选修3 第4章 原子结构和波粒二象性 知识问答式 学案（附章末测试）（有解析）

选修3 第4章　光电效应　波粒二象性
问题1、光电效应及其规律有哪些？
[光电效应现象]：如图1所示，取一块锌板，用砂纸将其一面擦一遍，去掉表面的氧化层，连接在验电器上(弧光灯发射紫外线)．
(1)用弧光灯照射锌板，看到的现象为验电器偏角张开，说明_锌板带电了，弧光灯发出的紫外线照射到锌板上，在锌板表面发射出光电子，从而使锌板带上了正电。
(2)在弧光灯和锌板之间插入一块普通玻璃板，再用弧光灯照射，看到的现象为指针偏角明显减小，说明：锌板产生光电效应是光中紫外线照射的结果而不是可见光，因为可见光被玻璃板反射回去了。
(3)撤去弧光灯，换用白炽灯发出的强光照射锌板，并且照射较长时间，看到的现象为观察不到指针的偏转，说明_可见光不能使锌板发生光电效应__．
图1
【要点总结】
1.光电效应现象：在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象叫光电效应现象；发射出来的电子叫光电子.
2.光电效应的产生条件：入射光的频率大于等于金属的极限频率.
3.光电效应规律
(1)极限频率：每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能产生光电效应.
(2)光电子的最大初动能：与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大.
(3)速度：光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s，接近光速。
(4)饱和光电流的大小：当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比.
问题2：光电效应电路和光电效应方程的怎么应用？
答1.四点提醒：
(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率. (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)光照强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大.
3.三个关系式
(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0.(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc.(3)逸出功与极限频率的关系W0＝hνc.
问题3、爱因斯坦光电效应方程是什么？
答 1.光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量ε＝hν.
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：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－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hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能.
5遏止电压Uc：使光电流减小到零的反向电压Uc. 电压后光电流最大初动能为零，hν=W0+Uce 故Uce=Ek.
问题4、光的波粒二象性与物质波有什么特点？
答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，称为光的波粒二象性.
2.物质波
(1)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，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波.
(2)物质波：任何一个运动着的物体，小到微观粒子，大到宏观物体，都有一种波与它对应，其波长λ＝，p为运动物体的动量，h为普朗克常量.
问题5、光的波粒二象性和物质波怎么理解和应用？
答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，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象.
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出粒子性.
4.波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν、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：表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有描述波动性的物理量——频率ν和波长λ.
问题6、光电效应各类图象怎么理解和应用？
图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc ②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0＝|－E|＝E ③普朗克常量：图线的斜率k＝h
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标 ②饱和光电流Im：光电流的最大值 ③最大初动能：Ek＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系 ①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和光电流 ③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率νc：图线与横轴的交点的横坐标 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)
第4章　光电效应　波粒二象性 同步练习
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自测1　 (多选)在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)
A.增大入射光的强度，光电流增大
B.减小入射光的强度，光电效应现象消失
C.改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应
D.改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大
例4　(多选)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(　　)
A.电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B.β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
变式5　下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是(　　)
A.光的色散和光的干涉 B.光的干涉和光的衍射
C.泊松亮斑和光电效应 D.光的反射和光电效应
例3　(2018·广东省潮州市下学期综合测试)用如图4甲所示的装置研究光电效应现象.用频率为ν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ν 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.仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大
C.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
D.保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数增大
←图4 图5
变式3　(2018·河南省濮阳市第三次模拟)用如图5甲所示的电路研究光电效应中光电流与照射光的强弱、频率等物理量的关系.图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调，分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示，由图可知(　　)
A.单色光a和c的频率相同，且a光更弱些，b光频率最大
B.单色光a和c的频率相同，且a光更强些，b光频率最大
C.单色光a和c的频率相同，且a光更弱些，b光频率最小
D.单色光a和c的频率不同，且a光更强些，b光频率最小
变式4　(2018·广西桂林、百色和崇左市第三次联考)金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图象如图6所示.则由图象可知(　　)
图6
A.入射光频率越大，该金属的逸出功越大
B.入射光的频率越大，则遏止电压越大(ν>ν0)
C.由图可求出普朗克常量h＝
D.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
第4章　光电效应　波粒二象性 同步练习答案
自测1　答案　AD
解析　A：增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积上的光子数增加，则光电流增大，故选项A正确；
B：光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光强度无关，故选项B错误.
C：用频率为ν的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于等于极限频率，则仍会发生光电效应，选项C错误；
D：根据hν－W0＝Ek可知，增大入射光频率，光电子的最大初动能也增大，故选项D正确.
例4　答案　ACD
解析　电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，说明电子是一种波，故A正确；β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹，可以说明β射线是一种粒子，故B错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，中子衍射说明中子是一种波，故C正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，利用了电子束的衍射现象，说明电子束是一种波，故D正确.
变式5　答案　C
例3答案　A 解析　根据Ekm＝hν－W0可得，图线纵截距的绝对值等于金属的逸出功，即等于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a，那么普朗克常量为h＝，故A正确；根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能与照射光的频率有关，与光的强度无关，故B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C、D错误.
变式3　答案　B解析　a、c两单色光照射后遏止电压相同，根据Ekm＝eUc，可知产生的光电子最大初动能相等，则a、c两单色光的频率相等，光子能量相等，由于a光的饱和光电流较大，则a光的强度较大，单色光b照射后遏止电压较大，根据Ekm＝eUc，可知b光照射后产生的光电子最大初动能较大，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0得，b光的频率大于a光的频率，故A、C、D错误，B正确.
变式4答案　B解析　当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W0＝hν0，逸出功与入射光频率无关，是由金属材料决定的，故A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0和eUc＝Ekm得：Uc＝－，当入射光的频率大于等于极限频率时，入射光的频率越大，则遏止电压越大，故B正确；由Uc＝－，知图线的斜率等于，由题图可以得出斜率的大小，则普朗克常量为h＝，故C错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，得光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，不是成正比，故D错误.
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