物理第十二章 波粒二象性 原子结构 原子核 12.1 波粒二象性

选修3-5第十二章波粒二象性原子结构原子核第1讲波粒二象性【知识导图】光电子电子大于增大hh-W0干涉波动性光电效应粒子性波动粒子【微点拨】1.对光强的理解:单位时间、单位面积接收到光的能量,与光子频率和光子数目都有关。2.光电效应规律的“四点”理解:(1)放不放光电子,看入射光的最低频率。(2)放多少光电子,看光的强度。(3)光电子的最大初动能大小,看入射光的频率。(4)要放光电子,瞬时放。3.关于饱和光电流的两点说明:(1)在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。(2)对于不同频率的光,饱和光电流与入射光强度之间无简单的正比关系。【慧眼纠错】(1)只要光照射的时间足够长,任何金属都能发生光电效应。纠错:_。(2)光电子就是光子。纠错:_。 发生光电效应的条件是入射光的频率不小于金属的截止频率光电子是被光子打出的电子,其实质是电子(3)光照强度越大,饱和光电流越大。纠错:_。(4)入射光的频率越大,金属的逸出功越大。纠错:_。在入射光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和光电流越大金属的逸出功由金属本身性质决定,与入射光的频率、强度无关(5)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。纠错:_。(6)光的频率越大,光就只表现为粒子性。纠错:_。金属的逸出功由金属本身性质决定,与光电子的最大初动能无关光的频率越大,光的粒子性越明显,但仍具有波动性考点1光电效应规律【典题探究】 【典例1】(多选)(2017全国卷)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 导学号04450252()A.若ab,则一定有 Uab,则一定有EkaEkbC.若UaUb,则一定有Ekab,则一定有ha-Ekahb-Ekb【解析】选B、C。由爱因斯坦光电效应方程h=Ekm+W0,由动能定理可得Ekm=eU,故当ab时,UaUb,EkaEkb,故A错误,B正确;若UaUb,则一定有EkaEkb,故C正确;由光电效应方程可得:金属的逸出功W0=ha-Eka=hb-Ekb,故D错误。【通关秘籍】 1.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。 2.对光电效应规律的解释:对应规律对应规律对规律的产生的解释对规律的产生的解释光电子的最大光电子的最大初动能随着入初动能随着入射光频率的增射光频率的增大而增大大而增大, ,与与入射光强度无入射光强度无关关电子吸收光子能量后电子吸收光子能量后, ,一部分一部分克服阻碍作用做功克服阻碍作用做功, ,剩余部分剩余部分转化为光电子的初动能转化为光电子的初动能, ,只有只有直接从金属表面飞出的光电子直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能。对于确定才具有最大初动能。对于确定的金属的金属,W,W0 0是一定的。故光电是一定的。故光电子的最大初动能只随入射光的子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大频率增大而增大对应规律对应规律对规律的产生的解释对规律的产生的解释光电效应具有光电效应具有瞬时性瞬时性光照射金属时光照射金属时, ,电子吸收一个电子吸收一个光子的能量后光子的能量后, ,动能立即增大动能立即增大, ,不需要能量积累的过程不需要能量积累的过程光较强时饱和光较强时饱和电流大电流大光较强时光较强时, ,包含的光子数较多包含的光子数较多, ,照射金属时产生的光电子较多照射金属时产生的光电子较多, ,因而饱和电流较大因而饱和电流较大3.深入理解三个关系:(1)爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得,即Ek=eUc,其中Uc是遏止电压。(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W0=hc。【考点冲关】 1.(多选)(2016全国卷)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【解析】选A、C、E。保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,单位时间内光电子变多,饱和光电流变大,A对;据爱因斯坦光电效应方程 =h-W0可知,入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大,饱和光电流不变,B错、C对;当h0,a光的波长小于b光的波长,故A项错误;发生光电效应的条件:0,增加b光的强度不能使电流计G的指针发生偏转,故B项错误;发生光电效应时,电子从光电管左端运动到右端,而电流的方向与电子定向移动的方向相反,所以流过电流计G的电流方向是c流向d,故C项错误;增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大,故D项正确。【加固训练】(2018宁德模拟)如图所示,当电键K断开时,用频率为的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零,合上电键,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于U时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于U时,电流表读数为零。已知普朗克常量为h,电子的电荷量为e。则这种阴极材料的极限频率为()eUeUA. B.hheUC. D.h【解析】选B。