生光电效应的最小频率，对应着光的极限波长和金属的逸出功，即hchW0。c c3应用光电效应方程EkhW0时，注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1 eV1.61019 J)。集训冲关1.多选(2018南通期末)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图像，由图像可知( )A该金属的逸出功等于EB该金属的逸出功等于h0C入射光的频率为 20时，产生的光电子的最大初动能为 3ED入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为0 2E 2解析：选 AB 根据光电效应方程有：EkhW其中W为金属的逸出功：Wh0所以有：Ekhh0，由此结合图像可知，该金属的逸出功为E，或者Wh0，故A、B 正确；当入射光的频率为 20时，代入方程可知产生的光电子的最大初动能为E，故C 错误；若入射光的频率为时，小于极限频率，不能发生光电效应，故 D 错误。0 22多选如图甲所示，在光电效应实验中，某同学用相同频率的单色光，分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管，结果都能发生光电效应。图乙为其中一个光电管的遏止电压Uc随入射光频率变化的函数关系图像。对于这两个光电管，下列判断正确的是( )A因为材料不同逸出功不同，所以遏止电压Uc不同B光电子的最大初动能不同C因为光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，饱和光电流也可能相同D两个光电管的Uc图像的斜率可能不同解析：选 ABC 根据光电效应方程有 EkmhW06根据能量守恒定律得：eUcEkm联立得：eUchW0即 Uc，可知入射光的频率相同，逸出功W0不同，则遏止电压Uc也不同，故h eW0 eA 正确；根据光电效应方程EkmhW0得，相同的频率，不同的逸出功，则光电子的最大初动能也不同，故 B 正确；虽然光的频率相同，但光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，而饱和光电流可能相同，故 C 正确；由Uc，可知，Uc图像的斜h eW0 e率 k 常数，所以两个光电管的Uc图像的斜率一定相同，故 D 错误。h e3多选(2018镇江模拟)含有光电管的电路如图(a)所示，(b)图是用甲、乙、丙光照射光电管得到的IU图线，Uc1、Uc2表示遏止电压，下列说法正确的是( )A(a)图中光电管两端的电压为反向电压B甲、乙光的频率相等C甲光照射时光电子的最大初动能比乙光照射时光电子的最大初动能大D若氢原子从n6 能级向n1 能级跃迁时辐射出的光不能使此光电管发生光电效应，则氢原子从n6 能级向n2 能级跃迁时辐射出的光也不能使此光电管发生光电效应解析：选 BD 由电路图可知，逸出的光电子在电场力作用下做正功，则光电管两端电压为正向电压，故 A 错误； 当光电流为零时，光电管两端加的电压为遏止电压，对应的光的频率为截止频率，根据eUhW，入射光的频率越高，对应的遏止电压U越大。甲、乙两光的遏止电压相等，所以甲、乙两光的频率相等，故 B 正确，C 错误；若氢原子从n6 能级向n1 能级跃迁时辐射出的光不能使此光电管发生光电效应，说明辐射的光子能量仍小于金属的逸出功，当氢原子从n6 能级向n2 能级跃迁时辐射出的光更小于金属的逸出功，也不能使此光电管发生光电效应，故 D 正确。突破点(三) 对波粒二象性的理解1对光的波动性和粒子性的进一步理解光的波动性光的粒子性实验基础干涉和衍射光电效应、康普顿效应7表现光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述大量的光子在传播时，表现出光的波动性当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质少量或个别光子容易显示出光的粒子性说明光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的光的波动性不同于宏观观念的波粒子的含义是“不连续” 、 “一份一份”的光子不同于宏观观念的粒子2波动性和粒子性的对立与统一(1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性。(2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强。(3)光子说并未否定波动说，Eh中，和就是波的概念。hc (4)波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的。3物质波(1)定义：任何运动着的物体都有一种波与之对应，这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。(2)物质波的波长： ，h是普朗克常量。h ph mv题点全练1多选2017 年 1 月，我国“墨子号”量子科学实验卫星正式进入应用研究。在量子理论中，有共同来源的两个微观粒子，不论它们相距多远，它们总是相关的，一个粒子状态的变化会立即影响到另一个粒子，这就是所谓的量子纠缠。关于量子理论，下列说法中正确的有( )A玻尔氢原子理论，第一次提出了能量量子化的观念B爱因斯坦研究光电效应提出光子说，光子说属于量子理论的范畴C量子理论中，实物粒子具有波粒二象性D微观粒子在受力状况和初速度确定的前提下，可以确定它此后运动状态和位置解析：选 BC 普朗克