1、第 2 讲 光电效应 波粒二象性一、普朗克能量子假说 黑体与黑体辐射1黑体与黑体辐射(1)黑体：如果某种物质能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体(2)黑体辐射：辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关2普朗克能量子假说当带电微粒辐射或吸收能量时，是以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个最小能量值 叫做能量子h.二、光电效应及其规律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等于金属的极限频率3光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于等于这个极限频率才能产
2、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 109 s.(4)当入射光的频率大于等于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比4爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：光的能量不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量 h.(2)逸出功 W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值(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)光电效应方程表达式：hEkW0 或 EkhW0.物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是 h，这些能量的一部分
3、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三、光的波粒二象性 物质波1光的波粒二象性(1)波动性：光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性(2)粒子性：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 hp，p为运动物体的动量，h 为普朗克常量1判断下列说法是否正确(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生
4、光电效应()(2)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功()(3)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比()(4)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性()(5)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律()(6)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性()(7)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子具有波动性()2(多选)如图 1 所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是()图 1A有光子从锌板逸出B有电子从锌板逸出C验电器指针张开一个角度D锌板带负电答案 BC3(多选)在光电效应实验中，用频率为 的光照射
5、光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是()A增大入射光的强度，光电流增大B减小入射光的强度，光电效应现象消失C改用频率小于 的光照射，一定不发生光电效应D改用频率大于 的光照射，光电子的最大初动能变大答案 AD解析 增大入射光强度，单位时间内照射到单位面积的光子数增加，则光电流将增大，故选项 A 正确；光电效应是否发生取决于入射光的频率，而与入射光强度无关，故选项 B 错误用频率为 的光照射光电管阴极，发生光电效应，用频率较小的光照射时，若光的频率仍大于等于极限频率，则仍会发生光电效应，选项 C 错误；根据 hW 逸12mv2 可知，增加入射光频率，光电子的最大初动能增大，故选项 D 正
6、确4有关光的本性，下列说法正确的是()A光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的B光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种性质去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性答案 D5黑体辐射的规律如图 2 所示，从中可以看出，随着温度的降低，各种波长的辐射强度都_(填“增大”“减小”或“不变)，辐射强度的极大值向波长_(填“较长”或“较短”)的方向移动图 2答案 减少 较长解析 由题图可知，随着温度的降低，相同波长的光辐射强度都会减小；同时最大辐射强度向右侧移动，即向波长较长的方向移动.命
7、题点一 光电效应的实验规律1对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2光电效应的研究思路(1)两条线索：(2)两条对应关系：光强大 光子数目多 发射光电子多 光电流大光子频率高 光子能量大 光电子的最大初动能大3定量分析时应抓住三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程：EkhW0.(2)最大初动能与遏止电压的关系：EkeUc.(3)逸出功与极限频率的关系：W0h0.例 1 (多选)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
