2024届高考物理一轮复习（新教材鲁科版）第十六章原子结构和波粒二象性原子核第1讲光电效应波粒二象性课件

光电效应　波粒二象性第1讲目标要求1.了解黑体辐射的实验规律.2.知道什么是光电效应，理解光电效应的实验规律，会利用光电效应方程计算逸出功、极限频率、最大初动能等物理量.3.了解实物粒子的波动性，知道物质波的概念. 内容索引考点一　黑体辐射及实验规律考点二　光电效应考点三　光电效应中常见的四类图像考点四　光的波粒二象性与物质波课时精练 考点一黑体辐射及实验规律 1.热辐射(1)定义：周围的一切物体都在辐射，这种辐射与物体的有关，所以叫热辐射.(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体的不同而有所不同.2.黑体、黑体辐射的实验规律(1)黑体：能够入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体.梳理必备知识电磁波温度温度完全吸收 (2)黑体辐射的实验规律：①对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除了与有关，还与材料的及表面状况有关.②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的有关.随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有，另一方面，辐射强度的极大值向波长较的方向移动，如图.温度种类温度增加短 3.能量子(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子.(2)能量子大小：ε＝，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量.h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s).整数倍hν 1.黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波.()2.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较短的方向移动.()3.玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说.()×√× 例1(多选)关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是A.黑体能够完全吸收照射到它上面的光波B.随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加C.随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动D.黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关√√ 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁波而不发生反射的物体称为黑体，选项A正确；由题图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，选项B错误；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项C错误；一般物体辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关，选项D正确. 例2(2022·全国乙卷·17)一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10－7m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个.普朗克常量为h＝6.63×10－34J·s.R约为A.1×102mB.3×102mC.6×102mD.9×102m√ 一个光子的能量为E＝hν，ν为光的频率，光的波长与频率的关系为c＝λν，P为光源的功率，光子以球面波的形式传播，那么以光源为原点的球面上的光子数相同，此时距光源的距离为R处，每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个，联立以上各式解得R≈3×102m，故选B. 考点二光电效应 1.光电效应及其规律(1)光电效应现象照射到金属表面的光，能使金属中的从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种电子常称为.(2)光电效应的产生条件入射光的频率金属的极限频率.梳理必备知识电子光电子大于或等于 (3)光电效应规律①每种金属都有一个极限频率νc，入射光的频率必须这个极限频率才能产生光电效应.②光电子的最大初动能与入射光的强度，只随入射光的增大而增大.③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.④当入射光的频率大于或等于极限频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成.大于或等于无关频率多正比 2.爱因斯坦光电效应方程(1)光电效应方程①表达式：hν＝Ek＋W或Ek＝.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W，剩下的表现为逸出后电子的_______________.(2)逸出功W：电子从金属中逸出所需做功的，W＝hνc＝.(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的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.hν－W最大初动能最小值电子 1.光子和光电子都不是实物粒子.()2.