《学霸笔记 同步精讲》第6章 波粒二象性 本章整合（课件）高中物理教科版选择性必修3

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本 章 整 合
第六章
2026
内容索引
01
02
知识网络·系统构建
重点题型·归纳剖析
知识网络·系统构建
电磁波
增加
较短
ε=hν
电子
光强
频率
瞬时
光子
电子
物质波
重点题型·归纳剖析
一、
量子论与光子说
1.量子论:德国物理学家普朗克提出,电磁波的发射和吸收是不连续的,是一份一份的,每一份电磁波的能量ε=hν。
2.光子说:爱因斯坦提出,空间传播的光也是不连续的,是一份一份的,每一份称为一个光子,光子具有的能量与光的频率成正比,即ε=hν,其中h为普朗克常量,通常取h=6.63×10-34 J·s。
【例题1】 (多选)下列对光子的认识正确的是(　　)
A.“光子说”中的光子就是牛顿在微粒说中所说的“微粒”
B.“光子说”中的光子就是光电效应的光电子
C.在空间传播的光是不连续的,是一份一份的,每一份叫作一个光量子,简称光子
D.光子的能量跟光的频率成正比
答案:CD
解析:根据光子说,在空间传播的光是不连续的,是一份一份的,每一份叫作一个光量子,简称光子。而牛顿的“微粒说”中的微粒指宏观世界的微小颗粒。光电效应中,金属内的电子吸收光子后克服原子核的库仑引力束缚,逸出金属表面,成为光电子,故A、B选项错误,C选项正确。由ε=hν知,光子能量ε与其频率ν成正比,故D选项正确。
【变式训练1】 已知功率为100 W的灯泡消耗的电能的5%转化为所发出的可见光的能量,光速c=3.0×108 m/s,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,假定所发出的可见光的波长都是560 nm,计算灯泡每秒内发出的光子数。
答案:1.4×1019
二、
光电效应
1.光电效应规律
(1)任何一种金属都对应一个截止(极限)频率,入射光频率必须大于截止频率才会产生光电效应。
(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)当入射光频率大于截止频率时,保持频率不变,饱和光电流的大小随入射光的强度的增大而增大。
(4)入射光照到金属上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。
3.应用光电效应规律解题的技巧
(1)光电流未达到饱和值之前,其大小不仅与入射光的强度有关,还与光电管两极间的电压有关。
(2)明确两个决定关系
①逸出功W一定时,入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。
②入射光的频率一定时,入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。
【例题2】 在光电效应的实验结果中,与光的波动理论不矛盾的是(　　)
A.光电效应是瞬时发生的
B.所有金属都存在极限频率
C.光电流随着入射光增强而变大
D.入射光频率越大,光电子最大初动能越大
答案:C
解析:光的波动理论认为只要光照射的时间足够长、足够强就能发生光电效应,且照射时间越长,光电子的初动能越大。但实验中金属表面逸出电子的条件是入射光的频率大于金属的极限频率,发生是瞬时的,且入射光频率越大,光电子最大初动能越大,这与光的波动理论相矛盾,故A、B、D三项错误。波动理论认为光强度越大,光电流越大;光电效应中认为光强度越大,光子越多,金属表面逸出的光电子越多,即光电流越大,所以该实验结果与波动理论不矛盾,故C项正确。
【变式训练2】 用波长为2.0×10-7 m的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子的最大初动能是4.7×10-19 J。由此可知,钨的极限频率是(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3.0×108 m/s,结果取两位有效数字)(　　)
A.5.5×1014 Hz
B.7.9×1014 Hz
C.9.8×1014 Hz
D.1.2×1015 Hz
答案:B
三、
用图像表示光电效应的规律
1.Ek-ν图像
根据爱因斯坦光电效应方程可得Ek=hν-W,光电子的最大初动能Ek是入射光频率ν的一次函数,图像如图所示。其横轴截距为金属的极限频率ν0,纵轴截距是金属的逸出功的负值;斜率为普朗克常量h。
2.I-U图像
【例题3】 (多选)图(a)是光电效应的实验装置图,图(b)是通过改变电源极性得到的光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像,下列说法正确的有(　　)
A.由图(a)可知,闭合开关,电子飞到阳极A
的动能比其逸出阴极K表面时的动能小