合上电键,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于U时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于U时,电流表读数为零;根据爱因斯坦光电效应方程,阴极材料的逸出功为:eU=Ekm=h-W=h-h0。那么这种阴极材料的极限频率为0=- ,故A、C、D项错误,B项正确。eUh考点2光电效应的图象分析 【典题探究】 【典例2】(2015全国卷)在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光的频率的关系如图所示,若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为_,所用材料的逸出功可表示为_。导学号04450253 【解析】由题意可得eUc= =h-W,变形为Uc= ,结合图象可知 所以h=ek,W=-eb。答案:ek-eb2m1mv2hWeehWk,b,ee【迁移训练】 迁移1:光电效应的Ek-图象(2018南平模拟)用如图甲所示的装置研究光电效应现象,闭合电键S,用频率为的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该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象,图线与横轴的交点坐标为(a,0),与纵轴的交点坐标为(0,-b),下列说法中正确的是()A.普朗克常量为h= B.断开电键S后,电流表G的示数不为零C.仅增加照射光的强度,光电子的最大初动能将增大D.保持照射光强度不变,仅提高照射光频率,电流表G的示数保持不变ab【解析】选B。根据Ekm=h-W0得,纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功,等于b,当最大初动能为零时,入射光的频率等于截止频率,所以金属的截止频率为0=a,那么普朗克常量为h= ,故A项错误;电键S断开后,因光电效应现象中,光电子存在最大初动能,因此电流表G的示数不为零,故B项正确;根据光电效应方程可知,ba入射光的频率与最大初动能有关,与光的强度无关,故C项错误;若保持照射光强度不变,仅提高照射光频率,则光子数目减小,那么电流表G的示数会减小,故D项错误。迁移2:光电效应的I-U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 ()导学号04450254A.a、c两束光的光强相同B.a、c两束光的频率相同C.b光束光子的能量最小D.b光束的波长最长,遏止电压最大【解析】选B。由图可知,a的饱和电流最大,因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量大,光强大,故A项错误;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eU=h-W,入射光的频率越高,对应的遏止电压U越大。a光、c光的遏止电压相等,所以a光、c光的频率相等,而b光的频率大,能量大,且对应的波长最小,故B项正确,C、D项错误。迁移3:光电效应的Uc-图象如图为密立根研究某金属的遏止电压Uc和入射光频率的关系图象,则下列说法正确的是 ()A.图象的斜率为普朗克常量B.该金属的截止频率约为5.51014 HzC.由图象可得该金属的逸出功为0.5 eVD.由图象可知,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系【解析】选D。根据光电效应方程得,Ekm=h-W0,又Ekm=eUc,解得Uc= ,可知图线的斜率k= ,故A项错误;当遏止电压为零时,入射光的频率等于金属的截止频率,大约为4.21014 Hz,故B项错误;图线的斜率k= ,则逸出功W0=h0=ke0= 4.21014 eV=1.6 eV,故C项错误;根据光电效应方程得,Ekm=h-W0,即eUc=h-W0,光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,故D项正确。0Wheehehe140.51.3 10【通关秘籍】 1.由Ek-图象可以得到的信息: (1)极限频率:图线与轴交点的横坐标c。(2)逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值E=W0。(3)普朗克常量:图线的斜率k=h。2.由I-U图象可以得到的信息:(1)遏止电压Uc:图线与横轴的交点的绝对值。(2)饱和光电流Im:电流的最大值。(3)最大初动能:Ekm=eUc。3.由Uc-图象可以得到的信息:(1)截止频率c:图线与横轴的交点。(2)遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大。(3)普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke。(注:此时两极之间接反向电压)【加固训练】(2018武汉模拟)下表是按照密立根的方法进行光电效应实验时得到的某金属的遏止电压Uc和入射光的频率的几组数据。U Uc c/V/V0.5410.541 0.6370.6370.7140.7140.8090.8090.8780.878/10/101414 HzHz5.6445.644 5.8885.8886.0986.0986.3036.3036.5016.501由以上数据应用Excel描点连线,可得直线方程Uc=0.397 3 -1.702 4,如图所示。1410则这种金属的截止频率约为()A.3.51014 HzB.4.31014 HzC.5.51014 HzD.6.01014 Hz【解析】选B。根据光电效应方程得:Ekm=h-W0=h-h0,解得:Uc= 与直线方程Uc=0.397 3 -1.702 4,比较可知,图线的斜率为: 同时: =1.702 4,联立得:04.3 1014 Hz。故B项正确,A、C、D项错误。