2025秋高考物理复习专题十四原子与原子核第1讲波粒二象性课件（48页PPT）

(共48张PPT)
第1讲　波粒二象性
核心素养 重要考点
物理观念 （1）了解光子、光子说、光电效应规律、波粒二象性；（2）认识原子核的结构和特点；（3）理解原子核的衰变、裂变、聚变和放射现象 1.光电效应和爱因斯坦光电效应方程
2.氢原子光谱和氢原子的能级结构、能级公式
3.原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期
4.放射性同位素
5.核力、核反应方程
6.结合能、质量亏损
科学思维 对微观世界的研究，提出了各种模型，有汤姆孙原子模型、原子的核式结构模型、玻耳的原子模型，使我们知道物理学的研究需要建构模型；能运用概率统计的方法理解半衰期，对天然放射性现象进行分析
科学探究 探究光电效应规律；探究α粒子散射实验
科学态度
与责任 了解近代物理知识在生活、生产和科学技术中的应用
一、光电效应
1.定义：在光的照射下从物体发射出　　　　的现象（发射出的电子称为光电子）.
2.产生条件：入射光的频率　　　　极限频率.
电子
大于
3.光电效应规律
（1）存在饱和电流.
（2）存在遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，与入射光的强弱无关.当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应.
（3）光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10-9 s.
二、光电效应方程
1.基本物理量
（1）光子的能量ε=hν，h=6.626×10-34 J·s（称为普朗克常量）.
（2）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的　　　　.
（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动能的　　　　.
2.光电效应方程：Ek=　　　　.
最小值
最大值
hν-W0
三、光的波粒二象性
1.光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有　　　　性.
2.光电效应说明光具有　　　　性.
3.光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的　　　　　　性.
四、物质波
1.概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵循波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率　　　　的地方，暗条纹是光子到达概率　　　　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.
波动
粒子
波粒二象
大
小

（1）光电子的本质就是电子，而不是光子.
（2）每种金属都有一个极限频率，入射光的频率不低于这个极限频率才能使金属产生光电效应.
（3）光照强度决定每秒钟光源发射的光子数，频率决定每个光子的能量.
（4）金属越活跃，逸出功越小，越容易发生光电效应.
1.［黑体辐射］关于黑体辐射的实验规律，叙述正确的是 （　　）
A.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布，除了与温度有关外，与表面状况也有关
B.随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加
C.随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
D.黑体热辐射的强度与波长无关
B
【解析】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，A错误；黑体辐射的规律为随着温度的升高各种波长的辐射强度都增加，同时辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，B正确，C、D错误.
2.［光电效应］（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
BC
3.［光电效应方程］在光电效应实验中，用波长为λ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.仅增大入射光的强度，光电流大小不变
B.仅减小入射光的强度，光电效应现象可能消失
C.改用波长大于λ的光照射，光电子的最大初动能变大
D.改用波长大于λ的光照射，可能不发生光电效应
D
4.［波粒二象性］用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片上出现的图像如图所示，该实验表明 （　　）
A.光的本质是波
B.光的本质是粒子
C.光的能量在胶片上分布不均匀
D.光到达胶片上不同位置的概率相同
C　
【解析】用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片上出现的图样说明光具有波粒二象性，故A、B错误；该实验说明光到达胶片上的不同位置的概率是不一样的，也就说明了光的能量在胶片上分布不均匀，故C正确，D错误.
考点1　对光电效应的理解　［基础考点］
1.区分光电效应中的四组概念
（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）光电子的动能与最大初动能：光电子往各个方向逸出，克服阻碍做功不同，所以逸出的初动能各不相同，其中直接飞出的光电子动能最大，为最大初动能.
（3）光电流和饱和光电流：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.饱和光电流与所加电压大小无关，与光强和光的频率有关.
2.光电效应的研究思路
（1）两条线索.
（2）两条对应关系.
