高中物理教科版选修3-5 期末复习学案　光电效应　原子结构 Word版含解析

　光电效应　原子结构


1．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个__极限__频率，入射光的频率低于这个频率时不发生光电效应．
(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)入射光照射到金属板上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不会超过10－9 s.
(4)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．
2．光电效应方程
(1)光电子的最大初动能Ek跟入射光子的能量hν和逸出功W0的关系为：Ek＝__hν－W0__．
(2)__截止__频率νc＝____．
3．氢原子能级图
(1)氢原子能级图如图所示．
(2)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，最多可能辐射出的光谱线条数：N＝__C＝__．

考点一　光电效应与光电效应方程
例1 (多选)爱因斯坦成功地解释了光电效应现象，提出了光子说，关于与光电效应有关的四个图象的说法正确的是(　　)
A．如图甲装置，如果先让锌板带负电，再用紫外线照射锌板，则验电器的张角可能变小
B．根据图乙可知，黄光越强，光电流越大，说明光子的能量与光强有关
C．由图丙可知νc为该金属的截止频率
D．由图丁可知E等于该金属的逸出功
【解析】锌板带负电，验电器由于带负电，张开一定的角度，当紫外线照射锌板时，产生光电子，则验电器的张角变小，故A正确．黄光越强，光子数越多，产生光电子越多，光电流越大，但光子的能量与光强无关，故B错误．根据Ekm＝hν－W0＝eUc，解得Uc＝－＝(ν－νc)，由丙图可知νc为该金属的截止频率，故C正确．根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，当ν＝0时，Ekm＝－W0，由图象知纵轴截距－E，所以W0＝E，即该金属的逸出功为E，故D正确．
【答案】ACD
【方法总结】1.对理解光电效应的四点提醒：
(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”不仅指可见光，还包括不可见光．
(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．光电效应的研究思路
(1)两条线索：
(2)两条对应关系：
→→→
→→
3．三个关系
(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可以利用光电管用实验的方法测得，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，它与截止频率νc的关系是W0＝hνc.
4．对于光电效应图象，先弄清坐标轴表示的物理量，弄清截距、斜率的物理意义．
光电效应的图象
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截止频率：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
②饱和光电流Im：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截止频率νc：图线与横轴的交点
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量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)
　　变式训练1 (多选)如图甲所示是研究光电效应规律的实验电路．用波长为λ1的单色光a照射阴极K，反复调节滑动变阻器，灵敏电流计的指针都不发生偏转；改用波长为λ2的单色光b照射K，调节滑动变阻器，测得流过灵敏电流计的电流I与A、K之间的电势差UAK满足如图乙所示规律．则(　　)
A．λ1＞λ2
B．增加a光的照射强度一定能使电流计的指针发生偏转
C．如果只增加b光的照射强度，则图象与横轴交点不变
D．如果只改变阴极K的材料，则图象与横轴交点不变
【解析】用波长为λ1的单色光a照射阴极K，反复调节滑动变阻器，灵敏电流计的指针都不发生偏转，说明单色光a不能发生光电效应现象，单色光b可以发生光电效应现象．发生光电效应现象的条件是入射光的频率大于金属的截止频率，故a光的频率低，波长长，故λ1＞λ2，故A正确；增加a光的照射强度不能发生光电效应现象，电流计指针不偏转，故B错误；只增加b光的照射强度，则饱和光电流增加，图象与纵轴交点的读数变大，图象与横轴交点的读数不变，故C正确；图象与横轴交点的读数的绝对值表示遏止电压的大小，改变阴极K的材料，则改变了截止频率，改变了逸出功W0，根据爱因斯坦光电效应方程结合动能定理可知，eUc＝hν－W0，遏止电压变化，则图象与横轴交点变化，故D错误．
【答案】AC
考点二　光的波粒二象性
例2(多选)下列说法正确的是(　　)
