【备考2022】高考物理一轮复习学案 12.1 波粒二象性 有解析

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【备考2022】高考物理一轮复习学案
12.1
波粒二象性
1．光电效应现象：
在光的照射下，金属中的__电子__从表面逸出的现象，发射出来的电子叫__光电子__。
2．光电效应的产生条件：入射光的频率__大于__金属的__极限频率__。
3．光电效应的四个规律：
(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须__大于__截止频率或极限频率才能产生光电效应。低于截止频率时不能发生光电效应。
(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)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极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成__正比__。
2　爱因斯坦光电效应方程
1．光子说
在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝__hν__。(其中h＝6.63×10－34
J·s。称为普朗克常量)
2．逸出功W0
使电子脱离某种金属所做功的__最小值__。
3．最大初动能
发生光电效应时，金属表面上的__电子__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．遏止电压与截止频率
(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc。
(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的__最小__频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。
3.光的波粒二象性　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__波动__性。
(2)光电效应、康普顿效应说明光具有__粒子__性。
(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的__波粒二象__性。
2．物质波
(1)概率波
光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率__大__的地方，暗条纹是光子到达概率__小__的地方，因此光波又叫概率波。
(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。
核心素养一
用光电管研究光电效应：
(1)光电效应电路图。
(2)光电流与饱和光电流。
①入射光强度：__单位时间内__入射到金属表面单位面积上的能量。频率一定时，__光强__越大，光子数越多。
②光电流：光电子在电路中形成的电流。光电流有最大值，未达到最大值以前，其大小和__光强__、__电压__都有关，达到最大值以后，光电流和__光强__成正比。
③饱和光电流：在__一定频率与强度__的光照射下的最大光电流，饱和光电流不随电路中__电压__的增大而增大。
核心素养二
爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式：Ek＝hν－__W0__。
(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光电子的最大初动能Ek＝__mev2__。
1．现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法不正确的是(　　)
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B．入射光的频率变高，饱和光电流变大
C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关
解析：产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的光电子数越多，饱和光电流越大，说法A正确．饱和光电流大小与入射光的频率无关，说法B错误．光电子的最大初动能随入射光频率的增加而增加，与入射光的强度无关，说法C正确．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与光的强度无关，说法D正确．
答案：B
2．
2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100
nm(1
nm＝10－9
m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲．“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用．一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎．据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34
J·s，真空光速c＝3×108
m/s)(　　)
A．10－21
J　　　　　　　
B．10－18
J
C．10－15
J
D．10－12
J
解析：光子的能量E＝hν，c＝λν，联立解得E≈2×10－18
J，B项正确．
答案：B
3．(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，普朗克常量h＝6.63×10－34
J·s，由图可知(　　)
A．该金属的极限频率为4.27×1014
Hz
B．该金属的极限频率为5.5×1014
Hz
C．该图线的斜率表示普朗克常量
D．该金属的逸出功为0.5
eV
解析：由光电效应方程Ek＝hν－W0知图线与横轴交点为金属的极限频率，即νc＝4.27×1014
Hz，A正确，B错误；由Ek＝hν－W0可知，该图线的斜率为普朗克常量，C正确；金属的逸出功W0＝hνc＝
eV≈1.8
eV，D错误．
答案：AC
一、单选题
1．关于物质的波粒二象性，下列说法错误的是（　　）
A．光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显
B．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
C．光电效应现象揭示了光的粒子性
D．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
2．下列说法中，正确的是
A．光的干涉现象能说明光具有波粒二象性
B．光的衍射现象能说明光具有粒子性
C．光电效应现象能说明光具有波粒二象性
D．一切微观粒子都具有波粒二象性
二、多选题
3．关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是（　　）
A．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．波动性和粒子性，是对立矛盾的，它们不可能具有统一性
D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
三、填空题
4．光具有波粒二象性，光子的能量E=hv，其中频率表征波的特性．在爱因斯坦提出光子说之前，法国物理学家德布罗意提出了光子动量P与光波波长λ的关系为：P=h/λ．若某激光管以PW=60W的功率发射波长λ=6.63×10－7m的光束，试根据上述理论计算，
(1)该管在1s内发射出多少个光子？
(2)若光束全部被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到光束对它的作用力F为多大？
5．实物粒子和光都具有波粒二象性，下列事实中突出体现波动性的是
。
A．电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样