B.由图(a)可知,光照一定时,闭合开关,向右移动滑动变阻器的滑片,在电压表的示数增大到某一值后,电流表的示数将不再增大
C.由图(b)可知,光线③光子的频率小于光线①光子的频率
D.由图(b)可知,①②是同种颜色的光,①的光的强度比②的大
答案:BD
解析:分析题图(a),光电管两端加正向电压,静电力对电子做正功,电子飞到阳极A的动能比其逸出阴极K表面时的动能大,选项A错误;向右移动滑动变阻器,光电管中电压增大,当光电管中的电流达到饱和光电流时,电流表示数将不再增大,选项B正确;根据光电效应方程hν=W0+Ekm,结合遏止电压eUc=Ekm整理得Uc=ν-,③光子的遏止电压大于①光子的遏止电压,所以③光子的频率大于①光子的频率,选项C错误;①②遏止电压相同,①②频率相同,所以①②是同种颜色的光,①的饱和光电流大于②的饱和光电流,①的光的强度比②的大,选项D正确。
【变式训练3】 某兴趣小组用如图(a)所示的电路探究光电效应的规律。根据实验数据,小刚同学作出了光电子的最大初动能与入射光频率的关系图线如图(b)所示,小娜同学作出了遏止电压与入射光频率的关系图线如图(c)所示。已知光电子的电荷量为e,则下列说法正确的是(　　)
(a)
(b)
答案:C
解析:根据爱因斯坦光电效应方程可得Ek=hν-W,如果题图(b)、(c)中研究的是同一金属的光电效应规律,则a=ec,故A错误;不同的金属极限频率不同,如果研究不同金属光电效应的规律,在题图(b)中经过横坐标的位置不同,故B错误;根据eUc=hν-hν0,得到Uc=ν-,如果研究不同金属光电效应的规律,Uc-ν图像的斜率不变,所以在题图(c)中将得到一系列平行的倾斜直线,故C正确;根据题图(c)结合Uc=ν-可得,解得普朗克常量h=,故D错误。
四、
光的波粒二象性、物质波
1.大量光子产生的效果显示出波动性,比如干涉、衍射现象中,如果用强光照射,在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹,波动性体现了出来;个别光子产生的效果显示出粒子性,如果用微弱的光照射,在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点,粒子性充分体现;但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下,在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性,倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。
2.光子和电子、质子等实物粒子一样,具有能量和动量。
3.光子的能量与其对应的频率成正比,而频率是波动性特征的物理量,因此ε=hν揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。
4.对不同频率的光,频率低、波长长的光,波动性特征显著;而频率高、波长短的光,粒子性特征显著。
5.光在传播时体现出波动性,在与其他物质相互作用时体现出粒子性。
6.处理光的波粒二象性的关键是正确理解其二象性,搞清光波是一种概率波。
7.光的干涉、衍射、光的偏振说明光具有波动性,光电效应、康普顿效应则证明光具有粒子性,因此,光具有波粒二象性,对于光子这样的微观粒子只有从波粒二象性出发,才能统一说明光的各种行为。
8.电子的衍射实验,说明了一些物质微粒也像光子一样具有波粒二象性。
【例题4】 (多选)波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的有
A.光电效应现象揭示了光的粒子性
B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性
C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等
答案:AB
(　　)
【变式训练4】 对于物质的波粒二象性,下列说法不正确的是(　　)
A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性
B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道
C.运动的宏观物体,其德布罗意波长比物体的尺寸小很多,因此无法观察到它的波动性
D.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性
答案:D
解析:一切物质都具有波粒二象性,而宏观物体的德布罗意波长太小,比物体的尺寸小很多,实际很难观察到它的波动性,不是不具有波粒二象性,故A、C正确,不符合题意;物质具有波动性,运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨道,故B正确,不符合题意,D错误,符合题意。