只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应.()3.要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于或等于该金属的逸出功.()4.光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比.()××√× 光电效应的分析思路提升关键能力 例3(2023·天津市质检)光电效应实验中，下列表述正确的是A.光照时间越长，光电子最大初动能越大B.入射光足够强就可以有光电流导出C.遏止电压与入射光的强度有关D.入射光频率小于极限频率时，不论光照时间多长，都不能发生光电效应√ 光电子的最大初动能与光照时间无关，与入射光的频率有关，故A错误；发生光电效应的条件是入射光频率大于或等于极限频率，入射光强，不一定能发生光电效应，故B错误；根据光电效应方程Ek＝eUc＝hν－W知遏止电压与入射光的频率有关，与强度无关，故C错误；当入射光频率小于极限频率时，不论光照时间多长，都不能发生光电效应，故D正确. 例4(2023·福建福州市模拟)某型号光电管连接在如图的电路中，用一种单色光照射能够使窗口发生光电效应现象，如果只增大入射光的强度，光电子最大初动能_________(选填“增大”“不变”或“减小”)，经过测量发现此金属逸出功为6.5eV，现接通电源，用光子能量为11.5eV的光照射阴极电源K，灵敏电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的示数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，此时电压表的示数为_____V.不变5.0 光电子的最大初动能仅与入射光频率有关，与光照强度无关，故光电子最大初动能不变；根据Ek＝hν－W结合Ek＝eUc，代入数据解得Uc＝5.0V. 考点三光电效应中常见的四类图像 图像名称图线形状获取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系①极限频率νc：图线与ν轴交点的横坐标②逸出功W：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W＝|－E|＝E③普朗克常量h：图线的斜率k＝h遏止电压Uc与入射光频率ν的关系①极限频率νc：图线与横轴的交点的横坐标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荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压) 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：图线与横轴的交点的横坐标②饱和电流：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、Uc2②饱和电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2 例5(2023·山东日照市模拟)在研究光电效应现象时，先后用单色光a、b、c照射同一光电管，所得到的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是A.b、c两种单色光的颜色相同B.a、b两种单色光的光照强度相同C.增大c光的光照强度，电路中的饱和电流将增大D.增大b光的光照强度，射出的光电子的最大初动能增大√ 根据题图可知单色光c的遏止电压小于单色光b的遏止电压，根据eUc＝Ek＝hν－W可知，b、c两种单色光频率不同，所以颜色不同，故A错误；由题图可知单色光a、b的遏止电压相同，则单色光a、b的频率相同，在光的频率相同的情况下，入射光越强，饱和电流越大，单色光a的饱和电流大于单色光b的饱和电流，则单色光a的光照强度大于单色光b的光照强度，故B错误； 电路中的饱和电流与光照强度有关，在其他条件相同的情况下，光照强度越大，光电流越大，故增大c光的光照强度，电路中的饱和电流将增大，故C正确；射出的光电子的最大初动能与光照强度无关，故D错误. A.这三种材料中，金属钠的逸出功最大B.图中a、b两条图线的斜率都等于普朗克常量hC.如果图线a表示的材料是铜，则图线b表示的材料是钠D.用波长400nm的光分别照射这三种金属，只有铜和铂会发生光电效应例6(2023·福建泉州市模拟)下表中给出了三种金属材料的极限频率对应的波长，其中两种材料发生光电效应时逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，则√材料钠铜铂波长(nm)541268196 由表可知，金属钠极限频率对应的波长最大，根据波长与频率成反比可知，其极限频率最小，根据W＝hνc，金属钠的逸出功最小，故A错误；根据Ek＝hν－W，题图中a、b两条图线的斜率都等于普朗克常量h，故B正确；如果图线a表示的材料是铜，则图线b表示的材料的极限频率比铜大，对应的波长比铜小，则图线b表示的材料是铂，故C错误；用波长400nm的光分别照射这三种金属，该光波长只小于钠的极限波长，只有钠会发生光电效应，故D错误. 考点四光的波粒二象性与物质波 1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有.(2)光电效应说明光具有.(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的.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的地方，暗条纹是光子到达概率的地方，因此光波又叫概率波.梳理必备知识波动性粒子性波粒二象性大小 (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. 1.光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性.