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素养目标　1.知道光电效应、光电子、饱和光电流、遏止电压、截止频率、逸出功、德布罗意波的概念．(物理观念) 2.了解爱因斯坦光电效应方程．(物理观念) 3.了解光和实物粒子的波粒二象性．(物理观念) 4.能用光电效应的规律解释光电效应现象．(科学思维) 5.会用爱因斯坦光电效应方程求解相关物理量．(科学思维)
一、光电效应
1．光电效应现象：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子.
直 观 情 境
2.光电效应的四个规律
(1)每种金属都有一个截止频率．
(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大．
(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的．
(4)饱和光电流的强度与入射光的强度成正比．
3．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称为该种金属的截止频率(又称极限频率)．不同的金属对应着不同的截止频率．
二、爱因斯坦光电效应方程
1．光子说：光是不连续的，是一份一份的，每一份光叫一个光子，一个光子的能量为ε＝hν.
2．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值，用W0表示，不同金属的逸出功不同．
3．爱因斯坦光电效应方程
(1)表达式：Ek＝hν－W0.
(2)物理意义：金属中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电子的最大初动能Ek＝mev.
三、波粒二象性
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)光电效应和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：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之对应，其波长λ＝，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．
1．思维辨析
(1)只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应．( )
(2)光电子就是光子．( )
(3)极限频率越大的金属材料逸出功越大. ( )
(4)从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小. ( )
(5)入射光的频率越大，逸出功越大．( )
2．如图所示，用紫外线灯照射锌板，发现验电器的指针偏转，以下说法正确的是(　　)
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带负电，指针带正电
C．锌板带正电，指针带正电
D．锌板带负电，指针带负电
3．(多选)下列对光的波粒二象性的说法正确的是(　　)
A．光子不仅具有能量，也具有动量
B．光的波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性
C．运动的实物粒子也有波动性，波长与粒子动量的关系为λ＝
D．光波和物质波，本质上都是概率波
考点　光电效应现象和规律
1．两条对应关系
(1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流饱和值大．
(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．
2．光电效应中的三个关系
(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，它与金属的截止频率νc的关系是W0＝hνc.
3．光电效应现象的四点说明
(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”不是特指可见光，也包括不可见光．
(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．
典例1　(2019·北京卷)光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流．表中给出了6次实验的结果.
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电 子的最大 初动能/eV
第一组 1 2 3 4.0 4.0 4.0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0.9 0.9
第二组 4 5 6 6.0 6.0 6.0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2.9 2.9
由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)
A．两组实验采用了不同频率的入射光
B．两组实验所用的金属板材质不同
C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大初动能为1.9 eV
D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
1．[对光电效应现象的理解]“微光夜视仪”是利用光电效应原理工作的一种仪器．被视物体反射的红外辐射照射在“银氧铯”阴极上激发出光电子，电子的电荷量大小为e，下列说法正确的是(　　)
　　
A．红外辐射的频率可以很低，但辐射强度必须足够大才能发生光电效应
B．向右调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数将随电压表示数的增大而增大
C．保持红外辐射强度不变，提高红外辐射的频率，则饱和电流值将减小
D．调换电源正负极，调节滑动变阻器，电压表示数为Uc时，电流表示数恰为零，则光电子逸出金属表面时的初动能为eUc
2．[光电效应方程的应用]如图所示，用导线将锌板与验电器相连，用紫外线灯照射锌板，验电器金属箔片张开．锌、钠的极限频率νc和逸出功W0如表所示，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电子的电荷量e＝1.60×10－19 C．下列说法正确的是(　　)
金属 锌 钠
νc/(×1014 Hz) 5.53
W0/eV 3.34 2.29
A．验电器的金属箔片带负电
B．从锌板逸出电子的动能都相等
C．用该紫外线灯照射金属钠，一定能使钠发生光电效应
D．锌的极限频率为8.87×1014 Hz
考点　光电效应图像
图像名称 图像形状 由图线直接(间接)得到的物理量
Ek ν图像 (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． (3)普朗克常量：图线的斜率k＝h
I U 图像 (1)遏止电压Uc：图线与横轴的交点． (2)饱和电流Im：电流的最大值. (3)最大初动能：Ekm＝eUc
(1)遏止电压Uc1、Uc2. (2)饱和电流． (3)最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
Uc ν图像 (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
典例2　(2022·河北卷)如图所示是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h.由图像可知(　　)
A．钠的逸出功为hνc
B．钠的截止频率为8.5×1014 Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量h
D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
1．[光电效应的Ek ν图像]用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek ν图像，已知钨的逸出功是4.54 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ek ν图像中，如图所示，用实线表示钨的Ek ν图线，虚线表示锌的Ek ν图线，则正确反映这一过程的是(　　)
