(共16张PPT)
单元整合
一、光电效应的三种图像
图像名称
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,方程Ek=hν-W0
?
①极限频率:图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0=E
③普朗克常量:图线的斜率k=h
颜色不同即入射光的频率ν不同时,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:Ekm=eUc
图像名称
图线形状
由图线直接(间接)得到的物理量
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)
例1
(2020河北石家庄三模)物理学家密立根利用如图甲所示的电路研究金属钾的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系,其图像如图乙所示。已知电子的电荷量为e。下列说法正确的是( )
A.若仅增大入射光的光强,则光电子的最大初动能增大
B.若增大入射光的频率,则光电子的最大初动能保持不变
C.由Uc-ν图像可知,金属钾的截止频率为ν0
D.由Uc-ν图像可求出普朗克常量为
解析根据爱因斯坦光电效应方程可知,Ekm=hν-W0,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,与入射光的频率有关,随着入射光频率的增大,光电子的最大初动能增大,故AB错误;
答案D
例2
(2020山东青岛二模)图甲为某实验小组探究光电效应规律的实验装置,使用a、b、c三束单色光在同一光电管中实验,得到光电流与对应电压之间的关系图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.a光频率最大,c光频率最小
B.a光与c光为同种色光,但a光强度大
C.a光波长小于b光波长
D.a光与c光照射同一金属,逸出光电子的初动能都相等
解析根据爱因斯坦光电效应方程可知,Ek=hν-W0,根据动能定理可知,eUc=Ek,入射光的频率越高,对应的遏止电压Uc越大,分析图像可知,a、c光的遏止电压比b光小,则a、c光的频率小于b光,故A错误;分析图像可知,a光和c光的遏止电压相等,则频率相等,a光与c光为同种色光,a光的饱和光电流大,则a光内含有的光子个数多,即a光的光强大于c光,故B正确;a光的遏止电压小于b光的遏止电压,则a光的频率小于b光的频率,根据频率和波长的关系可知,
,则b光的波长小于a光的波长,故C错误;a光的遏止电压等于c光的遏止电压,由Ekm=eUc可知,a光产生的光电子的最大初动能等于c光产生的光电子的最大初动能,但并不是逸出光电子的初动能都相等,故D错误。
答案B
例3
(2020广西贺州二模)钠金属的极限波长为540
nm,白光是由多种色光组成的,其波长范围为400~760
nm。若用白光照射钠金属,则下面四幅表示逸出的光电子的最大初动能Ek与入射光波长λ(或波长的倒数
)的关系图像中,可能正确的是( )
答案C
二、带电粒子比荷的测定
常见的三种测量带电粒子的比荷的方法
1.利用磁偏转测量
(1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度
。
例4
如图所示为一种可用于测量电子电荷量e与质量m比值
的阴极射线管,管内处于真空状态。图中L是灯丝,当接上电源时可发射电子。A是中央有小圆孔的金属板,当L和A间加上电压时(其电压值比灯丝电压大很多),电子将被加速并沿图中虚直线所示的路径到达荧光屏S上的O点,发出荧光。P1、P2为两块平行于虚直线的金属板,已知两板间距为d。在虚线所示的椭圆形区域内可施加一匀强磁场,已知其磁感应强度为B,方向垂直纸面向外。a、b1、b2、C1、C2都是固定在管壳上的金属引线。E1、E2、E3是三个电压可调并可读出其电压值的直流电源。
(1)试在图中画出三个电源与阴极射线管的有关引线的连线;
(2)导出计算
的表达式。要求用应测物理量及题给已知量表示。
解析(1)在b1、b2间接E1作为灯丝的加热电源,对于电源的极性没有要求;在a、b2间接E2作为加速电压,要求a接E2的正极;在C1、C2间接E3作为速度选择器的偏转电压,要求C2接E3的正极。具体连线如图所示。第四章测评
(时间:60分钟 满分:100分)
一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1.白天的天空各处都是亮的,是大气分子对太阳光散射的结果。美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖。假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后,电子向某一个方向运动,光子沿另一方向散射出去,则这个散射光子跟原来的光子相比( )
A.频率变大
B.动量变大