①光强度大→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
1.（2024年辽宁卷）（多选）X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器.用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则 （　　）
A.该金属的逸出功增大
B.X光的光子能量不变
C.逸出的光电子最大初动能增大
D.单位时间逸出的光电子数增多
BD
【解析】金属的逸出功是金属的自身固有属性，仅与金属自身有关，与照射光无关，所以增加此X光的强度时，该金属逸出功不变，A错误；根据光子能量公式ε=hν可知，增加此X光的强度时，由于光的频率不变，所以X光的光子能量不变，根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知，逸出的光电子最大初动能不变，B正确，C错误；增加此X光的强度时，单位时间照射到金属表面的光子变多，则单位时间逸出的光电子数增多，D正确.
D
3.（2024年深圳模拟）某防盗报警器工作原理如图所示.用紫外线照射光敏材料制成的阴极时，逸出的光电子在电路中产生电流，电流经放大后使电磁铁吸住铁条.当光源与阴极间有障碍物时，警报器响起.下列说法正确的是 （　　）
A.若用红外光源代替紫外光源，该报警
器一定能正常工作
B.逸出光电子的最大初动能与照射光频率成正比
C.若用更强的同一频率紫外线照射阴极，光电流变大
D.若用更强的同一频率紫外线照射阴极，所有光电子的初动能均增大
C
【解析】紫外光频率大于红外光频率，该光敏材料极限频率未知，不能确保红外光照射会发生光电效应，A错误；由光电效应方程Ek=hν-W0知，逸出光电子的最大初动能与照射光频率有关，但不成正比，B错误；光照强度越强，光电子越多，光电流越大，C正确；由光电效应方程知，光电子的最大初动能只与光的频率有关，与光照强度无关，D错误.
考点2　爱因斯坦的光电效应方程及应用　［基础考点］
1.三个关系
（1）爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0.
（2）光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，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νc的关系是W0=hνc.
2.三类图像
图像名称 图线形状 图像信息
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：
W0=|-E|=E
③普朗克常量：图线的斜率k=h
光的频率不同时，光电流与电压的关系　 ①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流Im：电流最大值
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.小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示.已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.
（1）图甲中电极A为光电管的　　　　　（填“阴极”或“阳极”）.
（2）实验中测得铷的截止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc=　　 　　 Hz，逸出功W0=　　 　　J.
（3）如果实验中入射光的频率ν=7.00×1014 Hz，则产生的光电子最大初动能Ek=　　　 　J.
阳极
5.15×1014
3.41×10-19　
1.23×10-19
【解析】（1）题图甲为利用光电管产生光电流的实验电路，光电子从K极发射出来，故K为光电管的阴极，A为光电管的阳极.
（2）截止电压对光电子做负功，根据爱因斯坦光电效应方程有eUc=Ek=hν-W0.结合题图乙可知，当Uc=0时，ν=5.15×1014 Hz，故铷的截止频率νc=5.15×1014 Hz，逸出功W0=hνc=3.41×10-19 J.
（3）若入射光的频率ν=7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek=hν-W0=1.23×10-19 J.
2.（2024年湛江模拟）光伏发电是提供清洁能源的方式之一，光伏发电的原理是光电效应.演示光电效应的实验装置如图甲所示，a、b、c三种光照射光电管得到的三条电流表与电压表示数之间的关系曲线如图乙所示，下列说法正确的是 （　　）
A.若b光为绿光，则a光可能是紫光
B.a光照射光电管发出光电子的最大初动能一定小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能
B
C.单位时间内a光照射光电管发出的光电子比c光照射光电管发出的光电子少
D.若用强度相同的a、b光照射该光电管，则单位时间内逸出的光电子数相等
【解析】由光电效应方程Ek=hν-W0及eU=Ek，解得eU=hν-W0，即光束照射同一块金属时只要遏止电压一样，入射光的频率就一样，遏止电压越大，入射光的频率越大，可知a光和c光的频率一样，且均小于b光的频率，若b光为绿光，则a光不可能是紫光，A错误；由题图乙可知Uc1>Uc2，根据Ek=eUc可知，a光照射光电管发出光电子的最大初动能小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能，B正确；对于a、c两束频率相同的光来说，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，则单位时间内a光照射光电管发出的光电子比c光照射光电管发出的光电子多，C错误；对a、b两束不同频率的光来说，光强相同时单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等，因为b光的光子频率较高，每个光子的能量较大，所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数较少，即单位时间内发出的光电子数较少，D错误.
