第十六章 第1讲　光电效应　波粒二象性 课时练作业ppt

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第十六章　近代物理
第1讲　光电效应　波粒二象性
物理
内容索引
必备知识梳理
关键能力提升
第一部分
第二部分
考点一　光电效应规律的应用
考点二　光电效应的方程和图像
01
02
考点三　光的波粒二象性和物质波
03
课时作业
第三部分
课程标准 备考策略
1.了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。 2．了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程。 3．了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护。 4．认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 5．了解人类对物质结构的探索历程 1.知道原子的结构，理解玻尔理论及原子跃迁规律，理解氢原子光谱。
2．理解光电效应现象，掌握光电效应方程，掌握应用图像分析光电效应问题。
3．理解天然放射现象，知道三种射线的特点，知道半衰期的概念，理解衰变规律。
4．会书写核反应方程，掌握质能方程，会计算核能
必备知识梳理
第
分
部
一
自主学习·基础回扣
1．黑体、黑体辐射的实验规律
(1)黑体：能够________入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。
(2)黑体辐射的实验规律
①对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与____有关，还与材料的____及表面状况有关。
②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的____有关，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有____，另一方面，
辐射强度的极大值向波长____的方向移动，如图所示。
完全吸收
温度
种类
温度
增加
较短
2．能量子
(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的______，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小：ε＝____，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量。h＝6.626×10-34 J·s(一般取h＝6.63×10-34 J·s)。
整数倍
hν
3．光电效应及其规律
(1)光电效应现象：照射到金属表面的光，能使金属中的____从表面逸出的现象，发射出来的电子叫______。
(2)光电效应的产生条件：入射光的频率__________金属的截止频率。
(3)光电效应规律
①每种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须__________这个截止频率才能产生光电效应。
电子
光电子
大于或等于
大于或等于
②光电子的最大初动能与入射光的____无关，只随入射光频率的增大而____。
③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s。
④当入射光的频率大于截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成____。
光电效应现象可认为是光子把原子最外层的电子撞了出来，是一对一的关系，而且是瞬时的。
强度
增大
正比
4．爱因斯坦光电效应方程
(1)光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光子，光子的能量ε＝____。
(2)逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的______。
(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的____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＝________。
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__________。
hν
最小值
电子
hν－W0
最大初动能
5．光的波粒二象性与物质波
(1)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，即光具有________性。
(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
1．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应。(　 　)
2．光电子就是光子。(　 　)
3．截止频率越大的金属材料逸出功越大。(　 　)
4．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。(　 　)
5．入射光的频率越大，逸出功越大。(　 　)
6．光电效应说明了光具有粒子性，证明光的波动说是错误的。(　 　)
概念辨析
×
×
√
×
×
×
关键能力提升
第
分
部
二
互动探究·考点精讲
考点一　光电效应规律的应用
1．与光电效应有关的五组概念对比
(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：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的情况，才具有最大初动能。
(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，而光子能量E＝hν。
(5)光的强度与饱和光电流：频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大。
2．光电效应的研究思路
(1)两条线索
(2)两条对应关系
①入射光强度大→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。
【典例1】　2024年5月19日，我国最大的海上光伏项目——中核田湾200万千瓦滩涂光伏示范项目在江苏连云港正式开工建设。光伏发电的主要原理是光电效应，即在光的照射下物体表面能发射出电子的现象。实验发现，用紫光照射金属锌能发生光电效应，而红光照射时不能使锌发生光电效应，这是因为(　 　)
A．红光的频率小于金属锌的截止频率
B．红光光子能量大于紫光光子能量
C．红光照射的时间不够长
D．红光的强度小于紫光的强度
A
【解析】　只有当入射光的频率大于或等于金属的截止频率时，才能发生光电效应，红光照射时不能使锌发生光电效应，这是因为红光的频率小于金属锌的截止频率，与光照时间无关，故A正确，C错误；红光频率小于紫光频率，则红光光子能量小于紫光光子能量，故B错误；根据题意无法比较红光的强度与紫光的强度的大小关系，故D错误。
1．下列有关光电效应的说法正确的是(　 　)
A．只要入射光照射时间足够长，任何金属都能发生光电效应