8、，有光电流产生下列说法正确的是()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保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生答案 AC解析 在发生光电效应时，饱和光电流大小由光照强度来决定，与频率无关，光照强度越大饱和光电流越大，因此 A 正确，B 错误；根据 EkmhW0 可知，对于同一光电管，逸出功 W0 不变，当频率变高，最大初动能 Ekm变大，因此 C 正确；由光电效应规律可知，当频率低于截止频率时无论光照强度多大，都不会有光电流产生，因此 D 错误1(多选)下列对光电效应的理解，正
9、确的是()A金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属表面B如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应，入射光的最低频率也不同答案 BD2.(多选)用如图 3 所示的光电管研究光电效应，用某种频率的单色光 a 照射光电管阴极 K，电流计 G 的指针发生偏转而用另一频率的单色光 b 照射光电管阴极 K 时，电流计 G 的指针不发生偏转，那么()图 3Aa 光的频率一定大于 b
10、 光的频率B只增加 a 光的强度可使通过电流计 G 的电流增大C增加 b 光的强度可能使电流计 G 的指针发生偏转D用 a 光照射光电管阴极 K 时通过电流计 G 的电流是由 d 到 c答案 AB3如图 4 甲所示为光电管的原理图，当频率为 的可见光照射到阴极 K 上时，电流表中有电流通过图 4(1)当变阻器的滑片 P 向_滑动时(填“左”或“右”)，通过电流表的电流将会减小(2)由乙图 IU 图象可知光电子的最大初动能为_(3)如果不改变入射光的频率，而减小入射光的强度，则光电子的最大初动能_(填“增加”“减小”或“不变”)答案(1)右(2)2 eV(3)不变解析(1)由题图可知光电管两端所
11、加的电压为反向电压，当变阻器的滑动端 P 向右移动时，反向电压增大，光电子到达右端的速度减小，则通过电流表的电流减小(2)当电流表电流刚减小到零时，电压表的读数为 U，根据动能定理得，eU12mv2m，则光电子的最大初动能为 2 eV.(3)根据光电效应方程 EkmhW0，知入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变命题点二 光电效应方程和光电效应图象1三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程 EkhW0.(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 EkeUc，其中 Uc 是遏止电压(3)光电效应方程中的 W0 为逸出功，它与极限频率 c 的关系是 W0hc.2四类图象图象名
12、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 的关系图线极限频率：图线与 轴交点的横坐标 c逸出功：图线与 Ek 轴交点的纵坐标的值 W0|E|E普朗克常量：图线的斜率 kh颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系遏止电压 Uc：图线与横轴的交点饱和光电流 Im：电流的最大值最大初动能：EkmeUc颜色不同时，光电流与电压的关系遏止电压 Uc1、Uc2饱和光电流最大初动能 Ek1eUc1，Ek2eUc2遏止电压 Uc 与入射光频率 的关系图线截止频率 c：图线与横轴的交点遏止电压 Uc：随入射光频率的增大而增大普朗克常量 h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即 hke
13、.(注：此时两极之间接反向电压)例 2 用如图 5 甲所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为 5 eV 的光照射到光电管上时，测得电流计上的示数随电压变化的图象如图乙所示则光电子的最大初动能为_ J，金属的逸出功为_ J.图 5答案 3.21019 4.81019解析 由题图乙可知，当该装置所加的电压为反向电压等于2 V 时，电流表示数为 0，则光电子的最大初动能为 Ekm2 eV3.21019 J，根据光电效应方程 EkmhW0 知，W03 eV4.81019 J.例 3 (2016江苏单科12C)(1)贝可勒尔在 120 年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广
14、泛应用下列属于放射性衰变的是_A.146C147N 01eB.23592U10n13953I9539Y210nC.21H31H42He10nD.42He2713Al3015P10n(2)已知光速为 c，普朗克常数为 h，则频率为 的光子的动量为_，用该频率的光垂直照射平面镜，光被镜面全部垂直反射回去，则光子在反射前后动量改变量的大小为_(3)几种金属的逸出功 W0 见下表：金属钨钙钠钾铷W0(1019 J)7.265.123.663.603.41用一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应已知该可见光的波长范围为 4.01077.6107 m，普朗克常数 h6.631034
15、 Js.答案(1)A(2)hc 2hc (3)钠、钾、铷能发生光电效应解析(1)A 属于 衰变，B 属于裂变，C 是聚变，D 是原子核的人工转变，故选 A 项(2)光子的动量 phc选光被镜面反射回去的方向为正方向，则 p1hcp2hc，动量的变化量 pp2p12hc.(3)光子的能量 Ehc取 4.0107 m，则 E5.01019 J根据 EW0 判断，钠、钾、铷能发生光电效应4在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图 6 所示则可判断出()图 6A甲光的频率大于乙光的频率B乙光的波长大于丙光的波长C乙光对应的截止
