1、第十二章 近代物理-2-考点及要求 命题视角 复习指要 氢原子光谱氢原子的能级结构、能级公式原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期放射性同位素核力、核反应方程结合能、质量亏损裂变反应和聚变反应、裂变反应堆射线的危害与防护光电效应爱因斯坦光电效应方程 近代物理部分中的爱因斯坦的光电效应方程、原子结构、能级及核反应方程是考查的重点。复习过程中加强对 粒子散射实验的理解,深刻理解氢原子的能级结构及光电效应方程;加强对核反应方程特别是衰变的理解;强化对核能、质能方程的记忆。第1节 光电效应 波粒二象性-4-基础夯实 自我诊断 一、光电效应 1.定义:在光的照射下从物体发射出电子 的现象(发射出的电
2、子称为光电子)。2.产生条件:入射光的频率大于或等于 极限频率。3.光电效应规律(1)存在着饱和电流:对于一定颜色的光,入射光强度越大,单位时间内发射出的光电子数越多。(2)存在着遏止电压和截止频率:光电子的能量只与入射光的频率 有关,而与入射光的强弱 无关。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。(3)光电效应具有瞬时性:当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,几乎在照到金属时立即产生光电流,时间不超过10-9 s。-5-基础夯实 自我诊断 二、光子说及光电效应方程 1.光子说 空间传播的光是一份一份的,每一份叫一个光子,一个光子的能量为E=h,其中h=6.6310-34 Js(称为普
3、朗克常量)。2.光电效应方程(1)表达式:光电子的最大初动能Ek与入射光光子的能量h和逸出功W0之间的关系:Ek=h-W0。其中逸出功是指使某种金属原子中的电子脱离金属所做功的最小值。(2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能量一部分用于克服金属的逸出功,剩下的表现为逸出电子的初动能。-6-基础夯实 自我诊断 三、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波动 性。(2)光电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
4、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=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。-7-基础夯实 自我诊断 光电效应的电路图如图所示,用频率的光照射阴极K,发生了光电效应,阴极金属的逸出功为W0,电压表的读数为U,到达阳极A的光电子的最大动能是多大?提示从阴极K射出的光电子的最大初动能Ek=h-W0,光电子从K极到A极又被电场加速,由动能定理得,到达A极光电子的最大动能Em=h-W0+Ue。-8-基础夯实 自我诊断 1.(2016广东茂名一模)用一束紫外线照射某金属时不能产生光
5、电效应,可能使该金属产生光电效应的措施是()A.改用红光照射 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 解析 解析 关闭根据光电效应的产生条件0,要产生光电效应,必须用能量更大的光照射,即频率更高的光子。能否发生光电效应与光的强度和照射时间无关,X射线的频率大于紫外线的频率。故A、C、D错误,B正确。答案 解析 关闭B-9-基础夯实 自我诊断 2.(多选)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,已知紫光频率大于锌的极限频率,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是()A.有光子从锌板逸出 B.有电子从锌板逸出 C.验电器两箔片张开一个角度 D.锌板带负电 答
6、案 解析 解析 关闭紫外线照射锌板是能够发生光电效应的,锌板上的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出,称之为光电子,故A错误,B正确;锌板与验电器相连,使验电器带有相同电性的电荷,验电器的指针就会张开一个角度,锌板失去电子应该带正电,且锌板失去电子越多,带正电的电荷量越多,验电器两箔片张角越大,故C正确,D错误。答案 解析 关闭BC-10-基础夯实 自我诊断 3.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
7、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 解析 解析 关闭光既具有波动性,又具有粒子性,但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法用其中的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 解析 关闭D-11-基础夯实 自我诊断 4.关于光电效应的规律,下列说法中正确的是()A.只有入射光的波长大于该金属的极限波长,光电效应才能产生 B.光电子的最大初动能跟入射光强度成正比 C.发生光电效应的反应时间一般都大于10-7 s D.发生光电效应时,单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强
8、度成正比 答案 解析 解析 关闭由=h=h知,当入射光波长小于金属的极限波长时,发生光电效应,故 A 错误;由 Ek=h-W0 知,最大初动能由入射光频率决定,与入射光强度无关,故 B 错误;发生光电效应的时间一般不超过 10-9 s,故 C 错误;发生光电效应时,单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光的强度是成正比的,D 正确。答案 解析 关闭D-12-基础夯实 自我诊断 5.请判断下列说法是否正确。(1)只要光照射的时间足够长,任何金属都能发生光电效应。()(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)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出