()2.法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性.()√√ 例7(多选)(2022·浙江1月选考·16)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1.2×10－23kg·m/s，然后让它们通过双缝打到屏上.已知电子质量取9.1×10－31kg，普朗克常量取6.6×10－34J·s，下列说法正确的是A.发射电子的动能约为8.0×10－15JB.发射电子的物质波波长约为5.5×10－11mC.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√√ 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，只是需要大量电子显示出干涉图样，故C错误，D正确. 例8(2023·上海市师大附中高三月考)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，则A.图像(a)表明光具有波动性B.图像(c)表明光具有粒子性C.用紫外线观察不到类似的图像D.实验表明光是一种概率波√ 题图(a)只有分散的亮点，表明光具有粒子性；题图(c)呈现干涉条纹，表明光具有波动性，A、B错误；紫外线也具有波粒二象性，也可以观察到类似的图像，C错误；实验表明光是一种概率波，D正确. 五课时精练 1.关于光电效应，下列说法正确的是A.极限频率越大的金属材料逸出功越大B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能发生光电效应C.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D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多123456789101112√基础落实练 逸出功W＝hνc，W∝νc，A正确；只有照射光的频率大于或等于金属极限频率，才能发生光电效应，与光照的时间无关，B错误；由光电效应方程有Ek＝hν－W，知入射光频率ν不确定时，无法确定Ek与W的关系，C错误；发生光电效应的前提下，入射光的光强一定时，频率越高，光子数越少，单位时间内逸出的光电子数越少，D错误．123456789101112 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，它们的德布罗意波的波长也相等√123456789101112√ 3.(2022·江苏卷·4)上海光源通过电子－光子散射使光子能量增加，光子能量增加后A.频率减小B.波长减小C.动量减小D.速度减小√123456789101112 123456789101112 4.(多选)(2023·福建省莆田二中模拟)胶片电影利用光电管把“声音的照片”还原成声音，原理如图所示，在电影放映机中用频率为ν、强度不变的一极窄光束照射音轨，由于影片上各处的音轨宽窄不同，在影片移动的过程中，通过音轨后的光强随之变化，射向光电管后，在电路中产生变化的电流，经放大电路放大后，通过喇叭就可以把声音放出来.则A.只减小光的频率，一定可以还原出声音B.只增大光的频率，一定可以还原出声音C.a端为电源正极D.a端为电源负极123456789101112√√ 只增大光的频率，肯定有光电子从光电管的阴极到达阳极，从而使电路导通，一定可以还原出声音，反之则不一定发生光电效应现象使电路导通，故A错误，B正确；123456789101112光照射部分为阴极材料，光电子到达另一侧，故a端为电源正极，故C正确，D错误. 5.(多选)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Ua＜UbB.若νa＞νb，则一定有Eka＞EkbC.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜EkbD.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb√123456789101112√ 123456789101112由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W，由动能定理得Ek＝eU，用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W相同.当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故选项D错误. 6.(多选)(2023·天津市模拟)如图所示，甲、乙为两束光经过同一双缝干涉装置后产生的干涉条纹，丙图为光电效应实验图，实验中施加反向电压得到的光电流I与光电管两端电压U的关系如图丁所示，下列说法正确的是A.若甲光能使丙图中产生光电流，则乙光一定能使丙图中产生光电流B.当UAK小于0，但UAK没有达到遏止电压时，流经电流表方向为从上到下C.若甲光对应丁图中曲线b，则乙光可能对应丁图中曲线cD.a光照射光电管产生的光电子动能一定小于b光照射光电管产生的光电子动能√123456789101112√ 根据Δy＝λ，可知甲光波长比乙光长，甲光频率小于乙光，若甲光能使题图丙中产生光电流，则乙光一定能使题图丙中产生光电流，选项A正确；UAK没有达到遏止电压时，光电子在光电管中的运动方向由右至左，电流流经电流表方向由上至下，选项B正确；123456789101112 发生光电效应产生光电子的最大初动能Ek＝hν－W，要想使得光电流为零，即反向遏止电压静电力做功eUc＝Ek，因此根据题图丁可知，b、c两种光射向同一光电管，反向遏止电压是一样的，说明b、c是同一种频率的光，但是由题图甲和题图乙可知通过同一双缝干涉的条纹间距不同，说明波长不同，两者是矛盾的，选项C错误；123456789101112 根据上述分析可知，a光遏止电压小，说明光子频率比b光频率低，由爱因斯坦光电效应方程可知，a光照射产生的光电子的最大初动能一定小于b光照射的，但是a光照射光电管产生的光电子动能不一定小于b光照射光电管产生的光电子动能，选项D错误.123456789101112 7.