B．对于某种金属，只要入射光频率低于截止频率就不能发生光电效应
C．金属的逸出功与入射光的频率有关，入射光频率越大，逸出功越大
D．饱和光电流与入射光的频率有关，入射光频率越大，饱和光电流一定越大
对点演练
B
解析：光电效应的条件是入射光的频率大于或等于金属的截止频率，与入射光照射时间无关，故A错误，B正确；金属的逸出功与金属本身有关，与入射光的频率无关，故C错误；在光电效应中，入射光越强，饱和光电流越大，与入射光频率无关，故D错误。
2．某光源发出的光由不同频率的光组成，不同频率的光的强度如图所示，表中给出了某些材料的截止频率，用该光源发出的光照射表中材料，下列说法正确的是(　 　)
材料 钾 钙 钨
截止频率/(1014Hz) 5.44 7.73 10.95
D
A．仅钾能产生光电子
B．仅钨、钙能产生光电子
C．仅钙、钾能产生光电子
D．钨、钙、钾都能产生光电子
解析：由题图可知，该光源发出的光的频率在6×1014～14×1014 Hz，而三种材料中，钨的截止频率最高，是10.95×1014 Hz，小于14×1014 Hz，所以该光源能使这三种材料都产生光电子，故选D。
考点二　光电效应的方程和图像
1．三个关系式
(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可以利用光电管通过实验的方法测得，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，由金属本身决定，它与金属的截止频率νc的关系是W0＝hνc。
2．四类图像
考向1 光电效应方程的应用
【典例2】　(2024·海南卷)利用如图所示的装置研究光电效应，单刀双掷开关S接1，用频率为ν1的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U1，已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是(　 　)
A．其他条件不变，增大光强，电压表示数增大
B．改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，
此时电压表示数仍为U
C．其他条件不变，使开关接S2，电流表示数仍为零
D
考向2 光电效应图像选取
【典例3】　研究某种金属的光电效应规律，所得相关图像分别如图甲、乙、丙、丁所示，Ek为光电子的最大初动能、ν为入射光的频率、I为光电流、U为两极板间的电压、Uc为遏止电压。下列说法正确的是(　 　)
D
考向3 光电效应I－U图像信息应用
【典例4】　用如图甲所示的实验装置研究光电效应，电路中电源的正负极可以对调，用一定强度、频率为ν的激光照射阴极K时，得到的光电子遏止电压为U0，饱和电流为Im，如图乙所示。已知光电子的质量为m，所带的电荷量为－e，普朗克常量为h，下列说法正确的是(　 　)
B
考向4 光电效应Uc－ν图像信息应用
【典例5】　(2022·河北卷)如图所示是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知(　 　)
A．钠的逸出功为hνc
B．钠的截止频率为8.5×1014Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量h
D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
A
考向5 光电效应Ek－ν图像信息应用
【典例6】　甲、乙两种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光频率间的关系分别如图中的a、b所示。下列判断正确的是(　 　)
A．图线a与b不一定平行
B．图线a与b的斜率是定值，与入射光和
金属材料均无关系
C．乙金属的截止频率小于甲金属的截止频率
D．甲、乙两种金属发生光电效应时，若光电子的最大初动能相同，甲金属的入射光频率大
B
【解析】　根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν图线的斜率代表普朗克常量，两直线一定平行，A错误；普朗克常量与入射光和金属材料均无关系，B正确；横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率，也就是金属的截止频率，故乙金属的截止频率大于甲金属的截止频率，C错误；甲、乙两种金属发生光电效应时，若光电子的最大初动能相同，甲金属的入射光频率小，D错误。
考点三　光的波粒二象性和物质波
1．光的波粒二象性
(1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的；光的波动性不同于宏观观念的波。
(2)光的粒子性的含义是“不连续”“一份一份”的；光子不同于宏观观念的粒子。
【典例7】　(多选)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23 kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31 kg，普朗克常量取6.6×10-34 J·s，下列说法正确的是(　 　)
A．发射电子的动能约为8.0×10-15 J
B．发射电子的物质波波长约为5.5×10-11 m
C．只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉
D．如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样
BD
3．(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；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(　 　)
对点演练
BC
A．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
B．单个光子的运动没有确定的轨道
C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D．只有光子具有波粒二象性，微观粒子不具有波粒二象性
解析：光具有波粒二象性，少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性。单个光子通过双缝后的落点无法预测，大量光子的落点出现一定的规律性，落在某些区域的可能性较大，这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域。不论光子还是微观粒子，都具有波粒二象性，故B、C正确，A、D错误。
4．已知电子的质量约为9.1×10-31 kg，一个电子和一个直径为4 μm的油滴具有相同的动能，则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为(　 　)
A．10-8 B．10-4
C．102 D．108
D
课时作业77
第
分
部
三
1．(5分)(2024·湖南卷)量子技术是当前物理学应用研究的热点，下列关于量子论的说法正确的是(　 　)
A．普朗克认为黑体辐射的能量是连续的
B．光电效应实验中，红光照射可以让电子从某金属表面逸出，若改用紫光照射也可以让电子从该金属表面逸出
C．康普顿研究石墨对X射线散射时，发现散射后仅有波长小于原波长的射线成分