C.光子能量变大
D.波长变长
解析光子与电子碰撞时,遵守动量守恒定律和能量守恒定律,自由电子被碰前静止,被碰后动量、能量增加,所以光子的动量、能量减小。故选项D正确。
答案D
2.电子显微镜的最高分辨率高达0.2
nm,如果有人制造出质子显微镜,在加速到相同的速度情况下,质子显微镜的最高分辨率将( )
A.小于0.2
nm
B.大于0.2
nm
C.等于0.2
nm
D.以上说法均不正确
解析显微镜的分辨能力与波长有关,波长越短其分辨率越高,由λ=知,如果把质子加速到与电子相同的速度,因质子的质量更大,则质子的波长更短,分辨能力更高。
答案A
3.下列对于氢原子光谱实验规律的认识中,正确的是( )
A.因为氢原子核外只有一个电子,所以氢原子只能产生一种波长的光
B.氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线
C.氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线
D.氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱有关
解析氢原子核外只有一个电子,氢原子只能产生一些特殊频率的谱线,即产生一些特殊波长的光,A选项错误;氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线,B选项正确;氢原子光谱是氢原子发射光子时形成的发射光谱,光谱都不是连续的,与亮度无关,C选项错误;氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱无关,D选项错误。
答案B
4.(2020上海黄浦区二模)不带电的锌板和验电器用导线相连。若用甲灯照射锌板,验电器的金属箔片不张开;若用乙灯照射锌板,验电器的金属箔片张开,如图所示。则与甲灯相比,乙灯发出的光( )
A.频率更高
B.波长更大
C.光强更强
D.速率更大
解析发生光电效应的条件是:入射光的频率必须大于金属的极限频率才能产生光电效应;由题干知甲灯照射不能发生光电效应,乙灯照射可以发生光电效应,则乙灯发出的光频率比甲发出的高,故A正确,B、C、D错误。
答案A
5.(2020河北任丘高二月考)如图所示,画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系图像,从图像可以看出,随着温度的升高,则下列说法错误的是( )
A.各种波长的辐射强度都有增加
B.只有波长短的辐射强度增加
C.辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D.辐射强度仍然是随波长的增大而先增大再减小
解析由题干图像可以看出,随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故B错误,A、C正确。随着温度的升高,黑体的辐射强度仍然是随波长的增大而先增大再减小,故D正确。此题选择错误的选项,故选B。
答案B
6.(2020江苏盐城模拟)如图所示是某原子的能级图,a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光。在下列该原子光谱的各选项中,谱线从左向右的波长依次减小,则正确的是( )
解析从第3能级跃迁到第1能级,能级差最大,知a光的频率最大,波长最短,从第3能级跃迁到第2能级,能级差最小,知b光的光子频率最小,波长最长,所以波长依次减小的顺序为b、c、a,故D正确,A、B、C错误。
答案D
7.X射线是一种高频电磁波,若X射线在真空中的波长为λ,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则( )
A.E=,p=0
B.E=,p=
C.E=,p=0
D.E=,p=
解析根据E=hν,且λ=,c=λν可得X射线每个光子的能量为E=,每个光子的动量为p=,故选D。
答案D
8.(2020辽宁葫芦岛一模)大量氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级,辐射出的光照射下列三种金属,电子电荷量e=1.60×10-19
C,普朗克常量h=6.30×10-34
J·s。下列判断正确的是( )
金属
钨
钙
钾
极限频率(1014
Hz)
10.95
7.73
5.44
A.仅钾能产生光电子
B.钾、钙能产生光电子
C.都能产生光电子
D.都不能产生光电子
解析氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级时,释放出光子的能量为E=-0.85
eV-(-3.40
eV)=2.55
eV,由E=hν代入数据解得光子的频率为ν=6.2×1014
Hz,当入射光的频率大于金属钾的极限频率时,金属钾能发生光电效应,故A正确,B、C、D错误。
答案A
