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第十二章原子与原子核第十二章原子与原子核第第1 1节光电效应波粒二象性节光电效应波粒二象性基础过关基础过关考点研析考点研析素养提升素养提升基础知识基础知识一、光电效应一、光电效应1.1.定义定义照射到金属表面的光照射到金属表面的光,能使金属中的能使金属中的 从表面逸出的现象从表面逸出的现象.2.2.光电子光电子光电效应中发射出来的光电效应中发射出来的 .基础过关基础过关 紧扣教材紧扣教材自主落实自主落实电子电子电子电子3.3.光电效应规律光电效应规律(1)(1)每种金属都存在着遏止电压和截止频率每种金属都存在着遏止电压和截止频率,光电效应中光电效应中,所加电压为所加电压为0 0时时,电电流流I I并不为并不为0,0,只有施加反向电压只有施加反向电压,电流才可能为电流才可能为0.0.使光电流使光电流 的反向电的反向电压压U Uc c称为遏止电压称为遏止电压;当入射光频率减小到某一数值当入射光频率减小到某一数值c c时时,不产生光电子不产生光电子,c c称称为截止频率为截止频率.入射光的频率入射光的频率 截止频率时不发生光电效应截止频率时不发生光电效应.(2)(2)光电效应光电效应 发生的发生的,一般不超过一般不超过1010-9-9 s.s.(3)(3)对于一定颜色的光对于一定颜色的光,入射光入射光 ,单位时间内发射的光电子数单位时间内发射的光电子数 .减小到减小到0 0低于低于几乎是瞬时几乎是瞬时越强越强越多越多4.4.用光电管研究光电效应用光电管研究光电效应(1)(1)电路如图所示电路如图所示(2)(2)光电流与饱和电流光电流与饱和电流入射光强度入射光强度:入射到金属表面单位面积上的能量入射到金属表面单位面积上的能量.频率一定频率一定时时,越大越大,光子数越多光子数越多.光电流光电流:光电子在电路中形成的电流光电子在电路中形成的电流.光电流有最大值光电流有最大值,未达到最大值以前未达到最大值以前,其大小和其大小和 、都有关都有关,达到最大值以后达到最大值以后,光电流与光强成正比光电流与光强成正比.饱和电流饱和电流:在在 的光照射下的最大光电流的光照射下的最大光电流,饱和电流不随饱和电流不随电路中电路中 的增大而增大的增大而增大.单位时间内单位时间内光强光强光强光强电压电压一定频率与强度一定频率与强度电压电压二、爱因斯坦光电效应方程二、爱因斯坦光电效应方程1.1.光子说光子说光本身是由一个个不可分割的能量子组成光本身是由一个个不可分割的能量子组成,频率为频率为的光的能量子为的光的能量子为h,h,光光的能量子称为光子的能量子称为光子.光子的能量光子的能量=.其中其中h=6.63h=6.631010-34-34 J Js(s(称为普朗称为普朗克常量克常量).).2.2.逸出功逸出功W W0 0使电子脱离某种金属所做功的使电子脱离某种金属所做功的 .3.3.最大初动能最大初动能发生光电效应时发生光电效应时,金属表面上的金属表面上的电子电子吸收光子后逸出时所具有的动能吸收光子后逸出时所具有的动能.hh最小值最小值4.4.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程(1)(1)表达式表达式:E:Ek k=h-=h-.W W0 0逸出功逸出功W W0 0三、光的波粒二象性与物质波三、光的波粒二象性与物质波1.1.光的波粒二象性光的波粒二象性(1)(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 性性.(2)(2)光电效应现象说明光具有光电效应现象说明光具有 性性.(3)(3)光既具有波动性光既具有波动性,又具有粒子性又具有粒子性,称为光的称为光的 性性.2.2.物质波物质波(1)(1)概率波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亮条纹是光子到达概率率 的地方的地方,暗条纹是光子到达概率暗条纹是光子到达概率 的地方的地方,因此光波是一种概率波因此光波是一种概率波.波动波动粒子粒子波粒二象波粒二象大大小小(1)(1)光子和光电子都是与之相对应的一种波光子和光电子都是与之相对应的一种波.(.()(2)(2)只要入射光的强度足够强只要入射光的强度足够强,就可以使金属发生光电效应就可以使金属发生光电效应.(.()(3)(3)要使某金属发生光电效应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入射光子的能量必须大于金属的逸出功.