16、频率大于丙光的截止频率D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能答案 B解析 由于是同一光电管，因而不论对哪种光，极限频率和金属的逸出功都相同，对于甲、乙两种光，反向遏止电压相同，因而频率相同，A 错误；丙光对应的反向遏止电压较大，因而丙光的频率较高，波长较短，对应的光电子的最大初动能较大，故 C、D 均错，B 正确5(多选)如图 7 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(直线与横轴的交点坐标为 4.27，与纵轴交点坐标为 0.5)由图可知()图 7A该金属的截止频率为 4.271014 HzB该金属的截止频率为 5.51014 HzC该图线的
17、斜率表示普朗克常量D该金属的逸出功为 0.5 eV答案 AC解析 图线在横轴上的截距为截止频率，A 正确，B 错误；由光电效应方程 EkhW0，可知图线的斜率为普朗克常量，C 正确；金属的逸出功为：W0h06.6310344.2710141.61019eV1.77 eV，D 错误6如图 8 甲所示是研究光电效应规律的光电管用波长 0.50 m 的绿光照射阴极 K，实验测得流过表的电流 I 与 AK 之间的电势差 UAK 满足如图乙所示规律，取 h6.631034Js.结合图象，求：(结果保留两位有效数字)图 8(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极 K 时的最大动能(2)该阴极材料的极
18、限波长答案(1)4.01012 个 9.61020 J(2)0.66 m解析(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极 A，阴极每秒钟发射的光电子的个数nIme 0.641061.61019(个)4.01012(个)光电子的最大初动能为：EkmeUc1.61019 C0.6 V9.61020 J.(2)设该阴极材料的极限波长为 c，根据爱因斯坦光电效应方程：Ekmhchcc，代入数据得c0.66 m.命题点三 光的波粒二象性和物质波光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：(1)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
19、为波动性(2)从频率上看：频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象：频率越高粒子性越显著，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象(3)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为粒子性(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量 Eh、光子的动量表达式 ph也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的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 和波长.(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子例 4 (多选)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 射线在云室中穿过会留
20、下清晰的径迹B人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构C人们利用电子显微镜观测物质的微观结构D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，与入射光的强度无关答案 BC解析 射线在云室中穿过会留下清晰的径迹，可以说明 射线是一种粒子，故 A 错误；人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构，中子衍射说明中子是一种波，故 B 正确；人们利用电子显微镜观测物质的微观结构，利用了电子束的衍射现象，说明电子束是一种波，故 C正确；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，与入射光的强度无关，说明光是一种粒子，故 D 错误7下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是()A光的色散和光的干涉B光的干涉和
21、光的衍射C泊松亮斑和光电效应D光的反射和光电效应答案 C81927 年戴维孙和汤姆孙分别完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一如图 9 所示的是该实验装置的简化图，下列说法不正确的是()图 9A亮条纹是电子到达概率大的地方B该实验说明物质波理论是正确的C该实验再次说明光子具有波动性D该实验说明实物粒子具有波动性答案 C9(多选)(2015江苏物理12C(1)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，它们的德布罗意波长也相
22、等答案 AB解析 光电效应说明光具有粒子性，A 正确衍射是波的特点，说明中子具有波动性，B 正确黑体辐射的实验规律说明光具有粒子性，C 错误动能相等的质子和电子，二者质量不同，德布罗意波长不相等，D 错误题组 1 光电效应实验规律的理解1用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使金属产生光电效应的措施是()A改用频率更小的紫外线照射B改用 X 射线照射C改用强度更大的原紫外线照射D延长原紫外线的照射时间答案 B2(多选)已知某金属发生光电效应的截止频率为 c，则()A当用频率为 2c 的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B当用频率为 2c 的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动