二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。全部选对得4分,选对但选不全的得2分,有错选的得0分)
9.(2020北京朝阳区期末)小宇同学参加学校科技嘉年华,设计了一个光电烟雾探测器,如图所示,S为光源,有一束光束,当有烟雾进入探测器时,来自S的光会被烟雾散射进入光电管C,当光射到光电管中的钠表面(钠的极限频率为6.00×1014
Hz),会产生光电子,当光电流大于10-8
A时,便会触发报警系统报警。下列说法正确的是
( )
A.要使该探测器正常工作,光源S发出的光波波长不能小于0.5
μm
B.光源S发出的光波能使光电管发生光电效应,那么光源越强,光电烟雾探测器灵敏度越高
C.光束遇到烟雾发生散射是一种折射现象
D.若5%射向光电管C的光子会使光电管产生光电子,当报警器报警时,每秒射向C中钠表面的光子最少数目是1.25×1012个
解析根据Ek=hν-W0=-hνc。光源S发出的光波最大波长:λmax=
m=5×10-7
m=0.5
μm,即要使该探测器正常工作,光源S发出的光波波长不能大于0.5
μm,故A错误;光源S发出的光波能使光电管发生光电效应,那么光源越强,被烟雾散射进入光电管C的光越多,越容易探测到烟雾,即光电烟雾探测器灵敏度越高,故B正确;光束遇到烟雾发生散射是一种反射现象,故C错误;光电流等于10-8
A时,每秒产生的光电子的个数:n==6.25×1010个,每秒射向C中钠表面的光子最少数目:N==1.25×1012个,故D正确。
答案BD
10.下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波长和频率为1
MHz的无线电波的波长,由表中数据可知( )
质量/kg
速度/(m·s-1)
波长/m
弹子球
2.0×10-2
1.0×10-2
3.3×10-30
电子
9.1×10-31
5.0×106
1.2×10-10
无线电波
(1
MHz)
3.0×108
3.0×102
A.要检测弹子球的波动性几乎不可能
B.无线电波通常情况下只能表现出波动性
C.电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性
D.只有可见光才有波动性
解析由于弹子球德布罗意波长极短,故很难观察其波动性,而无线电波波长为3.0×102
m,所以通常表现出波动性,很容易发生衍射,而金属晶体的晶格线度大约是10-10
m数量级,所以波长为1.2×10-10
m的电子可以观察到明显的衍射现象。故选A、B、C。
答案ABC
11.(2020江西南昌一模)在卢瑟福的α粒子散射实验中,某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示,图中P、Q为轨迹上的点,虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线,两虚线和轨迹将平面分为五个区域,不考虑其他原子核对该α粒子的作用,下面说法正确的是( )
A.α粒子受到斥力
B.该原子核的位置可能在③区域
C.根据α粒子散射实验可以估算原子大小
D.α粒子在P、Q间的运动为匀速圆周运动
解析根据轨迹弯曲的方向可知,α粒子受到的库仑力的方向从金原子指向α粒子的方向,可知α粒子受到的力是斥力,故A正确;卢瑟福通过α粒子散射并由此提出了原子的核式结构模型,正电荷全部集中在原子核内,α粒子带正电,同种电荷相互排斥,结合受力的特点与轨迹的特点可知,所以原子核可能在③区域,故B正确;根据α粒子散射实验可以估算原子核大小,故C错误;α粒子受到的库仑力随α粒子与金原子之间距离的变化而变化,力的大小是变化的,所以α粒子不可能做匀速圆周运动,故D错误。
答案AB
12.(2020北京模拟)关于波粒二象性,下列说法正确的是
( )
A.图甲中紫光照射到锌板上可以发生光电效应,则其他可见光照射到锌板上不一定可以发生光电效应
B.图乙中入射光的强度越大,则在阴极板上产生的光电子的最大初动能越大
C.图丙说明光子既有粒子性也有波动性
D.戴维孙和汤姆孙利用图丁证明了电子具有波动性
解析能否发生光电效应与入射光的照射频率有关,当入射光的频率大于极限频率时,才能发生光电效应现象,其他光照射锌板不一定发生光电效应,故A正确。光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与光强无关,故B错误。图丙是康普顿效应,说明光子具有粒子性,故C错误。戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验,得到了题图丁的衍射图样,从而证实电子具有波动性,故D正确。
答案AD
三、非选择题(本题共6小题,共60分)
13.(8分)(1)研究光电效应的电路如图所示。用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流。下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中,正确的是 。?