9、功越小。()(5)入射光的频率越大,逸出功越大。()-13-考点一 考点二 考点三 考点一 对光电效应的理解(自主悟透)与光电效应有关的概念对比 1.光子与光电子:光本身是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子称为光子,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子。光子是光电效应的因,光电子是果。2.光电子的动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时,电子吸收光子的全部能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功的情况,才具有最大初动能。光电子的初动能小
10、于等于光电子的最大初动能。-14-考点一 考点二 考点三 3.光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流。在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。4.入射光强度与光子能量:入射光强度是指单位时间内照射到单位面积上的总能量,与光子的能量和单位时间内光子的数目有关。5.光的强度与饱和光电流:频率相同的光照射金属产生光电效应,入射光越强,饱和光电流越大。-15-考点一 考点二 考点三 突破训练 1.(2016山东威海模拟)关于光电效应的规律,下面说法正确的是()A.当某种色光照射金属表面时,能产生
11、光电效应,入射光的频率越高,产生的光电子的最大初动能也就越大 B.当某种色光照射金属表面时,能产生光电效应,如果入射光的强度减弱,从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 C.对某金属来说,入射光波长必须大于一极限值,才能产生光电效应 D.同一频率的光照射不同金属,如果都能产生光电效应,则所有金属产生的光电子的最大初动能一定相同 答案 解析 解析 关闭当入射光频率超过截止频率时,无论入射光多么微弱,几乎在瞬时发生光电效应,B错;由光电效应方程可知入射光波长必须小于一极限值,才能产生光电效应,光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的种类有关,C、D错。答案 解析 关闭A-16-考
12、点一 考点二 考点三 2.(多选)在探究光电效应现象时,某小组的同学分别用波长为、2的单色光照射某金属,逸出的光电子最大速度之比为21。普朗克常量用h表示,光在真空中的速度用c表示。则()A.光电子的最大初动能之比为21 B.该金属的截止频率为3C.该金属的截止频率为D.用波长为52 的单色光照射该金属时能发生光电效应 答案 解析 解析 关闭由于在两种单色光照射下,逸出的光电子的最大速度之比为 21,由Ek=12mv可知,光电子的最大初动能之比为 41,A 错误;又由h=W+Ek 知,h=W+12 12,h2=W+12 22,又 v1=2v2,解得 W=h3,则该金属的截止频率为3,B 正确、
13、C 错误;只有光的波长小于或等于3 时才能发生光电效应,D 正确。答案 解析 关闭BD-17-考点一 考点二 考点三 规律总结光电效应规律的“四点”理解 1.放不放光电子,看入射光的频率。2.放多少光电子,看光的强度。3.光电子的最大初动能大小,看入射光的频率。4.放光电子“不需要时间”,瞬时放。-18-考点一 考点二 考点三 考点二 光电效应方程及图象(师生共研)1.三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0。(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管通过实验的方法测得,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,由金属本身决定,它与金属的极限频率c的关系是
14、W0=hc。-19-考点一 考点二 考点三 2.四类图象 图象名称 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 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 k=h 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:Ekm=eUc -20-考点一 考点二 考点三 图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 颜色不同时,光电流与电压的关系 遏止电压U1、U 2饱和光电流最大初动能 Ek1=eUc1,Ek2=eU
15、c2 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荷量的乘积,即h=ke(注:此时两极之间接反向电压)-21-考点一 考点二 考点三 例1在光电效应实验中,某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图所示。则可判断出()A.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的光电子最大初动能 答案 解析 解析 关闭由图象知,甲、乙光对应的遏止电压相等,由eU
16、c=Ek和h=W0+Ek得甲、乙光的频率相等,A错误;丙光的频率大于乙光的频率,则丙光的波长小于乙光的波长,B正确;金属发生光电效应的截止频率只与金属本身有关,所以C错误;由光电效应方程知,甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子最大初动能,D错误。答案 解析 关闭B-22-考点一 考点二 考点三 例2(多选)下图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4.27,与纵轴交点坐标0.5)。已知普朗克常量为6.6310-34 Js,则由图可知()A.该金属的截止频率为4.271014 Hz B.该金属的截止频率为5.51014 Hz C.该图线