(.()(4)(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比.(.()(5)(5)光的频率越高光的频率越高,光的粒子性越明显光的粒子性越明显.(.()(6)(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说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成功地解释了光电效应规律.(.()(7)(7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应美国物理学家康普顿发现了康普顿效应,进一步证实了光的粒子性进一步证实了光的粒子性.(.()(8)(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性.(.()过关巧练过关巧练1.1.思考判断思考判断2 2.(2019.(2019湖北天门模拟湖北天门模拟)()(多选多选)在光电效应实验中在光电效应实验中,用频率为用频率为的光照射光电的光照射光电管阴极管阴极,发生了光电效应发生了光电效应,下列说法正确的是下列说法正确的是()A.A.增大入射光的强度增大入射光的强度,光电流增大光电流增大B.B.减小入射光的强度减小入射光的强度,光电效应现象消失光电效应现象消失C.C.改用频率小于改用频率小于的光照射的光照射,一定不发生光电效应一定不发生光电效应D.D.改用频率大于改用频率大于的光照射的光照射,光电子的最大初动能变大光电子的最大初动能变大ADAD解析解析:用频率为用频率为的光照射光电管阴极的光照射光电管阴极,发生光电效应发生光电效应,改用频率较小的光照改用频率较小的光照射时射时,有可能发生光电效应有可能发生光电效应,故故C C错误错误;根据根据E Ek k=h-W=h-W0 0可知增加照射光的频率可知增加照射光的频率,光电子最大初动能增大光电子最大初动能增大,故故D D正确正确;增大入射光强度增大入射光强度,单位时间内照射到单位面单位时间内照射到单位面积的光子数增加积的光子数增加,则光电流将增大则光电流将增大,故故A A正确正确;光电效应是否发生与照射光频率光电效应是否发生与照射光频率有关而与照射光强度无关有关而与照射光强度无关,故故B B错误错误.3.3.入射光照到某金属表面上发生光电效应入射光照到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱若入射光的强度减弱,而频率保持而频率保持不变不变,那么以下说法正确的是那么以下说法正确的是()A.A.从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加B.B.逸出的光电子的最大初动能减小逸出的光电子的最大初动能减小C.C.逸出的光电子的最大初动能增大逸出的光电子的最大初动能增大D.D.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D D解析解析:电子吸收光子时间非常短电子吸收光子时间非常短,是瞬时性的是瞬时性的,故故A A错误错误;同一光电效应中同一光电效应中,频率频率不变不变,光电子飞出的最大初动能不变光电子飞出的最大初动能不变,故故B,CB,C错误错误;入射光的强度减弱入射光的强度减弱,而频率不而频率不变变,则单位时间内吸收光子的电子数减少则单位时间内吸收光子的电子数减少,相应地从金属表面逸出的光电子数相应地从金属表面逸出的光电子数也减少也减少,故故D D正确正确.考点一光电效应规律考点一光电效应规律1.1.光电效应的实质光电效应的实质光子照射到金属表面光子照射到金属表面,某个电子吸收光子的能量使其动能变大某个电子吸收光子的能量使其动能变大,当电子的动当电子的动能增大到足以克服原子核的引力时能增大到足以克服原子核的引力时,便飞出金属表面成为光电子便飞出金属表面成为光电子.2.2.截止频率的实质截止频率的实质光子的能量与频率有关光子的能量与频率有关,而金属中电子克服原子核引力需要的能量是一定的而金属中电子克服原子核引力需要的能量是一定的,光子的能量必须大于金属的逸出功时才能发生光电效应光子的能量必须大于金属的逸出功时才能发生光电效应.这个能量的最小值这个能量的最小值等于这种金属对应的逸出功等于这种金属对应的逸出功,所以每种金属都有一定的截止频率所以每种金属都有一定的截止频率.考点研析考点研析 核心探究核心探究重难突破重难突破3.3.