(2)金属中的电子吸收光子的能量,从金属表面逸出,这就是光电子。光电子从金属表面逸出的过程中,其动量的大小 (选填“增大”“减小”或“不变”),原因是 。?
解析由于光的频率一定,它们的遏止电压相同,A、B错误;光越强,电流越大,C正确,D错误。由于光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功),速度减小,光电子的动量变小。
答案(1)C (2)减小 光电子受到金属表面层中力的阻碍作用(或需要克服逸出功)
14.(10分)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 (选填“阴极”或“阳极”);?
(2)实验中测得铷的遏止电压U0与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,则铷的极限频率ν0=
Hz,逸出功W0=
J;?
(3)如果实验中入射光的频率ν=7.00×1014
Hz,则产生的光电子的最大初动能Ek=
J。?
解析(1)在光电效应中,电子向A极运动,故电极A为光电管的阳极。(2)由题图可知,铷的极限频率ν0为5.15×1014
Hz,逸出功W0=hν0=6.63×10-34×5.15×1014
J=3.41×10-19
J。(3)当入射光的频率为ν=7.00×1014
Hz时,由Ek=hν-hν0得,光电子的最大初动能为Ek=6.63×10-34×(7.00-5.15)×1014
J=1.23×10-19
J。
答案(1)阳极 (2)5.15×1014 3.41×10-19 (3)1.23×10-19
15.(8分)功率为40
W的白炽灯,有5%的能量转化为可见光。设所发射的可见光的平均波长为580
nm,那么该白炽灯每秒钟辐射的光子数为多少?(普朗克常量h=6.63×10-34
J·s,光速c=3×108
m/s)
解析波长为λ的光子能量为ε=hν=h
①
设白炽灯每秒内发出的光子数为n,白炽灯电功率为P,则:n=
②
式中,η=5%是白炽灯的发光效率。
联立①②式得n=
代入题给数据得n=5.8×1018(个)
答案5.8×1018个
16.(8分)电子所带电荷量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的。他测定了数千个带电油滴的电荷量,发现这些电荷量都等于某个最小电荷量的整数倍。这个最小电荷量就是电子所带的电荷量。密立根实验的原理图如图所示,A、B是两块平行放置的水平金属板,A板带正电,B板带负电。从喷雾器嘴喷出的小油滴,落到A、B两板之间的电场中。小油滴由于摩擦而带负电,调节A、B两板间的电压,可使小油滴受到的电场力和重力平衡。已知小油滴静止处的电场强度是1.92×105
N/C,油滴半径是1.64×10-4
cm,油的密度是0.851
g/cm3,求油滴所带的电荷量。这个电荷量是电子电荷量的多少倍?(g取9.8
m/s2)
解析小油滴质量m=ρV=ρ·πr3
①
由题意知mg=qE
②
由①②两式可得q==
C=8.02×10-19
C
=5
因此小油滴所带电荷量q是电子电荷量e的5倍。
答案8.02×10-19
C 5
17.(12分)金属晶体中晶格大小的数量级是10-10
m。电子经加速电场加速,形成电子束,电子束照射该金属晶体时,获得明显的衍射图样。问这个加速电场的电压约为多少?(已知电子的电荷量e=1.6×10-19
C,质量m=0.90×10-30
kg)
解析据发生明显衍射的条件可知,当运动电子的德布罗意波波长与晶格大小差不多时,可以得到明显的衍射现象。
设加速电场的电压为U,电子经电场加速后获得的速度为v,对加速过程由动能定理得eU=mv2
①
据德布罗意物质波理论知,电子的德布罗意波长
λ=
②
其中p=mv
③
解①②③联立方程组可得U==153
V。
答案153
V
18.(14分)氢原子光谱除了巴耳末系外,还有赖曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为=R∞,n=4,5,6,…,R∞=1.10×107
m-1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域。
(1)n=7时,求对应的波长;
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多大?n=7时,传播频率为多大?
解析(1)由帕邢系公式=R∞
当n=7时,得λ=1.00×10-6
m。
(2)由帕邢系形成的谱线在红外线区域,而红外线属于电磁波,在真空中以光速传播,故波速为光速c=3×108
m/s,由v==λν
得ν=
Hz=3×1014
Hz。
答案(1)1.00×10-6
m (2)3×108
m/s 3×1014
Hz
