2020年高考物理一轮复习 第13章 近代物理初步 第59讲 光电效应 波粒二象性学案（含解析）

第59讲 光电效应 波粒二象性研读考纲明方向重读教材定方法(对应人教版选修35的页码及相关问题)1P31结合图17.22阅读“光电效应的实验规律”一段。从图17.23中各图线能得出什么规律？提示：由图可知，随着正向电压增大，光电流趋于饱和值，且光的颜色一定时(黄光)，光越强饱和光电流越大；加反向电压时，光电流逐渐减小到零，即存在遏止电压，且遏止电压与光的频率有关，与光的强度无关，频率越大，遏止电压越大。2P33思考与讨论推导Uc与、W0的关系。提示：由meveUc，EkhW0，Ekmev，联立得eUchW0。3P34例题体会由实验数据画出图象的方法，图17.24中图象的斜率、截距分别有什么物理意义？提示：由EkhW0，EkeUc得Uc，故Uc 图象的斜率为，令Uc0，得横截距c，即截止频率，纵截距即5.51014 Hz时的遏止电压。4P37阅读教材：哪些现象说明光具有粒子性？哪些现象说明光具有波动性？提示：粒子性：光电效应、康普顿效应；波动性：光的干涉、衍射、偏振。5P58图18.42思考：一群氢原子处于量子数为3的激发态时，可发出几种频率的光子？提示：3种6P69问题与练习T6，Cu里有多少质子？多少中子？提示：29个质子，37个中子。7P71阅读教材：衰变中出现的电子来源于哪里？提示：核内中子转化为一个质子和一个电子。8P73问题与练习T6，铋210的半衰期是5天，经过多少天后，20 g铋还剩1.25 g?提示：mm0，代入数据得t20天。9P82图19.53思考：重核裂变时比结合能变大还是变小？轻核聚变时呢？提示：都变大。第59讲光电效应波粒二象性考点一光电效应的实验规律和光电效应方程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，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。2光电效应的实验规律(1)存在着饱和光电流：即光照条件不变时，随着电压增大，光电流趋于一个饱和值。对于一定颜色(频率)的光，入射光越强，饱和光电流越大，即单位时间内发射的光电子数越多。(2)存在着遏止电压Uc：即存在使光电流减小到零的反向电压。这说明光电子有初速度且初速度的最大值vc满足meveUc。遏止电压只与光的频率有关，与光的强弱无关，这表明光电子的能量只与入射光的频率有关。(3)存在截止频率c：当入射光的频率小于截止频率c(又叫极限频率)时，不发生光电效应。不同金属的截止频率不同。(4)光电效应具有瞬时性：光照射到金属表面时，产生光电流的时间不超过109 s，即光电效应的发生几乎是瞬时的。3爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子。光子的能量为h，其中h是普朗克常量，其值为6.631034 Js。(2)光电效应方程：EkhW0。其中h为入射光的能量，Ek为光电子的最大初动能，即逸出光电子初动能的最大值；W0是金属的逸出功即电子从金属中逸出所需做功的最小值。4爱因斯坦光电效应方程对实验规律的解释(1)爱因斯坦光电效应方程表明光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关，而与光的强弱无关，即规律(2)。(2)只有当hW0时，才有Ek0，从而有光电子逸出，c就是光电效应的截止频率，即规律(3)。(3)频率一定的光，光较强时，单位时间照射的光子数较多，产生的光电子数较多，因而饱和光电流较大，即规律(1)。(4)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，即光电流几乎是瞬时产生的，即规律(4)。5几组重要概念的理解(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；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。(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作用而损失一部分能量，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，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。所以光的强度Inh，n是单位时间内照射到单位面积上的光子数。从此式可以看出饱和光电流正比于n，所以只有当光的频率一定时，饱和光电流与入射光强度成正比；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。1(多选)如图所示，用导线把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锌板带负电答案BC解析由于光电效应，在光的照射下锌板中的电子从锌板表面逸出，A错误，B正确；验电器与锌板相连，锌板因失去电子带正电，验电器指针张开一个角度，C正确，D错误。2教材母题(人教版选修35 P36T4)铝的逸出功是4.2 eV，现在将波长200 nm的光照射铝的表面。(1)求光电子的最大初动能。(2)求遏止电压。(3)求铝的截止频率。变式子题(多选)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2 mA。移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.8 V时，电流表读数为0，则()A光电管阴极的逸出功为2.4 eVB开关S断开后，电流表G示数不为0C光电子的最大初动能为0.8 eVD改用能量为2 eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小答案ABC解析该装置所加的电压为反向电压，发现当电压表的示数大于或等于0.8 V时，电流表示数为0，则光电子的最大初动能为0.8 eV，根据光电效应方程EkmhW0，W03.2 eV0.8 eV2.4 eV，故A、C项正确；用光子能量为3.2 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，有光电子逸出，开关S断开后，没有反向电压，则有电流流过电流表，故B项正确；改用能量为2 eV的光子照射，由于光子的能量小于逸出功，不能发生光电效应，无光电流，故D项错误。