(2020·江苏卷·12(1)(2))(1)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点.它是根据黑体辐射规律设计出来的，能将接收到的人体热辐射转换成温度显示.若人体温度升高，则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是____.A.I增大，λ增大B.I增大，λ减小C.I减小，λ增大D.I减小，λ减小123456789101112B若人体温度升高，则人体的热辐射强度I增大，由ε＝hν可知，对应的频率ν变大，由c＝λν知对应的波长λ变小，选项B正确. (2)大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线，其中最长和最短波长分别为λ1和λ2，则该激发态与基态的能量差为______，波长为λ1的光子的动量为_____.(已知普朗克常量为h，光速为c)123456789101112 8.(多选)如图所示，甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图像(电子电荷量为e)，以下说法正确的是A.由图甲可求得普朗克常量h＝B.由图乙可知虚线对应金属的逸出功比实线对应金属的逸出功小C.由图丙可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大D.由图丁可知电压越高，则光电流越大√123456789101112能力综合练√ 123456789101112根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W可知，题图乙中纵轴截距的绝对值表示逸出功，则实线对应金属的逸出功比虚线对应金属的逸出功大，故B正确； 123456789101112入射光频率一定，饱和电流由入射光的强度决定，即光的颜色不变的情况下，入射光越强，光子数越多，饱和电流越大，故C正确；分析题图丁可知，当达到饱和电流以后，增加光电管两端的电压，光电流不变，故D错误. 9.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，实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，图线与横轴交点的横坐标为5.15×1014Hz.已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s.则下列说法中正确的是A.欲测遏止电压，应选择电源左端为正极B.当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大C.增大照射光的强度，产生的光电子的最大初动能一定增大D.如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能约为1.2×10－19J123456789101112√ 123456789101112遏止电压产生的电场对电子起阻碍作用，则电源的右端为正极，故A错误；当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，加速电场增强，电流增加到一定值后不再增加，故B错误；由Ek＝hν－W可知，最大初动能与光的强度无关，故C错误；Ek＝hν－W＝hν－hνc，νc＝5.15×1014Hz，代入数值求得Ek≈1.2×10－19J，故D正确. C.用波长为2λ的光照射锌板时，电流计的示数较大D.用波长为2λ、λ的单色光分别照射锌板时，二者遏止电压之比为1∶312345678910111210.(2023·福建省福州第一中学模拟)如图所示为研究光电效应的装置，当分别用波长为2λ、λ的单色光照射锌板时，从锌板表面逸出的光电子的最大初速度之比为1∶3，电流计的示数均不为零.已知光在真空中的传播速度为c，普朗克常量为h，则√ 123456789101112用波长不同的两种单色光照射锌板都能发生光电效应，但是两种光的强度关系不确定，则单位时间内逸出光电子的数量不确定，不能比较光电流的大小关系，故C错误； 123456789101112用波长为2λ、λ的单色光分别照射锌板时，因Uce＝Ek，且光电子的最大初速度之比为1∶3，则最大初动能之比为1∶9，所以二者遏止电压之比为1∶9，故D错误. 11.(多选)(2023·浙江省高三检测)如图所示为研究光电效应的实验装置，此时滑片P位于中点O的正上方，用光束照射光电管的极板K，电流表的指针发生偏转.移动滑片P，当电流表示数恰好为0时，电压表指针指向某一刻度，下列说法正确的是A.滑片P应向右滑动B.电流表示数恰好为0时，电压表示数为遏止电压的大小C.电压表指针指向某一刻度后，再移动滑片P，指针将不再偏转D.用某种频率的光照射，电流表示数恰好为0时，读取电压表示数；换用另一种频率的光，同样操作后也读取电压表示数，若两种光频率和电子电荷量已知，就可以测定普朗克常量√123456789101112√ 123456789101112分析可知光电管应加上反向电压，故滑片P向左滑动，A错误；电流表示数恰好为0时，电压表的示数为遏止电压的大小，B正确；电压表测量滑动变阻器部分两端电压，指针一直偏转，C错误；由eUc＝hν－W可知，两组数据可以测定普朗克常量，D正确. 123456789101112√素养提升练12.(2023·山东淄博市模拟)某光电管的阴极在某单色光照射下恰好发生光电效应.阴极与阳极之间所加电压大小为U，光电流为I.已知电子的质量为m、电荷量为e，假设光电子垂直碰撞阳极且碰撞后即被吸收，则光电子对阳极板的平均作用力F的大小为 123456789101112根据题意，阴极金属恰好发生光电效应，则说明光电子离开阴极的速度为0，