1、第十五章近代物理素养导读备考定向核心素养试题情境生活实践类霓虹灯、氖管、光谱仪、原子钟、威耳逊云室、射线测厚仪、原子弹、反应堆与核电站、太阳、氢弹、环流器装置等学习探索类光电效应现象、爱因斯坦光电效应方程及其意义、光的波粒二象性、原子的核式结构模型、氢原子光谱、原子的能级结构、原子核的组成、核反应方程、放射性和原子核衰变、半衰期及其统计意义、放射性同位素的应用、射线的危害与防护、原子核的结合能、核裂变反应和核聚变反应等考向预测本章内容属于高考考查的热点,题型一般为选择题,可能与其他知识结合出计算题。考查的具体内容主要包括以下几点:原子的能级跃迁;原子核的衰变规律;核反应方程的书写;质量亏损和核
2、能的计算;三种射线的特点及应用;光电效应的规律及应用等。还要注意学科内的综合问题,比如光电效应与带电粒子在电场和磁场中运动的综合,核反应与动量的综合等第1节光电效应波粒二象性必备知识预案自诊知识梳理一、光电效应1.定义:在光的照射下从物体发射出的现象(发射出的电子称为光电子)。2.产生条件:入射光的频率极限频率。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。(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有关,而与入射光的无关。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
3、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。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=。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。(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,剩下的表现为逸出电子的。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性。(2)光电效应说明光具有性。(
4、3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的性。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。(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。考点自诊1.判断下列说法的正误。(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,这种金属的逸出功越小。()(5)入射光的频率越大,逸出功越大。()2.(
5、多选)如图所示,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()A.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3.(多选)关于物质的波粒二象性,下列说法正确的是()A.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.波动性和粒子性在宏观现象中是矛盾的、对立的,但在微观高速运动的现象中是统一的D.实物粒子的运动有特定的轨道,所以实物粒子不具有波粒二象性4.(新教材人教版选择性必修第三册P77T3改编)钙的逸出功是4.2eV,现在将波长为200 nm的光照射钙的表面
6、(结果保留一位小数)。(1)求光电子的最大初动能。(2)求遏止电压。关键能力学案突破考点一光电效应规律的理解及应用(师生共研)一、与光电效应有关的概念对比1.光子与光电子:光子不带电;光电子是光电效应时发射出来的电子,其本质是电子。2.光电子的初动能与光电子的最大初动能:光电子的初动能小于等于光电子的最大初动能。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
7、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。二、对光电效应规律的解释实验规律理解存在极限频率c电子从金属表面逸出,首先需要克服金属原子核的引力做功W0,要使入射光子能量不小于W0,对应的频率c=W0h,即极限频率光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大,与入射光强度无关电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能,对于确定的金属,W0是一定的,故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大续表实验规律理解具有瞬时性光照射金属时,电子吸收一个光子的能量
8、后,动能立即增大,不需要能量积累的过程入射光越强,饱和光电流越大入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,因而饱和光电流越大三、光电管上加正向与反向电压情况分析(1)光电管加正向电压时的情况P右移时,参与导电的光电子数增加;P移到某一位置时,所有逸出的光电子恰好都参与了导电,光电流恰好达到最大值;P再右移时,光电流不再增大。(2)光电管加反向电压时的情况P右移时,参与导电的光电子数减少;P移到某一位置时,所有逸出的光电子恰好都不参与导电,光电流恰好为0,此时光电管两端加的电压为遏止电压;P再右移时,光电流始终为0。【典例1】(2020山东模拟)如图所示,有一束单色光入射到极限频率为0的金属板K
9、上,具有最大初动能的某出射电子,沿垂直于平行板电容器极板的方向,从左侧极板上的小孔入射到两极板间的匀强电场后,到达右侧极板时速度刚好为零。已知电容器的电容为C,带电荷量为Q,极板间距为d,普朗克常量为h,电子电荷量的绝对值为e,不计电子的重力。关于电容器右侧极板的带电情况和入射光的频率,以下判断正确的是()A.带正电,0+QeChB.带正电,0+QeChdC.带负电,0+QeChD.带负电,0+QeChd解题指导审题关键词句分析解读极限频率为0的金属板K可求出金属的逸出功到达右侧极板时速度刚好为零电子受力方向水平向左电容器的电容为C,带电荷量为Q可求出两板间电压破题根据电容的定义式求出两板电压
10、U=QC,电子在两板间运动时,根据动能定理得-eU=0-Ek求出最大初动能。由W0=h0计算出金属的逸出功,根据光电效应方程h-W=Ek求出入射光的频率。解决本类问题主要是抓好两个过程,一个是电子从金属板逸出过程,根据光电效应方程列式,另一个是电子在两板间减速运动过程,根据动能定理列式。对点演练1.(2018全国卷)用波长为300 nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.2810-19 J,已知普朗克常量为6.6310-34 Js,真空中的光速为3.00108 ms-1,能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.11014 HzB.81014 HzC.21015 HzD.81