考点3　对波粒二象性的理解　［基础考点］
1.对波粒二象性的进一步理解
比较 实验基础 表现
光的波
动性　 干涉和
衍射　 ①光是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小（概率）可用波动规律来描述
②大量的光子在传播时，表现出波的性质
光的粒
子性　 光电效应、
康普顿效
应　　　 ①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质
②少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性
AC　
2.（2024年北京卷）产生阿秒光脉冲的研究工作获得2023年的诺贝尔物理学奖，阿秒（as）是时间单位，1 as=1×10-18 s，阿秒光脉冲是发光持续时间在阿秒量级的极短闪光，提供了阿秒量级的超快“光快门”，使探测原子内电子的动态过程成为可能.设有一个持续时间为100 as的阿秒光脉冲，持续时间内至少包含一个完整的光波周期.取真空中光速c=3.0×108 m/s，普朗克常量h=6.6×10-34 J·s，下列说法正确的是 （　　）
A.对于0.1 mm宽的单缝，此阿秒光脉冲比波长为550 nm的可见光的衍射现象更明显
B.此阿秒光脉冲和波长为550 nm的可见光束总能量相等时，阿秒光脉冲的光子数更多
C
C.此阿秒光脉冲可以使能量为-13.6 eV（-2.2×10-18 J）的基态氢原子电离
D.为了探测原子内电子的动态过程，阿秒光脉冲的持续时间应大于电子的运动周期
3.（2023年江苏卷）“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线.硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ.若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子.已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：
（1）每个光子的动量p和能量E；
（2）太阳辐射硬X射线的总功率P.
知识巩固练
1.一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10-7 m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014 个.普朗克常量为h=6.63×10-34 J·s.R约为 （　　）
A.1×102 m B.3×102 m
C.6×102 m D.9×102 m
（本栏目对应学生用书P448）
B
2.当具有5.0 eV的光子射到一金属表面时，从金属表面逸出的电子具有的最大初动能为1.5 eV，为了使这种金属产生光电效应，入射光子的能量必须不小于 （　　）
A.1.5 eV B.2.5 eV
C.3.5 eV D.5.0 eV
C
3.（多选）关于黑体辐射图像，下列判断正确的是 （　　）
A.T1B.T1>T2>T3>T4
C.测量某黑体辐射强度最强的光的波长可以得知其温度
D.测量某黑体任一波长的光的辐射强度可以得知其温度
BC
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
ACD
【解析】电子束通过双缝产生干涉图样，体现的是波动性，A正确；β射线在云室中留下清晰的径迹，不能体现波动性，B错误；衍射体现的是波动性，C正确；电子显微镜利用了电子束波长短的特性，D正确.
综合提升练
5.在研究光电效应中电子的发射情况与照射光的强弱、光的颜色的关系时，将a、b、c三束光照射到同一光电管的阴极上，得到的光电流与电压的关系如图所示，可知 （　　）
A.a光的频率高于c光的频率
B.c光的频率高于b光的频率
C.单位时间内c光入射的光子数大于b光入射的光子数
D.a光照射时逸出光电子的最大初动能可能比b光照射时的大
C
【解析】由爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W0，其中Ek=eUc，可以看出遏止电压与频率呈线性关系，频率越大，遏止电压越大，所以由图像可知，a光的频率等于c光的频率，c光的频率低于b光的频率，A、B错误；由图可得，c光对应的饱和光电流大于b光对应的饱和光电流，因为饱和光电流越大，单位时间内逸出的光电子数越多，且逸出的光电子数等于入射的光子数，所以单位时间内c光入射的光子数大于b光入射的光子数，C正确；因为最大初动能为Ek=eUc，所以a光照射时逸出光电子的最大初动能一定比b光照射时的小，故D错误.
6.从1907年起，密立根就开始测量金属的遏止电压Uc（即图甲所示的电路中电流计G的读数减小到零时加在电极K、A之间的反向电压）与入射光的频率ν，由此算出普朗克常量h.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Uc-ν图像如图乙所示.下列说法正确的是 （　　）
A.该金属的截止频率约为4.30×1014 Hz
B.该金属的截止频率约为5.50×1014 Hz
C.该图线的斜率为普朗克常量
D.该图线的斜率为这种金属的逸出功
A