3(2017全国卷)(多选)在光电效应实验中，分别用频率为a、b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ab，则一定有Uab，则一定有EkaEkbC若UaUb，则一定有Ekab，则一定有haEkahbEkb答案BC解析光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eUEk，根据光电效应方程可知EkhW0，若ab，则EkaEkb，UaUb，选项A错误，选项B正确；若UaUb，则EkaEkb，选项C正确；由光电效应方程可得W0hEk，则haEkahbEkb，选项D错误。考点二光电效应的图象问题1光电效应实验装置(1)甲图是光电管正常工作的电路，光电流未达到最大值之前其大小与光强、电压有关，达到最大值后，光电流与光强成正比(频率一定)。(2)乙图是光电管加反向电压的电路图，可以研究光电管的遏止电压。2四类图象(2018南宁模拟)某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象，分别用a、b、c三束单色光照射图甲中的光电管的阴极，得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示，其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同，均为Ua，则下列论述正确的是()Aa、c两束光的光强相同Ba、c两束光的频率相同Cb光束光子的能量最小Db光束的波长最长，遏止电压最大解析由图可知，a、c两束光的遏止电压相同，则频率相同，a的饱和电流较大，因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量较大，光强较大，故A项错误，B项正确；根据eUhW，入射光的频率越高，对应的遏止电压U越大，所以b光的频率最大，能量最大，且对应的波长最短，故C、D项错误。答案B方法感悟研究光电效应的两条线索1爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了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与入射光频率的关系如图所示，其中c为极限频率。从图中可以确定的是()A逸出功与有关BEkm与入射光强度成正比C当c时，会逸出光电子D图中直线的斜率与普朗克常量有关答案D解析逸出功是由金属自身决定的，与无关，A错误。Ekm随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系，与入射光强度无关，B错误。当a，能发生光电效应，最大初动能Ekmh2aW0haEk，故B正确，A、C、D错误。5(多选)用某单色光照射金属钛表面，发生光电效应，从钛表面放出光电子的最大初动能与入射光频率的关系如图，则下列说法正确的是()A钛的逸出功为6.671019 JB钛的极限频率为1.01015 HzC光电子的最大初动能为1.01018 JD由图线可求得普朗克常量为6.671034 JsE光电子的最大初动能与入射光的频率成正比答案ABD解析根据光电效应方程EkhW0知，图线的斜率等于普朗克常量，则h Js6.671034 Js，故D正确；当光电子最大初动能为零时，入射光的频率等于金属的极限频率，则01.01015 Hz，可知逸出功W0h06.67103411015 J6.671019 J，故A、B正确；入射光的频率越大，光电子的最大初动能越大，根据该图无法得出光电子的最大初动能，故C错误；由图可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，不是正比关系，故E错误。6如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用波长0.50 m的绿光照射阴极K，实验测得流过表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h6.631034 Js。结合图象，求：(结果保留两位有效数字)(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能；(2)该阴极材料的极限波长。答案(1)4.01012 个9.61020 J(2)0.66 m解析(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数：n(个)4.01012(个)。光电子的最大初动能为：EkmeUc1.610190.6 J9.61020 J。(2)设阴极材料的极限波长为0，根据爱因斯坦光电效应方程：EkmhW0hh，代入数据得00.66 m。真题模拟练7(2018全国卷)用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.281019 J。已知普朗克常量为6.631034 Js，真空中的光速为3.00108 ms1，能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A11014 Hz B81014 HzC21015 Hz D81015 Hz答案B解析由光电效应方程EkhW0，得W0hEkhEk。刚好发生光电效应的临界条件是最大初动能Ek0时，入射光的频率为0，则W0h0，代入数据可得：081014 Hz，故B正确。