2．[光电效应的I U图像]在研究光电效应中电子的发射情况与照射光的强弱、光的颜色的关系时，将a、b、c三束光照射到同一光电管的阴极上，得到的光电流与电压的关系如图所示，可知(　　)
A．a光的频率高于c光的频率
B．c光的频率高于b光的频率
C．单位时间内，c光入射的光子数大于b光入射的光子数
D．a光照射时逸出光电子的最大初动能可能比b光照射时的大
考点　波粒二象性
1．对光的波粒二象性的理解
从数量上看 个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性
从频率上看 光的频率越低，其波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；光的频率越高，其粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强
从传播 与作用上看 光在传播过程中往往表现出波动性，在与物质发生作用时往往表现出粒子性
波动性 与粒子 性的 统一 由光子的能量ε＝hν、光子的动量p＝也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ
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，因此光波是一种概率波．
(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．
典例3　(2022·浙江1月选考)(多选)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验．如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10－23 kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上．已知电子质量取9.1×10－31 kg，普朗克常量取6.6×10－34 J·s，下列说法正确的是(　　)
A．发射电子的动能约为8.0×10－15 J
B．发射电子的物质波波长约为5.5×10－11 m
C．只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉
D．如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样
1．[对物质波及原子结构的认识]关于原子结构和微观粒子波粒二象性，下列说法正确的是(　　)
A．卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征
B．玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律
C．光电效应揭示了光的粒子性
D．电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性
2．[光子的波粒二象性的理解](多选)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减小入射光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝．实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些如图甲所示不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现如图丙所示规则的干涉条纹．对于这个实验结果的认识正确的是(　　)
A．曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点
B．单个光子的运动没有确定的轨道
C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D．只有光子具有波粒二象性，微观粒子不具有波粒二象性
答案及解析
1．思维辨析
(1)只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应．(×)
(2)光电子就是光子．(×)
(3)极限频率越大的金属材料逸出功越大. (√)
(4)从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小. (×)
(5)入射光的频率越大，逸出功越大．(×)
2．如图所示，用紫外线灯照射锌板，发现验电器的指针偏转，以下说法正确的是(　　)
A．锌板带正电，指针带负电
B．锌板带负电，指针带正电
C．锌板带正电，指针带正电
D．锌板带负电，指针带负电
解析：用紫外线灯照射锌板有电子逸出，所以锌板带正电，验电器指针与锌板连接，同样带正电，所以C正确，A、B、D错误．
答案：C
3．(多选)下列对光的波粒二象性的说法正确的是(　　)
A．光子不仅具有能量，也具有动量
B．光的波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性
C．运动的实物粒子也有波动性，波长与粒子动量的关系为λ＝
D．光波和物质波，本质上都是概率波
答案：ABD
考点　光电效应现象和规律
典例1　(2019·北京卷)光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流．表中给出了6次实验的结果.
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电 子的最大 初动能/eV
第一组 1 2 3 4.0 4.0 4.0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0.9 0.9
第二组 4 5 6 6.0 6.0 6.0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2.9 2.9
由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)
A．两组实验采用了不同频率的入射光
B．两组实验所用的金属板材质不同
C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大初动能为1.9 eV
D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
解析：A对：光子的能量E＝hν，入射光子的能量不同，故入射光子的频率不同．B错：由爱因斯坦的光电效应方程hν＝W0＋Ek，可求出两组实验的逸出功W0均为3.1 eV，故两组实验所用的金属板材质相同．C对：由hν＝W0＋Ek，W0＝3.1 eV；当hν＝5.0 eV时，Ek＝1.9 eV.D对：光强越强，单位时间内射出的光电子数越多，单位时间内逸出的光电子数越多，形成的光电流越大．本题选择不正确的，故选B．
1．[对光电效应现象的理解]“微光夜视仪”是利用光电效应原理工作的一种仪器．被视物体反射的红外辐射照射在“银氧铯”阴极上激发出光电子，电子的电荷量大小为e，下列说法正确的是(　　)
　　
A．红外辐射的频率可以很低，但辐射强度必须足够大才能发生光电效应
B．向右调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数将随电压表示数的增大而增大
C．保持红外辐射强度不变，提高红外辐射的频率，则饱和电流值将减小
D．调换电源正负极，调节滑动变阻器，电压表示数为Uc时，电流表示数恰为零，则光电子逸出金属表面时的初动能为eUc
解析：若发生光电效应，入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率，故A错误；电流表的示数会随着电压的增大而增大，但达到饱和电流值后，电压继续增大，但电流表示数不再变化，故B错误；保持红外辐射强度不变但提高频率时，阴极上单位时间单位面积上接收到的光子数将减少，故而饱和电流值变小，故C正确；eUc为光电子逸出金属表面时的最大初动能，但光电子的实际初动能可能小于eUc，故D错误．
答案：C