对光电效应瞬时性的理解对光电效应瞬时性的理解光照射到金属上时光照射到金属上时,电子吸收光子的能量不需要积累电子吸收光子的能量不需要积累,吸收的能量立即转化为吸收的能量立即转化为电子的能量电子的能量,因此电子对光子的吸收十分迅速因此电子对光子的吸收十分迅速.4.4.对光电效应规律的解释对光电效应规律的解释5.5.光电子的最大初动能光电子的最大初动能电子吸收光子能量后电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初剩余部分转化为光电子的初动能动能,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.对于确定的金对于确定的金属属,W,W0 0是一定的是一定的,故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大6.6.光电效应中的对应关系光电效应中的对应关系【典例典例1 1】关于光电效应关于光电效应,下列说法正确的是下列说法正确的是()A.A.截止频率越大的金属材料逸出功越大截止频率越大的金属材料逸出功越大B.B.只要光照射的时间足够长只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应任何金属都能产生光电效应C.C.从金属表面出来的光电子的最大初动能越大从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小这种金属的逸出功越小D.D.入射光的强度一定时入射光的强度一定时,频率越高频率越高,单位时间内逸出的光电子数就越多单位时间内逸出的光电子数就越多A A解析解析:逸出功逸出功W W0 0=h=hc c,知截止频率越大知截止频率越大,逸出功越大逸出功越大,故故A A正确正确;光电效应的光电效应的条件是入射光的频率大于等于金属的截止频率条件是入射光的频率大于等于金属的截止频率,与光照时间无关与光照时间无关,故故B B错误错误;根据光电效应方程根据光电效应方程E Ek k=h-W=h-W0 0知知,最大初动能与入射光的频率成一次函数关最大初动能与入射光的频率成一次函数关系系,不会影响金属的逸出功不会影响金属的逸出功,故故C C错误错误;入射光的强度一定时入射光的强度一定时,频率越高频率越高,光光子的能量值越大子的能量值越大,入射光中的光子的数目越少入射光中的光子的数目越少,单位时间内逸出的光电子数单位时间内逸出的光电子数就越少就越少,故故D D错误错误.光电效应现象的本质光电效应现象的本质反思总结反思总结(1)(1)光电效应是发生在金属表面的现象光电效应是发生在金属表面的现象.(2)(2)不管是否发生光电效应不管是否发生光电效应,金属表面的电子都只吸收一个光子金属表面的电子都只吸收一个光子,不能同时不能同时吸收两个光子吸收两个光子.(3)(3)逸出功是克服金属表面做功的最小值逸出功是克服金属表面做功的最小值.(4)(4)光电子的速度是不确定的光电子的速度是不确定的,但有最大值但有最大值,即光电子具有最大初动能即光电子具有最大初动能.(5)(5)光的强度简称为光强光的强度简称为光强,光强决定于光子的频率与入射光子数光强决定于光子的频率与入射光子数.1.1.光电效应现象光电效应现象(2019(2019广东中山模拟广东中山模拟)()(多选多选)如图所示如图所示,用导线把验电器与用导线把验电器与锌板相连接锌板相连接,当用紫外线照射锌板时当用紫外线照射锌板时,发生的现象是发生的现象是()A.A.有光子从锌板逸出有光子从锌板逸出 B.B.有光电子从锌板逸出有光电子从锌板逸出C.C.验电器指针张开一个角度验电器指针张开一个角度D.D.锌板带负电锌板带负电题组训练题组训练BCBC解析解析:用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的,锌板上的电子吸收紫外线锌板上的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出的能量从锌板表面逸出,称之为光电子称之为光电子,故故A A错误错误,B,B正确正确;锌板与验电器相连锌板与验电器相连,带有相同电性的电荷带有相同电性的电荷,锌板失去电子应该带正电锌板失去电子应该带正电,则验电器指针张开一角度则验电器指针张开一角度,故故C C正确正确,D,D错误错误.2.2.光电效应方程的应用光电效应方程的应用(2018(2018河北唐山一模河北唐山一模)()(多选多选)在研究某金属的光电效在研究某金属的光电效应现象时应现象时,发现当入射光的频率为发现当入射光的频率为时时,其遏止电压为其遏止电压为U Uc c.