第35讲光电效应波粒二象性必备知识能力素养命题情境原子结构和波粒二象性黑体辐射、原子核式结构、粒子波动性和量子力学的建立知道实物粒子具有波动性,了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响1.关键能力:理解能力、推理论证能力、实验探究能力。2.核心素养(1)物理观念。原子的核式结构模型;放射性、原子核衰变、半衰期、比结合能;核裂变和核聚变;实物粒子的波动性,光的波粒二象性。本单元内容主要集中在光电效应与光的波动性,如折射、干涉等知识相结合的问题、玻尔原子能级结构及原子跃迁、三种射线的性质、衰变、核反应方程、核能等知识点必备知识能力素养命题情境原子结构和波粒二象性光电效应通过实验,了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性(2)科学思维。用原子核的结构模型解释与核物理有关的问题。分析光的波粒二象性,从数学函数的角度理解光电效应图像。能够利用粒子的弹性碰撞模型,解决原子核衰变的反冲问题。(3)科学态度与责任。了解人类探索原子及其结构的历史、人类对物质结构的探索历程。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响氢原子光谱和玻尔原子模型通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构必备知识能力素养命题情境原子核原子核的组成了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型放射性元素的衰变了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用,知道射线的危害与防护核力与结合能认识原子核的结合能,了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程核裂变与核聚变了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响“基本”粒子备考策略:近几年的选考试题对这部分知识的考查一般出现在选择题中,多选题居多。主要考查光电效应、原子模型、原子结构和原子核相关知识及应用,主要体现在以下几方面:(1)利用玻尔氢原子模型计算光子能量,再结合光电效应、干涉、衍射等知识点进行考查;(2)考查核反应方程的正确性;(3)几种放射性射线的特点,半衰期的理解;(4)相关概念和细碎知识点的考查,如物理学史、结合能和比结合能、核反应堆等。由于考查范围和题型的相对稳定,“考课本,不回避陈题”成了该部分选考题的最大特点,预计上述知识点仍然是今后本部分选考试题的重点。此外,还应注意这部分知识与生产、生活以及高科技相联系的问题。试题综合程度高、难度大,是考生的重要发力点落实基础主干落实基础主干一、热辐射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的温度不同而有所不同。2.黑体(1)定义:某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就叫作黑体。(2)黑体辐射特点: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。二、能量子1.定义:普朗克认为,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍,这个不可再分的最小能量值叫作能量子。2.能量子大小:=h,其中是电磁波的频率,h称为普朗克常量,其值为h=6.62610-34Js。3.能量的量子化:普朗克的假设认为微观粒子的能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。三、光电效应及其规律1.光电效应现象:在光的照射下,金属中的电子从金属表面逸出的现象,称为光电效应,发射出来的电子称为光电子。2.光电效应的四个规律(1)每种金属都有一个截止频率。(2)当频率超过截止频率的光照射到金属表面时,光电效应几乎是瞬时发生的。(3)光电子的最大初动能与入射光的强弱无关,只随入射光频率的增大而增大。(4)在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。3.遏止电压与截止频率(1)遏止电压:使光电流减小到零的反向电压Uc。(2)截止频率:能使某种金属发生光电效应的最小频率叫作该种金属的截止频率。不同金属的截止频率不同。四、爱因斯坦光电效应方程1.光子说:光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为的光的能量子为h,h为普朗克常量。这些能量子后来被叫作光子。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(1)表达式:Ek=h-W0。(2)物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能量的一部分用来提供金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。五、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.物质波每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量和动量p跟它所对应的波的频率和波长的关系为。这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波,也叫物质波。练一练1.判断下列说法对错(1)热辐射只能产生于高温物体。()(2)温度越高,黑体辐射电磁波的强度越大。()(3)只要入射光足够强,就可以使金属发生光电效应。()(4)电子枪发射电子的现象就是光电效应。()(5)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。()(6)光电效应方程Ek=h-W0中,为入射光子的频率,而不是金属的截止频率。()(7)不同的金属一定对应着相同的截止频率。()2.(教材选择性必修第三册第71页问题改编)(多选)如图所示,用导线把不带电的验电器与锌板相连接,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是()A.有光子从锌板逸出B.有电子从锌板逸出C.验电器指针张开一个角度D.锌板带负电BC解析用紫外线照射锌板时,锌板里的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出,称之为光电子,故A错误,B正确;锌板失去电子带正电,验电器与锌板相连,带有相同电性的电荷,验电器指针张开一个角度,故C正确,D错误。