D．德布罗意认为质子具有波动性，而电子不具有波动性
B
2．(5分) (多选)如图所示，用导线把不带电的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
解析：用紫外线照射锌板时，锌板里的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出，称之为光电子，故A错误，B正确；锌板与验电器相连，带有相同电性的电荷，锌板失去电子带正电，且失去的电子越多，带正电的电荷量越多，验电器指针张角越大，故C正确，D错误。
3．(5分)四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系如图所示。有关黑体辐射的实验规律和科学家们对黑体辐射的研究，下列说法正确的是(　 　)
A．在同一温度下，波长越短的电磁波辐射强度越大
B.随着温度升高，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
C．随着温度升高，波长短的辐射强度增大，波长长的辐射强度减小
D．德国物理学家普朗克借助于能量子假说，提出的黑体辐射强度公式与实验相符
D
解析：由题图可知，随着温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，B错误；随着温度升高，各种波长的辐射强度都增大，C错误；在同一温度下，随着波长变短，电磁波辐射强度先增大后减小，A错误；德国物理学家普朗克借助于能量子假说，提出的黑体辐射强度公式与实验相符，D正确。
4．(5分)(多选)(2024·辽宁卷)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固有属性，仅与金属自身有关，增加此X光的强度，该金属逸出功不变，故A错误；根据光子能量公式ε＝hν可知，增加此X光的强度，X光的光子能量不变，故B正确；根据爱因斯坦光电方程Ekm＝hν－W0，可知逸出的光电子最大初动能不变，故C错误；增加此X光的强度，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，故D正确。
5．(5分)(多选)(2024·贵州卷)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST，其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为21 cm的中性氢辐射，另一处是波长为18 cm的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子(　 　)
A．频率更大 B．能量更小
C．动量更小 D．传播速度更大
BC
6．(5分)金属钛由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”。用频率为2.5×1015 Hz的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图线如图所示。普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，则下列说法正确的是(　 　)
A．钛的截止频率为2.5×1015 Hz
B．钛的逸出功为6.63×10-19 J
C．随着入射光频率的升高，钛的逸出功增大
D．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
B
解析：由题图可知，当最大初动能等于零时，入射光的频率等于金属的截止频率，则有νc＝1.0×1015 Hz，可知钛的逸出功W0＝hνc＝6.63×10-34×1.0×1015 J＝6.63×10-19 J，A错误，B正确；逸出功由金属本身的性质决定，与入射光频率无关，C错误；由题图可知，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，D错误。
7．(5分)某研究小组用图甲所示光电效应实验的电路图，来研究两个光电管a、b用同一种光照射情况下的光电流与电压的关系，测得两光电管a、b两极间所加电压U与光电流I的关系如图乙所示。则下列有关这两个光电管的说法正确的是(　 　)
A．a的饱和光电流大，所以照射光电管a的光
子能量大
B．照射光电管b时产生光电子的最大初动能大
C．照射两光电管时光电管b产生光电子需要的时间较长
D．光电管a阴极所用金属的截止频率小
B
解析：照射两个光电管所用的是同一种光，光子能量相同，A错误；根据动能定理有－eUc＝0－Ek，可知最大初动能与遏止电压成正比，根据题图可知Uca8．(5分) (2023·浙江1月选考)被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中，有η(η＜1)倍被天眼接收，天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h，则该天体发射频率为ν光子的功率为(　 　)
A
9．(5分) (2025·湖北武汉高三检测)用如图所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零。移动滑动变阻器的滑片P，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为零，则在该实验中(　 　)
A．光电子的最大初动能为1.05 eV
B．光电管阴极的逸出功为1.7 eV
C．开关S断开，电流表G示数为零
D．当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，电压表示
数增大
D
解析：由题意可知，遏止电压Uc＝1.7 V，光电子的最大初动能Ek＝eUc＝1.7 eV，A错误；根据光电效应方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05 eV，B错误；断开开关S，依然发生光电效应，产生光电流，光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路，电流表中电流不为零，C错误；电源电压为反向电压，当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，D正确。
10．(5分) (2024·浙江卷)如图所示，金属极板M受到紫外线照射会逸出光电子，最大速率为vm。正对M放置一金属网N，在M、N之间加恒定电压U。已知M、N间距为d(远小于板长)，电子的质量为m、电荷量为e，则(　 　)
A．M、N间距离增大时电子到达N的动能也增大
C
11．(5分)某实验小组研究光电效应的规律时，用不同频率的光照射同一光电管并记录数据，得到遏止电压与频率的关系图线如图甲所示，当采用绿色强光、绿色弱光、紫色弱光三种光照射同一光电管时，得到的光电流与电压的关系如图乙所示。已知电子的电荷量为e，结合图中数据可知(　 　)
A
12．(10分)某点光源以功率P向外均匀辐射某频率的光子，点光源正对图中的光电管窗口，窗口的有效接收面积为S，每个光子照射到阴极K都能激发出一个光电子。已知闭合开关时电压表示数为U，阴极K的逸出功为W0，光速为c，电子电荷量为e，光子能量为E，光电管每秒接收到N个光子。求：
(1)光子的动量大小p和光电子到达阳极A时的最大动能Ekm；
(2)微安表的最大电流I和光电管窗口距点光源的距离R。