B．射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C．人们利用中子衍射来研究晶体的结构
D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
E．光电效应实验中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与放射光的强度无关
6．下列说法中正确的是________．
A．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应
B．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较长的光照射该金属可能发生光电效应
C．
核的比结合能比核的小
D．光和电子都具有波粒二象性
7．用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图A、B、C所示的图像，该实验现象说明：个别光子的行为往往显示出__________，大量光子的行为往往显示出__________
（选填“粒子性”、“波动性”、或“波粒二象性”）
。
8．在验证光的波粒二象性的实验中，采用很微弱的光流，使光子一个一个地通过狭缝．如曝光时间不太长，底片上出现___________；如时间足够长，底片上将会显示___________．（无规则分布的点子，规则的衍射条纹）
四、解答题
9．我们根据什么说光具有波粒二象性？
1．(多选)如图所示，用某单色光照射光电管的阴板K会发生光电效应．在阳极A和阴极K之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片，逐渐增大加在光电管上的电压，直至电流表中电流恰为零，此时电压表的电压值U称为反向遏止电压．现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极，测得反向遏止电压分别为U1和U2，设电子的质量为m、电荷量为e，下列说法正确的是(　　)
A．用频率为ν1的光照射时，光电子的最大初速度为
B．用频率为ν2的光照射时，光电子的最大初速度为
C．阴极K金属的逸出功为W＝
D．阴极K的极限频率是νc＝
2．如图所示为用某金属研究光电效应规律得到的光电流随电压变化关系的图象，用单色光1和单色光2分别照射该金属时，逸出的光电子的最大初动能分别为Ek1和Ek2，普朗克常量为h，则下列说法正确的是(　　)
A．Ek1>Ek2
B．单色光1的频率比单色光2的频率高
C．增大单色光1的强度，其遏止电压会增大
D．单色光1和单色光2的频率之差为
考题预测
参考答案
1解析：在阳极A和阴极K之间加上反向电压，逃逸出的光电子在反向电场中做减速运动，根据动能定理可得－eU＝0－mvm2，解得光电子的最大初速度为vmax＝
，所以用频率为ν1的光照射时，光电子的最大初速度为
，用频率为ν2的光照射时，光电子的最大初速度为，故A正确，B错误；根据光电效应方程可得hν1＝eU1＋W，hν2＝eU2＋W，联立可得W＝，h＝，阴极K金属的极限频率νc＝＝，C、D正确．
答案：ACD
2解析：由于Ek1＝e|Uc1|，Ek2＝e|Uc2|，所以Ek1答案：D
过关训练
参考答案
1．B
【详解】
A．根据
可得光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显，故A正确；
B．“物质波”假说，认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性，故B错误；
C．光电效应现象揭示了光具有粒子性，故C正确；
D．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，故D正确。
本题选错误项，故选B。
2．D
【解析】
AB、干涉、衍射是波所特有现象，说明波具有波动性．故A、B错误．
C、光电效应说明光具有粒子性．故C错误．
D、微观粒子与光一样，也具有波粒二象性．故D正确．
故选D．
3．AB
【详解】
AC．光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，大量光子运动的规律表现出光的波动性，而单个光子的运动表现出光的粒子性。光的波长越长，波动性越明显，光的频率越高，粒子性越明显，波动性和粒子性，并不是对立矛盾的，而宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，不是不具有波粒二象性，故A正确，C错误；
BD．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，D错误。
故选AB。
4．
（1）2.0×1020
（2）2.0×10－7N
【解析】
（1）根据波长、频率与波速三者关系可求出每个光的频率，进而得到每个光子的能量并由激光管的发光频率求出1s内发射的光子数；由动量定理求出光束所受作用力，再由牛顿第三定律得到光束对黑体表面的作用力．
设在时间t内发射出的光子数为n，光子频率为ν，每一个光子的能量E=hν，则PW=，又ν=c/λ，则n=，将t=1秒代入上式，得n==2.0×1020
（2）在时间t内激光管发射出的光子全部被黑体表面吸收,光子的末态总动量变为0,根据题中信息可知，n个光子的初态总动量为pe=np=nh/λ，
据动量定理可知Ft=p=0－pe
黑体表面对光子的作用力为F=
pe/t=2.0×10－7N
根据牛顿第三定律，光子束对黑体表面的作用力为2.0×10－7N
本题有一个建立模型的过程，通过题目中的叙述给出一些高中阶段没有学习过的内容，把光子被黑体吸收的过程看成是质点与物体相互作用动量发生变化的过程，并应用力学知识解决问题．
【答案】ACD
【解析】
试题分析：干涉是波具有的特性，电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样，说明电子具有波动性，所以A正确；粒子在云室中受磁场力的作用，做的是圆周运动，与波动性无关，所以B错误；可以利用慢中子衍射来研究晶体的结构，说明中子可以产生衍射现象，说明具有波动性，所以C正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，说明电子可以产生衍射现象，说明具有波动性，所以D正确；光电效应实验，说明的是能够从金属中打出光电子，说明的是物质的粒子性，所以E错误。
考点：光的波粒二象性
【名师点睛】本题考查了光的波粒二象性，有时波动性明显，有时粒子性明显．明确各种物理现象的实质和原理才能顺利解决此类题目。
6．AD
【解析】
太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应（轻核聚变），故A正确；某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短（频率更高）的光照射该金属可能发生光电效应，所以B错误；，所以
核的比结合能比核的大，故C正确；光和电子都具有波粒二象性，D正确．
7．粒子性
波动性
【详解】
[1][2]．少量的光子所能到达的位置不能确定，即每次只照亮一个位置，这表明光是一份一份传播的，说明光具有粒子性，单个光子所到达哪个位置是个概率问题；只有当大量光子却表现出波动性，即光子到达哪个位置是一个概率问题，故此实验表明了光是一种概率波．
8．无规则分布的点子
规则的衍射条纹
【详解】
使光子一个一个地通过单缝，根据爱因斯坦的“光子说”可知，单个光子表现为粒子性，而大量光子表现为波动性，故曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点子；如果时间足够长，底片上中央到达的机会最多，其它地方机会较少，因此会出现衍射图样．
9．见解析
【详解】
光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据，光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性。因此，我们说光具有波粒二象性。
知识框架
核心素养
典例精讲
过关训练
考题预测
试卷第2页，总2页
试卷第6页，总6页