3.关于量子理论建立的历史进程,下列说法正确的是()A.玻尔认为氢原子中的电子轨道是量子化的,但原子的能量不是量子化的B.根据德布罗意物质波理论,相同速度的电子与质子相比,电子的波长较短C.普朗克为了解释黑体辐射实验结果,提出了黑体辐射的能量是一份一份的量子理论D.爱因斯坦指出光是由一个个不可分割的能量子组成的,光在传播过程中表现为粒子性C解析玻尔认为氢原子中的电子轨道、能量都是量子化的,故A错误;由德布罗意物质波理论,可知粒子的动量跟它所对应波的波长的关系为相同速度的电子与质子相比,电子的质量较小,其波长较长,故B错误;普朗克为了解释黑体辐射实验结果,提出了黑体辐射的能量是一份一份的量子理论,故C正确;光在传播过程中表现为波动性,故D错误。突破命题视角突破命题视角考点一能量量子化考点一能量量子化考向1能量子典例1下列关于能量量子化的说法正确的是()A.爱因斯坦最早提出了能量量子化假说B.普朗克认为微观粒子能量是连续的C.频率为的光的能量子为hD.电磁波波长越长,其能量子越大C解析能量量子化假说是由普朗克最早提出来的,故A错误;根据普朗克能量量子化假说,微观粒子的能量不连续,故B错误;能量子的能量,所以电磁波波长越长,其能量子越小,故C正确,D错误。考向2黑体辐射典例2如图是黑体的辐射强度与波长的关系图像,下列说法正确的是()A.温度越高,黑体辐射的电磁波的波长越长B.温度越高,辐射强度的极大值向波长较长的方向移动C.黑体的辐射强度按波长的分布与材料的表面状况有关D.普朗克通过对黑体辐射的研究,提出了能量子的概念D解析温度越高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,黑体辐射的电磁波波长并不是越长,A、B错误;一般物体的辐射强度除与温度有关外,还与物体的材料及表面状况有关,但黑体的辐射强度按波长的分布只与黑体的温度有关,C错误;普朗克通过对黑体辐射的研究,提出了能量子的概念,D正确。考点二对光电效应的理解考点二对光电效应的理解1.对光电效应的四点提醒(1)能否发生光电效应,不取决于光的强弱而取决于光的频率。(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)光的强度大光子数目多发射光电子多光电流大。(2)光的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.定量分析时应抓住三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=h-W0。(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。(3)逸出功与截止频率的关系:W0=hc。典例(2023浙江Z20名校联盟模拟)用如图所示的光电管研究光电效应的规律,分别用a、b、c三束单色光照射图中的光电管阴极K,先将开关S接1,调节滑动变阻器的滑片位置,使电流表G的示数达到最大值Ia、Ib、Ic,读数大小IcIaIb;然后将开关S接2,再次调节滑动变阻器的滑片位置,使电流表G的指针示数恰好为零,记录三种情况下电压表的示数Ua、Ub、Uc。读数大小UaUb=Uc,则以下判断不正确的是()A.三种光的频率一定大于阴极K的截止频率B.c光的强度一定大于b光的强度C.a光的频率一定大于b光的频率D.a光照射光电管逸出光电子的动能一定大于b光照射光电管逸出光电子的动能D解析由题意可知,三种光都能产生光电效应,由产生光电效应的条件可知,三种光的频率一定大于阴极K的截止频率,A正确,不符合题意;由题意可知,最大光电流IcIaIb,由于照射光频率一定时,最大光电流仅与光的强弱有关,因此c光的强度一定大于b光的强度,B正确,不符合题意;由题意可知,遏止电压UaUb=Uc,由动能定理可得,可知a光照射时,射出光电子的最大初动能最大,由光电效应方程Ek=h-W0可知,a光的频率一定大于b光的频率,C正确,不符合题意;由C选项分析可知,a光照射光电管阴极K,逸出光电子的最大初动能一定大于b光照射光电管逸出光电子的最大初动能,可a光照射光电管逸出光电子的动能不一定大于b光照射光电管逸出光电子的动能,D错误,符合题意。变式练光电效应实验的电路如图所示,关于实验规律,下列说法正确的是()A.在光照条件一定的情况下,光电流随滑片P向b端移动一直增大B.无论入射光的频率如何,只要光足够强,就一定能发生光电效应C.只要入射光的频率足够大,即使不加电压,也会有光电流产生D.入射光越弱,发生光电效应所需的时间就越长C解析滑片P向b端移动,光电管两端的正向电压增大,光电流增大,当光电流达到饱和电流时电流不再增大,A错误;根据光电效应的条件可知,只有入射光的频率大于金属的截止频率,才能产生光电效应,B错误;只要入射光的频率足够大,根据光电效应方程,则光电子的初动能就够大,即使不加电压,也会有光电流产生,C正确;光电效应的发生具有瞬时性,与入射光的强弱无关,D错误。考点三光电效应的图像问题考点三光电效应的图像问题图像名称图线形状由图线得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率的关系图像截止频率:图线与轴交点的横坐标c。逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值,即W0=|-E|=E。普朗克常量:图线的斜率k=h图像名称图线形状由图线得到的物理量颜色相同、强度不同的光,光电流I与电压U的关系图像遏止电压:图线与横轴的交点的横坐标Uc。饱和光电流:光电流的最大值Im1、Im2。最大初动能:Ek=eUc光的颜色不同时,光电流I与电压U的关系图像遏止电压Uc1、Uc2饱和光电流最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2图像名称图线形状由图线得到的物理量遏止电压Uc与入射光频率的关系图像截止频率:图线与横轴的交点的横坐标c。遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大。普朗克常量:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke(注:此时光电管两极之间接反向电压)典例(2023浙江兰溪一中模拟)图甲是光电管发生光电效应时,光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图像,图线与横轴的交点坐标为(a,0),与纵轴的交点坐标为(0,-b)。用图乙所示的装置研究光电效应现象,闭合开关S,用频率为的光照射光电管时发生了光电效应。图丙