已知普朗克常量为已知普朗克常量为h,h,电子电荷量大小为电子电荷量大小为e,e,下列说法正确的是下列说法正确的是()ADAD考点二光电效应图像问题考点二光电效应图像问题四类图像四类图像【典例【典例2 2】从从19071907年起年起,密立根就开始测量金属的遏止电压密立根就开始测量金属的遏止电压U Uc c(即图即图1 1所示的电所示的电路中电流表路中电流表G G的读数减小到零时加在电极的读数减小到零时加在电极K,AK,A之间的反向电压之间的反向电压)与入射光的频率与入射光的频率,由此算出普朗克常量由此算出普朗克常量h,h,并与普朗克根据黑体辐射得出的并与普朗克根据黑体辐射得出的h h相比较相比较,以检验爱以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性因斯坦光电效应方程的正确性.按照密立根的方法我们利用图示装置进行实验按照密立根的方法我们利用图示装置进行实验,得到了某金属的得到了某金属的U Uc c-图像如图图像如图2 2所示所示.下列说法正确的是下列说法正确的是()A AA.A.该金属的截止频率约为该金属的截止频率约为4.274.2710101414HzHzB.B.该金属的截止频率约为该金属的截止频率约为5.505.5010101414HzHzC.C.该图线的斜率为普朗克常量该图线的斜率为普朗克常量D.D.该图线的斜率为这种金属的逸出功该图线的斜率为这种金属的逸出功核心点拨核心点拨(1)(1)金属金属U Uc c-图线与横轴的交点坐标表示该金属遏止电压为图线与横轴的交点坐标表示该金属遏止电压为0 0时时,入入射光的频率射光的频率.(2)(2)由由E Ek k=h-W=h-W0 0和和E Ek k=eU=eUc c推导出推导出U Uc c与与的函数表达式的函数表达式.求解光电效应问题应抓住的三个关系式求解光电效应问题应抓住的三个关系式题后反思题后反思(1)(1)爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程E Ek k=h-W=h-W0 0.(2)(2)光电子的最大初动能光电子的最大初动能E Ek k.可以利用光电管用实验的方法测得可以利用光电管用实验的方法测得,即即E Ek k=eU=eUc c,其其中中U Uc c是遏止电压是遏止电压.1 1.I.I-U U图像图像(2019(2019江西九江模拟江西九江模拟)研究光电效应的电路如图所示研究光电效应的电路如图所示,用频率相同、用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极阴极K),K),钠极板发射出的光电子钠极板发射出的光电子被阳极被阳极A A吸收吸收,在电路中形成光电流在电路中形成光电流.下列光电流下列光电流I I与与A,KA,K之间的电压之间的电压U UAKAK的关系图的关系图像中像中,正确的是正确的是()题组训练题组训练C C解析解析:同种光对应的遏止电压即光电流同种光对应的遏止电压即光电流I=0I=0时对应的反向电压为一确定值时对应的反向电压为一确定值;在发在发生光电效应的条件下生光电效应的条件下,光越强光越强,饱和电流越大饱和电流越大.故故C C正确正确,A,B,D,A,B,D错误错误.2.2.EEk k-图像图像(2019(2019湖北宜昌高三调考湖北宜昌高三调考)爱因斯坦提出了光量子概念并成爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得功地解释光电效应的规律而获得19211921年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖.某种金属逸出光某种金属逸出光电子的最大初动能电子的最大初动能E Ek k与入射光频率与入射光频率的关系如图所示的关系如图所示,其中其中c c为极限频率为极限频率.从图中可以确定的是从图中可以确定的是()A.A.当入射光频率当入射光频率b b,则一定有则一定有U Ua aUb b,则一定有则一定有E EkakaEEkbkbC.C.