17、的斜率表示普朗克常量 D.该金属的逸出功为0.5 eV 答案 解析 解析 关闭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Ek=h-W0,可知图线的斜率为普朗克常量,C正确;金属的逸出功为W0=h0=6.6310-344.271014 J=2.8310-19 J=1.77 eV,D错误。答案 解析 关闭AC-23-考点一 考点二 考点三 例3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=6.6310-34 Js。-24-考点一 考点二 考点三(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Uc与入
18、射光频率之间的关系如图乙所示,则铷的截止频率c=Hz,逸出功W0=J;(3)如果实验中入射光的频率=7.001014 Hz,则产生的光电子的最大初动能Ek=J。答案 解析 解析 关闭(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)由题图乙可知,铷的截止频率c为5.151014 Hz,逸出功W0=hc=6.6310-345.151014 J3.4110-19 J。(3)当入射光的频率为=7.001014 Hz时,由Ek=h-hc得,光电子的最大初动能为Ek=6.6310-34(7.00-5.15)1014 J1.2310-19 J。答案 解析 关闭(1)阳极(2)5.15101
19、4(5.125.18)1014均视为正确 3.4110-19(3.393.43)10-19均视为正确(3)1.2310-19(1.211.25)10-19均视为正确-25-考点一 考点二 考点三 特别提醒应用光电效应方程时的注意事项 1.每种金属都有一个截止频率,光频率大于这个截止频率才能发生光电效应。2.截止频率是发生光电效应的最小频率,对应着光的极限波长和金属的逸出功,即hc=h =W0。3.应用光电效应方程Ek=h-W0时,注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1 eV=1.610-19 J)。c-26-考点一 考点二 考点三 突破训练 3.(2016江西宜春月考)如图所示,相距为d的两平行金
20、属板A、B足够大,板间电压恒为U,有一波长为的细激光束照射到B板表面,使B板发生光电效应,已知普朗克常量为h,金属板B的逸出功为W,电子质量为m,电荷量为e,求:(1)从B板运动到A板所需时间最短的光电子到达A板时的动能;(2)光电子从B板运动到A板所需的最长时间。答案 解析 解析 关闭(1)由爱因斯坦光电效应方程 Ek=h-W 和光子的频率为=,可得到光电子的最大初动能为 Ek=-W。能以最短时间到达 A板的光电子是初动能最大且垂直于板面离开 B板的电子。设光电子到达 A 板的动能为 Ek1,则由动能定理得,eU=Ek1-Ek,所以 Ek1=eU+-W。(2)能以最长时间到达 A 板的光电子
21、是离开 B 板时的初速度为零或初速度方向平行于 B 板的光电子。根据牛顿第二定律和匀变速直线运动规律,有d=12at2=22 得 t=d 2。答案 解析 关闭(1)eU+-W(2)d 2-27-考点一 考点二 考点三 考点三 对波粒二象性的理解(自主悟透)实验基础 表 现 说 明 光的波动性干涉和衍射 光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述大量的光子在传播时,表现出波的性质 光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的光的波动性不同于宏观观念的波 光的粒子性光电效应、康普顿效应 当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性
22、质少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性 粒子的含义是“不连续”“一份一份”的光子不同于宏观观念的粒子 -28-考点一 考点二 考点三 实验基础 表 现 说 明 波动性和粒子性的对立、统一 大量光子易显示出波动性,而少量光子易显示出粒子性波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强 光子说并未否定波动说,E=h=hc中,和 就是波的概念波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的 -29-考点一 考点二 考点三 突破训练 4.(多选)图甲为实验小组利用100多个电子通过双缝后的干涉图样,可以看出每一个电子都是一个点;如图乙为该小组利用70 000多个电子通过双缝后的干涉
23、图样,为明暗相间的条纹。则对本实验的理解正确的是()A.图甲体现了电子的粒子性 B.图乙体现了电子的粒子性 C.单个电子运动轨道是确定的 D.图乙中明条纹是电子到达概率大的地方 答案 解析 解析 关闭题图甲中的每一个电子都是一个点,说明少数粒子体现粒子性,到达的位置不同,说明单个电子的运动轨道不确定,A正确,C错误;题图乙中明暗相间的条纹说明大量的粒子表现为波动性,B错误;明条纹是电子到达概率大的地方,D正确。答案 解析 关闭AD-30-考点一 考点二 考点三 5.下列说法中正确的是()A.实物的运动有特定的轨道,所以实物不具有波粒二象性 B.康普顿效应说明光子既有能量又有动量 C.光是高速运动的微观粒子,单个光子不具有波粒二象性 D.宏观物体的物质波波长非常小,极易观察到它的波动 答案 解析 解析 关闭由德布罗意理论知,宏观物体的德布罗意波的波长非常小,实际很难观察到波动性,但仍具有波粒二象性,A、D错误;康普顿效应说明光子除了具有能量之外还有动量,B正确;波粒二象性是光子的特性,单个光子也具有波粒二象性,C错误。答案 解析 关闭B-31-考点一 考点二 考点三 特别提醒波粒二象性的三个易错点 1.光子表现为波动性,并不否认光子具有粒子性。2.宏观物体也具有波动性。3.微观粒子的波动性与机械波不同,微观粒子的波是概率波。
