高中物理 鲁科版选修3-5学案：第5章+章末小结与测评Word版含答案

对应学生用书P48
 
 
光电效应现象的分析
1.光电效应的特点
(1)产生条件：入射光频率等于或大于被照射金属的极限频率。
(2)入射光频率→决定每个光子能量E＝hν→决定光电子逸出后最大初动能。
(3)入射光强度→决定每秒钟逸出的光电子数→决定光电流大小。
(4)爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋mv2，W表示一个电子从金属表面逸出必须做的最小功，若ν0表示金属的极限频率，则W＝hν0。
2．光电效应问题分析
有关光电效应的问题主要有两个方面：一是关于光电效应现象的判断，二是运用光电效应方程进行简单的计算。解题的关键在于掌握光电效应规律，明确各概念之间的决定关系，准确把握它们的内在联系。
1．[多选]已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0，则(　　)
A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0
C．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大
D．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
解析：选AB　由光电效应的实验规律可知A正确。该金属的极限频率为ν0，则可知逸出功W＝hν0，由光电效应方程Ekm＝hν－W，将ν＝2ν0、W＝hν0代入可知B正确。逸出功由金属自身性质决定，与照射光的频率无关，因此C错误。若ν增大一倍，光电子的最大初动能不增大一倍，D错误。
对光的波粒二象性的理解
光子的能量E＝hν和动量p＝是描述光的粒子性的重要物理量，波长λ和频率ν是描述光的波动性的典型物理量。普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
项目
内容
备注
光的
粒子性
①光与物质发生相互作用时，这种作用是一份一份进行的，表现出粒子的性质
②少量或个别的光子表现出光的粒子性
③频率高的光表现出光的粒子性，频率越高，粒子性越明显
①粒子性的含义是“不连续”、“一份一份的”
②光的粒子性中的粒子不同于宏观观念上的粒子
光的
波动性
①光子传播时，表现出波的性质
②大量光子表现出波动性
③频率低的光表现出光的波动性，波长越长，波动性越明显
①光的波动性是波本身的属性，不是光子之间相互作用产生的
②光的波动性中的波不同于宏观观念上的波
波和粒
子的对
立、统一
①宏观世界：波和粒子是相互对立的
②微观世界：波和粒子是统一的
光子说并没有否定波动说，E＝中c和λ都是波的概念
2．[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，它们的德布罗意波也相等
解析：选AB　光电效应说明光的粒子性，所以A正确；热中子在晶体上产生衍射图样，即运动的实物粒子具有波的特性，即说明中子具有波动性，所以B正确；黑体辐射的实验规律说明电磁辐射具有量子化，即黑体辐射是不连续的、一份一份的，所以黑体辐射用光的粒子性解释，即C错误；根据德布罗意波长公式λ＝，p2＝2mEk，又质子的质量大于电子的质量，所以动能相等的质子和电子，质子的德布罗意波较短，所以D错误。
(时间：60分钟　满分：100分)
一、选择题(共8小题，每小题6分，共48分)
1．已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的(　　)
A．波长　　　　　　　 B．频率
C．能量 D．动量
解析：选A　金属的逸出功W＝hν0，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W可知，从金属钾表面飞出的光电子的最大初动能较金属钙的大，金属钙表面飞出的光电子最大初动能小，因λ＝，所以从钙表面逸出的光电子具有较大的波长，选项A正确。
2．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
解析：选C　用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，根据在胶片出现的图样，说明光有波粒二象性，故A、B错误；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。
3．某光子动量为p，能量为E，则光子的速度为(　　)