A．光子既具有粒子性，也具有波动性，且两者是不矛盾的
B．光电效应表明光具有波动性
C．1927年科学家利用晶体做了电子束衍射实验，证实了电子的波动性并提出实物粒子也具有波动性
D．玻尔将量子观念引入原子领域，提出了轨道量子化与定态的假设，成功地解释了氢原子光谱的实验规律
【解析】光具有波粒二象性，A正确；光电效应及康普顿效应表明光具有粒子性，B错误；1927年科学家利用晶体得到了电子束的衍射图样，有力地证明了实物粒子的波动性，C正确；玻尔原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律，D正确．
【答案】ACD
【方法总结】对于光子这样的微观粒子，只有用波粒二象性的观点才能解释它的所有行为，粒子性表现在个别光子与物质发生作用时的作用效果，且频率越高，粒子性越明显；大量光子在传播过程中表现出波动性且波长越长，波动性越明显．
变式训练2太阳辐射到地球表面的功率约为1 400 W/m2.其中包含了各种波长的红外线、可见光、紫外线等，以可见光部分最强．作为一种简化，我们认为太阳光全部是平均波长600 nm(1 nm＝10－9 m)的黄绿光，每秒至少有5个这样的光子进入人眼才能引起视觉，人眼睛的瞳孔面积约为10 mm2，则人眼能看到最远的与太阳相同的恒星与地球距离为多少倍的日－地距离(已知普朗克常数h＝6.63×10－34 J·s)(　　)
　　　　　　　　　　　　
A．9×104 B．9×107
C．9 ×1010 D．9×1014
【解析】设日－地距离为r，则P0＝；设人眼到最远的与太阳相同的恒星的距离为R，则P1·S0t＝5，其中：P1＝，解得：P1＝＝ W≈1.66×10－13 W，则＝＝≈9×107；故B正确，A、C、D错误．
【答案】B
考点三　玻尔理论与原子跃迁
例3 据国家科技部2017年3月6日报道，迄今为止，科学家已经成功检测定位了纳米晶体结构中的氢原子．按玻尔氢原子理论，氢原子的能级图如图所示，下列判断正确的是(　　)
A．氢原子从第4激发态跃迁到第2激发态需要吸收光子
B．一个处于n＝4的激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出6条光谱线
C．用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，可观测到多种不同频率的光子
D．氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，氢原子的电势能减小，电子的动能增大
【解析】氢原子从第4激发态跃迁到第2激发态会辐射光子，故A错误；一个处于n＝4的激发态的氢原子，当它向基态跃迁时最多可以发出3条不同频率的光谱线，故B错误；氢原子发生能级跃迁时吸收或放出的光子能量等于两能级的能量差：－13.6 eV＋13.06 eV＝－0.54 eV，可知氢原子跃迁到第5能级，根据C＝＝10知，氢原子辐射的不同波长的光子最多有10种，故C正确；氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，轨道半径增大，因电场力做负功，故氢原子电势能增大，电子的动能减小，D错误．
【答案】C
【方法总结】1.定态间的跃迁——满足能级差：
(1)从低能级(n)高能级(m)→吸收能量．hν＝Em－En.
(2)从高能级(m)低能级(n)→放出能量．hν＝Em－En.
2．电离：电离态与电离能
电离态：n＝∞，E＝0
基态→电离态：E吸>0－E1＝|E1|.
激发态→电离态：E吸>0－En＝|En|.
若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子动能不为零．
变式训练3 如图所示为氢原子能级示意图，一群处于n＝4的激发态的氢原子，向低能级跃迁的过程中向外辐射不同频率的光子，用这些光子分别照射逸出功为4.54 eV的金属钨，下列说法正确的是(　　)
A．这群氢原子在辐射光子的过程中，电子绕核运动的动能增大，电势能减小
B．这群氢原子能辐射6种不同频率的光，其中从n＝4的能级跃迁到n＝1的能级辐射出的光子的动量最小
C．这群氢原子辐射的6种不同频率的光中，能让金属钨发生光电效应的有4种
D．金属钨表面所发出的光电子的最大初动能是8.52 eV
【解析】氢原子辐射光子的过程中，能量减小，轨道半径减小，根据＝知，电子动能增大，则电势能减小，故A正确；一群氢原子处于n＝4的激发态，在向较低能级跃迁的过程中，根据数学组合C＝6，则可能发出6种不同频率的光子，因为n＝4和n＝1间能级差最大，所以从n＝4跃迁到n＝1辐射出的光子频率最高，波长最短，再由物质波波长公式λ＝，则有辐射出的光子的动量最大，故B错误；这群氢原子所能发出的不同频率的光子中，当对应的能量大于或等于金属钨的逸出功4.54 eV时，才能发生光电效应，则共有三种，故C错误；从n＝4跃迁到n＝1发出的光子频率最高，发出的光子能量为ΔE＝(13.60－0.85) eV＝12.75 eV，根据光电效应方程Ekm＝hν－W0得，最大初动能Ekm＝12.75 eV－4.54 eV＝8.21 eV，故D错误．
【答案】A