8(2016全国卷)(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是()A保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B入射光的频率变高，饱和光电流变大C入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生E遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关答案ACE解析保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子个数增加，则饱和光电流变大，故A正确；饱和光电流的大小与入射光的频率无直接关系，故B错误；由EkhW0，可知C正确；当入射光的频率小于金属的极限频率时，光电效应不能发生，故D错误；由eUmv2hW0得eUhW0，可见，遏止电压U随的增大而增大，与入射光的光强无关，故E正确。9.(2018湖北武汉联考)(多选)在X射线管中，由阴极发射的电子(不计初速度)被加速后打到阳极，会产生包括X光在内的各种能量的光子，其中光子能量的最大值等于电子的动能。已知阳极与阴极之间的电势差U、普朗克常量h、电子电荷量e和光速c，则可知该X射线管发出的X光的()A最短波长为 B最长波长为C最小频率为 D最大频率为答案AD解析根据动能定理知电子到达阳极的动能为eU，设X光的能量为E，依题意有eUE，再根据光速与波长和频率的关系公式c、光子能量Eh，则可得，故A、D正确。10(2018广州市高中毕业综合测试)已知普朗克常量h6.631034 Js,1 eV1.61019 J。在光电效应实验中，金属钯的逸出功为1.9 eV，要使钯表面发出的光电子的最大初动能为1.0 eV，入射光的频率约为()A2.21014 Hz B4.61014 HzC4.61015 Hz D7.01014 Hz答案D解析根据光电效应方程EkhW0，又Ek1.0 eV1.61019 J，W01.9 eV1.91.61019 J3.041019 J，代入已知量，注意都取国际单位，可得7.01014 Hz。故D正确。11(2018银川模拟)如图甲所示是研究光电效应实验规律的电路。当用强度一定的黄光照射到光电管上时，测得电流表的示数随电压变化的图象如图乙所示。下列说法正确的是()A若改用红光照射光电管，一定不会发生光电效应B若照射的黄光越强，饱和光电流将越大C若用频率更高的光照射光电管，则光电管中金属的逸出功越大D若改用蓝光照射光电管，图象与横轴交点在黄光照射时的右侧答案B解析根据光电效应方程知，EkmhW0，红光的频率小于黄光的频率，红光照射不一定发生光电效应，但不是一定不会发生光电效应，故A错误；增加入射光的强度，则单位时间内产生的光电子数目增加，饱和光电流将增大，故B正确；光电管中金属的逸出功的大小是由材料本身决定的，与入射光的频率无关，故C错误；根据光电效应方程知，EkmhW0，蓝光的频率大于黄光的频率，则光电子的最大初动能增大，所以反向遏止电压增大，图象与横轴交点在黄光照射时的左侧，故D错误。12(2018衡水中学5月冲刺模拟考试)用图甲所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与照射光的强弱、光的颜色(频率)等物理量间的关系，电流计G测得的光电流I随光电管两端电压U的变化如图乙所示，则()A通过电流计G的电流方向由d到cB电压U增大，光电流I一定增大C用同频率的光照射K极，光电子的最大初动能与光的强弱无关D光电管两端电压U为零时一定不发生光电效应答案C解析电流方向与逃逸出来的光电子运动方向相反，所以通过电流计G的电流方向由c到d，故A错误；在光照条件不变的情况下，随着所加电压U增大，光电流先增大，最后趋于饱和值不变，故B错误；用同频率的光照射K极，根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0，光电子的最大初动能与光的频率有关，与光的强弱无关，故C正确；光电管两端电压U为零时，光电效应照样发生，故D错误。13.(2018太原模拟)2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德博伊尔和乔治史密斯主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器。他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理。如图所示电路可研究光电效应规律。图中标有A和K的为光电管，其中A为阳极，K为阴极。理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V；现保持滑片P位置不变，以下判断错误的是()A光电管阴极材料的逸出功为4.5 eVB若增大入射光的强度，电流计的读数为零C若用光子能量为12 eV的光照射阴极K，光电子的最大初动能一定变大D若用光子能量为9.5 eV的光照射阴极K，同时把滑片P向左移动少许，电流计的读数一定不为零答案D解析该装置所加的电压为反向电压，发现当电压表的示数等于6.0 V时，电流表示数恰为0，知道光电子的最大初动能为6.0 eV，根据光电效应方程EkmhW0，W010.5 eV6.0 eV4.5 eV，故A正确；现保持滑片P位置不变，增大光的强度时仍然会发生光电效应，但光电子的最大初动能不变，所以不会有电流流过电流表，故B正确；若用光子能量为12 eV的光照射阴极K，入射光的频率增大，根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能一定增大，故C正确；改用能量为9.5 eV的光子照射，入射光的频率减小，根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能一定减小，此时的遏止电压小于6 V，若把滑片P向左移动少许，电子仍然可能不能到达A极，所以电流计的读数可能为零，故D错误。14(2018江苏高考)光电效应实验中，用波长为0的单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出。当波长为的单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为_，A、B两种光子的动量之比为_。(已知普朗克常量为h、光速为c)答案12解析根据光电效应方程EkhW0，又，所以有0W0，EkW0，解得Ek；又光子动量p，所以A、B两种光子的动量之比为12。19