2．[光电效应方程的应用]如图所示，用导线将锌板与验电器相连，用紫外线灯照射锌板，验电器金属箔片张开．锌、钠的极限频率νc和逸出功W0如表所示，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电子的电荷量e＝1.60×10－19 C．下列说法正确的是(　　)
金属 锌 钠
νc/(×1014 Hz) 5.53
W0/eV 3.34 2.29
A．验电器的金属箔片带负电
B．从锌板逸出电子的动能都相等
C．用该紫外线灯照射金属钠，一定能使钠发生光电效应
D．锌的极限频率为8.87×1014 Hz
解析：发生光电效应时，电子从锌板飞出，锌板失去电子带正电，所以验电器带正电，A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，可知从锌板表面逸出的光电子最大动能是确定的，有些光电子从较低能级逸出，初动能较小，所以从锌板逸出电子的动能不一定相等，B错误；根据hνc＝W0，解得锌的极限频率νc＝＝ Hz≈8.06×1014 Hz，可知锌的极限频率大于钠的极限频率，则用该紫外线灯照射金属钠，一定能使钠发生光电效应，C正确，D错误．
答案：C
考点　光电效应图像
典例2　(2022·河北卷)如图所示是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h.由图像可知(　　)
A．钠的逸出功为hνc
B．钠的截止频率为8.5×1014 Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量h
D．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
解析：根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc＝Ekmax，根据光电效应方程有Ekmax＝hν－W0，结合图像可知，当Uc为0时，解得W0＝hνc，A正确；钠的截止频率为νc，根据图像可知，截止频率小于8.5×1014Hz，B错误；结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc＝ν－，即图中直线的斜率表示，C错误；根据遏止电压与入射光的频率关系式可知，遏止电压Uc与入射光频率ν成线性关系，不是成正比，D错误．故选A．
1．[光电效应的Ek ν图像]用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek ν图像，已知钨的逸出功是4.54 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ek ν图像中，如图所示，用实线表示钨的Ek ν图线，虚线表示锌的Ek ν图线，则正确反映这一过程的是(　　)
解析：依据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek ν图线的斜率代表普朗克常量h，因此钨和锌的Ek ν图线应该平行．图线在横轴的截距代表极限频率νc，而νc＝，因此钨的极限频率νc大些．综上所述，B图正确．
答案：B
2．[光电效应的I U图像]在研究光电效应中电子的发射情况与照射光的强弱、光的颜色的关系时，将a、b、c三束光照射到同一光电管的阴极上，得到的光电流与电压的关系如图所示，可知(　　)
A．a光的频率高于c光的频率
B．c光的频率高于b光的频率
C．单位时间内，c光入射的光子数大于b光入射的光子数
D．a光照射时逸出光电子的最大初动能可能比b光照射时的大
解析：由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0，其中Ek＝eUc，可以看出遏止电压与频率呈线性关系，频率越大，遏止电压越大，所以由题图可知，a光的频率等于c光的频率，c光的频率低于b光的频率，故A、B错误；由题图可得，c光对应饱和光电流大于b光对应的饱和光电流，因为饱和光电流越大，单位时间内逸出的光电子数越多，且逸出的光电子数等于入射的光子数，所以单位时间内c光入射的光子数大于b光入射的光子数，故C正确；因为最大初动能为Ek＝eUc，所以a光照射时逸出光电子的最大初动能一定比b光照射时的小，故D错误．
答案：C
考点　波粒二象性
典例3　(2022·浙江1月选考)(多选)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验．如图所示，电子枪持续发射的电子动量为1.2×10－23 kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上．已知电子质量取9.1×10－31 kg，普朗克常量取6.6×10－34 J·s，下列说法正确的是(　　)
A．发射电子的动能约为8.0×10－15 J
B．发射电子的物质波波长约为5.5×10－11 m
C．只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉
D．如果电子是一个一个发射的，仍能得到干涉图样
解析：根据动量的大小与动能的关系可知发射电子的动能约为Ek＝＝ J≈8.0×10－17 J，故A错误；发射电子的物质波波长约为λ＝＝ m＝5.5×10－11 m，故B正确；物质波也具有波粒二象性，故电子的波动性是每个电子本身的性质，则每个电子依次通过双缝都能发生干涉现象，只是需要大量电子才能显示出干涉图样，故C错误，D正确．故选BD．
1．[对物质波及原子结构的认识]关于原子结构和微观粒子波粒二象性，下列说法正确的是(　　)
A．卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征
B．玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律
C．光电效应揭示了光的粒子性
D．电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性
解析：玻尔的量子化模型很好地解释了原子光谱的分立特征，A错误；玻尔的原子理论成功地解释了氢原子的分立光谱，但不足之处，是它保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念，还不能完全揭示微观粒子的运动规律，B错误；光电效应揭示了光的粒子性，C正确；电子束穿过铝箔后的衍射图样，证实了电子的波动性，质子、中子及原子、分子均具有波动性，D错误．
答案：C
2．[光子的波粒二象性的理解](多选)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减小入射光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝．实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些如图甲所示不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现如图丙所示规则的干涉条纹．对于这个实验结果的认识正确的是(　　)
A．曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点
B．单个光子的运动没有确定的轨道
C．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
D．只有光子具有波粒二象性，微观粒子不具有波粒二象性
解析：单个光子通过双缝后的落点无法预测，大量光子的落点出现一定的规律性，落在某些区域的可能性较大，这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域．光具有波粒二象性，少数光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性．不论光子还是微观粒子，都具有波粒二象性．所以正确选项为B、C．
答案：BC(共37张PPT)
第1讲　波粒二象性
第十五章　近代物理初步
理清教材 强基固本
答案
解析
答案
重难考点 全线突破
解析
答案
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答案
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答案
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