A. B．pE
C. D.
解析：选C　由波速和频率的关系式v＝λν，德布罗意波波长公式λ＝，以及光子的能量公式E＝hν可得：v＝λ＝·＝。
4．中子内有一个电荷量为＋e的上夸克和两个电荷量为－e的下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上。下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是(　　)
解析：选B　依据平行四边形定则和对称性，上夸克受到合力方向竖直向下，下夸克受到合力方向竖直向上，故选B。
5．A、B两束不同频率的光波均能使某金属发生光电效应，如果产生光电流的最大值分别为IA、IB，且IAA．照射光的波长λA>λB
B．照射光的光子能量EAC．单位时间内照射到金属板的光子数NAD．照射光的频率νA<νB
解析：选C　产生光电效应时，单位时间内逸出的电子只与光的强度有关，即光电流的最大值只与照射到金属板的光子数有关。若光电流最大值IA6．[多选]关于电子的运动，下列说法正确的是(　　)
A．对于一个运动的电子，同时测量其位置和动量，如果位置测量结果越精确，则动量测量结果也就越准确
B．经典理论所认为的电子的轨道其实是电子出现概率最大的地方组成的图形
C．电子在能量不确定范围小的能级停留时间长
D．“电子云”描述了电子在核周围出现的概率密度
解析：选BCD　由不确定性关系ΔxΔp≥，不能同时确定电子的位置和动量，如果位置测量结果越精确，则动量测量误差就越大，A错。经典理论所认为的电子的轨道并不实际存在，电子在原子内没有确定位置，用点的疏密表示电子出现的概率分布，称为电子云。“电子云”描述了电子在核周围出现的概率密度，B、D正确。由能量和时间的不确定性关系，电子在能量不确定范围小的能级停留时间长，C正确。
7．[多选]关于光的波粒二象性，下列说法正确的是(　　)
A．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性
B．光在传播时往往表现出波动性，光跟物质相互作用时往往表现出粒子性
C．频率高的光波动性显著，频率低的光粒子性显著
D．光既有波动性又有粒子性，说明光既是波又是粒子
解析：选AB　光在一定条件下波动性显著，在另一条件下的粒子性显著。大量光子产生的效果显示波动性，个别光子产生的效果则显示出粒子性，A、B正确。频率高的光波长短，粒子性明显，频率低的光波动性明显，C错。不能将光的波粒二象性理解成光既是波又是粒子，它既不同于宏观概念中的波，也不同于宏观概念的粒子，D错。
8．[多选](2017·全国卷Ⅲ)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb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(　　)
A．若νa>νb，则一定有UaB．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb
C．若UaD．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb
解析：选BC　设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误。
二、非选择题(共4小题，共52分)
9．(12分)用不同频率的光照射某金属均产生光电效应，测量金属的遏止电压Uc与入射光频率ν，得到Uc-ν图像，如图所示。由图像可得该金属的极限频率νc＝________ Hz，普朗克常量h＝__________ J·s。已知电子电荷量e＝1.6×10－19 C。(两空答案均要求保留两位有效数字)
解析：对于电子在电场中减速运动的过程，由动能定理得eUc＝Ek
根据光电效应方程有Ek＝hν－W
又W＝hνc，联立以上几式得Uc＝(ν－νc)
由Uc-ν图像可知，图线与ν轴的交点对应的频率表示极限频率νc，斜率表示。
由题图读出相应数据，计算即可。
答案：5.0×1014　6.4×10－34
10．(12分)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＝3×108 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。
解析：波长为λ的光子能量为E＝
设灯泡每秒内发出的光子数为n，灯泡的电功率为P。
则n＝，式中k＝5%是灯泡的发光效率，
联立解得n＝，
代入数据得n≈1.4×1019 个。
答案：1.4×1019 个
11．(14分)原子核的半径为10－15 m，估算核内质子的动量不确定范围。如果电子被限制在核内，其动量不确定范围又是多少？
解析：设质子的位置不确定范围等于原子核的半径，即Δx＝10－15 m，由不确定关系公式Δx·Δp≥
得Δp≥＝5.3×10－20 kg·m/s。
同理，电子被限制在核内，动量的不确定范围与质子一样为：Δp1≥5.3×10－20 kg·m/s。
答案：Δp≥5.3×10－20 kg·m/s　
Δp1≥5.3×10－20 kg·m/s
12.(14分)研究光电效应规律的实验装置如图所示，光电管的阴极材料为金属钾，其逸出功为W0＝2.25 eV，现用光子能量为10.75 eV的紫外线照射光电管，调节变阻器滑片位置，使光电流刚好为零。求：
(1)电压表的示数是多少？
(2)若照射光的强度不变，紫外线的频率增大一倍，阴极K每秒内逸出的光电子数如何变化？到达阳极的光电子动能为多大？
(3)若将电源的正负极对调，到达阳极的光电子动能为多大？
解析：(1)由光电效应方程Ek＝hν－W0得
光电子最大初动能Ek＝8.50 eV
光电管两端加有反向电压，光电子由K向A做减速运动。由动能定理－eU＝EkA－Ek，其中EkA＝0，得
U＝＝8.50 V。
(2)设光的强度为nhν，光强不变，频率增大一倍，则每秒入射的光子数n减为原来的一半，阴极K每秒内逸出的光电子数也减为原来的一半。
由光电效应方程得光电子的最大初动能
Ek′＝hν′－W0＝2hν－W0＝19.25 eV
电子由阴极向阳极做减速运动。
由动能定理－eU＝EkA′－Ek′，得EkA′＝10.75 eV。
(3)若将电源的正负极对调，光电管上加有正向电压，光电子从阴极向阳极做加速运动，由动能定理eU＝EkA″－Ek，得EkA″＝17.00 eV。
答案：(1)8.50 V　(2)减为原来的一半　10.75 eV　(3)17.00 eV