23、能为 hcC当照射光的频率 大于 c 时，若 增大，则逸出功增大D当照射光的频率 大于 c 时，若 增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍答案 AB解析 该金属的截止频率为 c，则可知逸出功 W0hc，逸出功由金属自身性质决定，与照射光的频率无关，因此 C 错误；由光电效应的实验规律可知 A 正确；由光电效应方程 EkhW0，将 W0hc 代入可知 B 正确，D 错误3用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则()A逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变B逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小C逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小D光的强度减
24、弱到某一数值，就没有光电子逸出了答案 A解析 光的频率不变，表示光子能量不变，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；而减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选项 A 正确4(多选)如图 1 所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是()图 1A入射光太弱B入射光波长太长C光照时间短D电源正、负极接反答案 BD解析 入射光波长太长，入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应，故选项 B 正确；电路中电源反接，对光电管加了反向电压，若该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，故选项 D 正确题组 2 光电效应方程和光电效应图象的应用
25、5(多选)用同一光电管研究 a、b 两种单色光产生的光电效应，得到光电流 I 与光电管两极间所加电压 U 的关系如图 2 所示则这两种光()图 2A照射该光电管时 a 光使其逸出的光电子的最大初动能大B从同种玻璃射入空气发生全反射时，a 光的临界角大C通过同一装置发生双缝干涉，a 光的相邻条纹间距大D通过同一玻璃三棱镜时，a 光的偏折程度大答案 BC解析 由图可知 b 光照射时对应遏止电压 Uc2大于 a 光照射时的遏止电压 Uc1，因 eUc12mv2，所以 b 光照射时光电子的最大初动能大，且可得 ba，ba，A、D 错误，C 正确；b 光折射率大于 a 光折射率，所以 a 光临界角大，B
26、 正确6.(多选)如图 3 所示，是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能 Ek 与入射光频率 的关系图象由图象可知()图 3A该金属的逸出功等于 EB该金属的逸出功等于 hcC入射光的频率为 2c 时，产生的光电子的最大初动能为 ED入射光的频率为c2时，产生的光电子的最大初动能为E2答案 ABC解析 由爱因斯坦光电效应方程可得：EkhW0，对应图线可得，该金属的逸出功 W0Ehc，A、B 均正确；若入射光的频率为 2c，则产生的光电子的最大初动能 Ek2hcW0hcE，故 C 正确；入射光的频率为c2时，该金属不发生光电效应，D 错误7如图 4 所示是研究光电管产生的电流的电路图，A、
27、K 是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的极限频率为 c.现将频率为(大于 c)的光照射在阴极上，则：图 4(1)_是阴极，阴极材料的逸出功等于_(2)加在 A、K 间的正向电压为 U 时，到达阳极的光电子的最大动能为_，将 A、K间的正向电压从零开始逐渐增加，电流表的示数的变化情况是_(3)为了阻止光电子到达阳极，在 A、K 间应加上的最小反向电压 U 反_.答案(1)K hc(2)hhceU 逐渐增大，直至保持不变(3)hhce解析(1)被光照射的金属将有光电子逸出，故 K 是阴极，逸出功与极限频率的关系为 W0hc.(2)根据光电效应方程可知，逸出的光电子的最大初动能为 hhc，经过电场
28、加速获得的能量为 eU，所以到达阳极的光电子的最大动能为 hhceU，随着电压增加，单位时间内到达阳极的光电子数量将逐渐增多，但当从阴极逸出的所有光电子都到达阳极时，再增大电压，也不可能使单位时间内到达阳极的光电子数量增多所以，电流表的示数先是逐渐增大，直到保持不变(3)从阴极逸出的光电子在到达阳极的过程中将被减速，如果 hhceU 反，就将没有光电子能够到达阳极，所以 U 反hhce.题组 3 对光的波粒二象性的理解8用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图 5 所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片这些照片说明()图 5A光只有粒子性没有波动性B光只有波动性没有粒子性C少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性D少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性答案 D解析 光具有波粒二象性，这些照片说明少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性，故 D 正确9一个德布罗意波波长为 1 的中子和另一个德布罗意波波长为 2 的氘核同向正碰后结合成一个氚核，该氚核的德布罗意波波长为()A.1212B.1212C.122D.122答案 A解析 中子的动量 p1h1，氘核的动量 p2h2，同向正碰后形成的氚核的动量 p3p2p1，所以氚核的德布罗意波波长 3hp3 1212，A 正确