00Whhheeee ，141014h0.397 3e10，0he考点3光的波粒二象性物质波 【典题探究】 【典例3】(多选)(2015全国卷改编)实物粒子和光都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是 ()导学号04450255A.射线在云室中穿过会留下清晰的径迹B.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构C.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构D.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,与入射光的强度无关【解析】选B、C。射线在云室中穿过会留下清晰的径迹,可以说明射线是一种粒子,故A错误;人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构,慢中子衍射说明中子是一种波,故B正确;人们利用电子显微镜观测物质的微观结构,利用了电子束的德布罗意波长短,提高显微镜的分辨率,说明电子是一种波,故C正确;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,与入射光的强度无关,说明光是一种粒子,故D错误。【通关秘籍】 1.光的波粒二象性:光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性,光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的波粒二象性。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。2.表现规律:(1)从数量上看: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)从频率上看: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)从传播与作用上看: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。(4)波动性与粒子性的统一:由光子的能量E=h、光子的动量表达式p= 也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾:表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量频率和波长。 h(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波,也不可把光当成宏观概念中的粒子。3.物质波:(1)定义:任何运动着的物体都有一种波与之对应,这种波叫作物质波,也叫德布罗意波。(2)物质波的波长:= ,h是普朗克常量。(3)德布罗意波也是概率波,衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方,但概率的大小受波动规律的支配。hhpmv【考点冲关】 1.(2018朔州模拟)下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是 ()A.有的光是波,有的光是粒子B.光子与电子是同样的一种粒子C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著D.大量光子的行为往往显示出粒子性【解析】选C。光既有波动性又有粒子性,故A项错误;光子不带电,没有静止质量,而电子带负电,有质量,故B项错误;光的波长越长,其波动性越显著,波长越短,其粒子性越显著,故C项正确;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,故D项错误。2.(多选)物理学家做了一个有趣的实验:在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片,若减小入射光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些如图甲所示不规则的点子;如果曝光时间足够长,底片上就会出现如图丙所示规则的干涉条纹。对于这个实验结果的认识正确的是导学号04450256()A.单个光子的运动没有确定的轨道B.曝光时间不长时,光的能量太小,底片上的条纹看不清楚,故出现不规则的点子C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D.大量光子的行为表现为波动性【解析】选A、C、D。由于光的传播不是连续的而是一份一份的,每一份就是一个光子,所以每次通过狭缝只有一个光子,当一个光子到达某一位置时该位置感光而留下痕迹,由于单个光子表现粒子性,即每一个光子所到达的区域是不确定的,但是大量光子表现出波动性,所以长时间曝光后最终形成了图丙中明暗相间的条纹,干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方,该实验说明了光具有波粒二象性,所以A、C、D项正确,B项错误。【加固训练】关于波粒二象性,下列说法正确的是()A.能量越大的光子其波动性越显著B.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等C.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D.若光子与一个静止的自由电子发生作用,则光子被电子散射后波长会变小【解析】选C。能量较大的光子的波长短,其粒子性越显著,故A项错误;由p= 及p= 可知,动能相同的质子和电子,其动量不同,故其波长也不相同,故B项错误;根据黑体辐射实验的规律可知: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,故C项正确;光子与一个静止的自由电子发生作用,根据动量守恒知,光子动量减小,根据德布罗意波长= 知,散射后波长变大,故D项错误。hk2mEhp