若若U Ua aUUb b,则一定有则一定有E EkakaEb b,则一定有则一定有hha a-E-Ekakahhb b-E-EkbkbBCBC解析解析:由爱因斯坦光电效应方程知由爱因斯坦光电效应方程知,E,Ekaka=h=ha a-W-W0 0,E,Ekbkb=h=hb b-W-W0 0,当当a ab b时时,E,Ekaka E Ekbkb,选项选项B B正确正确;由最大初动能和遏止电压的关系知由最大初动能和遏止电压的关系知,eU,eUa a=E=Ekaka,eU,eUb b=E=Ekbkb,若若a ab b,得得E EkakaEEkbkb进而知进而知U Ua aUUb b,选项选项A A错误错误;若若U Ua aUUb b,则一定有则一定有E EkakaEEkbkb,选项选项C C正确正确;对同一对同一种金属逸出功相同种金属逸出功相同,则有则有hha a-E-Ekaka=h=hb b-E-Ekbkb=W=W0 0,选项选项D D错误错误.2.2.(2017(2017北京卷北京卷,18),18)20172017年年初年年初,我国研制的我国研制的“大连光源大连光源”极紫外自由电极紫外自由电子激光装置子激光装置,发出了波长在发出了波长在100 nm(1 nm=10100 nm(1 nm=10-9-9 m)m)附近连续可调的世界上最强的附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲极紫外激光脉冲.“大连光源大连光源”因其光子的能量大、密度高因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用.一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会把分子但又不会把分子打碎打碎.据此判断据此判断,能够电离一个分子的能量约为能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量取普朗克常量h=6.6h=6.61010-34-34J Js,s,真空光速真空光速c=3c=310108 8 m/s)(m/s)()A.10A.10-21-21 J JB.10B.10-18-18 J JC.10C.10-15-15 J JD.10D.10-12-12 J JB B3 3.(2015.(2015全国全国卷卷,35)(,35)(多选多选)实物粒子和光都具有波粒二象性实物粒子和光都具有波粒二象性.下列事实中下列事实中突出体现波动性的是突出体现波动性的是()A.A.电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样B.B.射线在云室中穿过会留下清晰的径迹射线在云室中穿过会留下清晰的径迹C.C.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构D.D.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构人们利用电子显微镜观测物质的微观结构E.E.光电效应实验中光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的与入射光的强度无关强度无关ACDACD解析解析:电子束通过双缝产生干涉图样电子束通过双缝产生干涉图样,体现的是波动性体现的是波动性,A,A正确正确;射线在云室射线在云室中留下清晰的径迹中留下清晰的径迹,不能体现波动性不能体现波动性,B,B错误错误;衍射体现的是波动性衍射体现的是波动性,C,C正确正确;电电子显微镜利用了电子的波动性来观测物质的微观结构子显微镜利用了电子的波动性来观测物质的微观结构,D,D正确正确;光电效应体现光电效应体现的是光的粒子性的是光的粒子性,E,E错误错误.4.4.(2018(2018全国全国卷卷,17),17)用波长为用波长为300 nm300 nm的光照射锌板的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最电子逸出锌板表面的最大初动能为大初动能为1.281.281010-19-19 J.J.已知普朗克常量为已知普朗克常量为6.636.631010-34-34 J Js,s,真空中的光速为真空中的光速为3.003.0010108 8 m ms s-1-1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.1A.110101414 Hz HzB.8B.810101414 Hz HzC.2C.210101515 Hz HzD.8D.810101515 Hz HzB B点击进入点击进入 课时训练课时训练
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