11、015 Hz2.(2020山东泰安一模)如图所示为研究光电效应现象的实验原理图。已知光电管阴极材料的极限频率为0,现用频率为(0)的单色光照射光电管,发现滑动变阻器的滑片P处于图示位置时,灵敏电流计的示数为零,下列说法正确的是()A.灵敏电流计的示数为零,是因为没有发生光电效应B.若不断向左移动滑片P,则灵敏电流计一定会有示数C.若不断向右移动滑片P,则灵敏电流计一定会有示数D.仅不断增大入射光的光照强度,灵敏电流计一定会有示数考点二光电效应四类图像问题(师生共研)四类图像图像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:
12、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Ek1=eUc1,Ek2=eUc2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)【典例2】如图甲所示是研究光电效应的电路图。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极
13、之间的电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图乙所示。则下列说法正确的是()A.甲光照射光电管发出光电子的初动能一定小于丙光照射光电管发出光电子的初动能B.单位时间内甲光照射光电管发出光电子比乙光的少C.用强度相同的甲、丙光照射该光电管,则单位时间内逸出的光电子数相等D.对于不同种金属,若照射光频率不变,则逸出光电子的最大初动能与金属的逸出功为线性关系解题指导审题关键词句分析解读甲光、乙光对应的遏止电压Uc1相同,与丙光对应的遏止电压Uc2不同,说明甲、乙光对应光电子最大初动能相同,而丙光对应光电子最大初动能与甲、乙光不同;甲、乙光对应点饱和光电流不同,说明入射光度不同用强度相同的甲、丙
14、光照射该光电管光强相同是单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,不同频率的光单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数不同对于不同种金属,若照射光频率不变不同金属,金属的逸出功不同;若照射光频率不变,光子的能量h不变破题(1)在题图乙中,Uc1和Uc2的意义是什么?由此能否得出,甲、乙、丙三种光的频率关系?(2)光强相同的两种色光,如何比较单位时间内照射到单位面积上的光子数的多少?解答光电效应有关图像问题的三个关键点(1)明确图像的种类。(2)弄清图线的纵轴、横轴截距的物理意义。(3)选准光电效应的有关方程。对点演练3.(2020山东泰安二模)用金属钙做光电效应实验时,得到的光电子的
15、最大初动能Ekm与入射光频率的关系如图所示。用其他金属做实验,得到的Ekm-图线也为直线。表中列出了几种金属的截止频率和逸出功,下列判断正确的是()金属钨钙钠截止频率0/1014Hz10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金属钨做实验,得到的Ekm-图线的斜率比图中直线的斜率大B.如用金属钨做实验,得到的Ekm-图线的斜率比图中直线的斜率小C.如用金属钠做实验,得到的Ekm-图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2Ek1D.如用金属钠做实验,得到的Ekm-图线延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2Ek14.(2020山东省实验中学高三
16、模拟)利用如图甲所示的实验装置研究光电效应,测得某种金属的遏止电压Uc与入射光频率之间的关系图线如图乙所示,则()A.图线在横轴上的截距的物理意义是该金属的截止频率B.由图线可知普朗克常量h=e1U1C.入射光频率增大,逸出功也增大D.要测得金属的遏止电压,电源的右端应为负极考点三对波粒二象性、物质波的理解(自主探究)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,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
17、;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=h、光子的动量表达式p=h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和波长2.物质波(1)定义:任何运动着的物体都有一种波与之对应,这种波叫做物质波,也叫德布罗意波。(2)物质波的波长:=hp=hmv,h是普朗克常量。对点演练5.(多选)(2020江苏常州月考)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装置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.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构D.人们利用电子显微镜观
18、测物质的微观结构6.一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.121+2B.121-2C.1+22D.1-22第十五章近代物理第1节光电效应波粒二象性必备知识预案自诊知识梳理一、光电效应1.电子2.大于或等于3.(1)越多(2)频率强弱二、光子说及光电效应方程2.(1)h-W0最小值(2)逸出功初动能三、光的波粒二象性与物质波1.(1)波动(2)粒子(3)波粒二象2.(1)大小(2)hp考点自诊1.(1)(2)(3)(4)(5)2.BC3.ABC4.答案(1)2.0 eV(2)2.0 V解析(1)Ek=hc-W0=2.
19、0eV;(2)由-eU=0-Ek,解得U=2.0V。关键能力学案突破典例1C电子在电容器里面减速运动,所以受到向左的电场力的作用,所以电场强度方向向右,电容器右侧的极板带负电。一束单色光入射到极限频率为0的金属板K上,射出电子的最大初动能为Ek,h-W=Ek,h0=W,电子在电容器中减速运动,由动能定理得:-eU=0-Ek,电容器两极板间的电势差为:U=QC,根据以上各式,解得:=0+QeCh,故选项C正确,选项A、B、D错误。对点演练1.B对逸出电子,根据光电方程有,h=Ek+W0,=c,W0=hc,其中,Ek=1.2810-19J,=300nm=310-7m,得c=81014Hz,选项B正
20、确。2.C灵敏电流计的示数为零,是因为如图加在光电管两端的反向电压使得打出的光电子无法到达对阴极,从而没有形成光电流,而不是没有发生光电效应,故A错误;由题知,滑动变阻器的滑片P处于图示位置时,灵敏电流计的示数为零;故若不断向左移动滑片P,则使得加在光电管两端的反向电压增大,则光电子一定不能达到对阴极形成光电流,所以灵敏电流计一定不会有示数,故B错误;若不断向右移动滑片P,则使得加在光电管两端的反向电压减小,则光电子一定能达到对阴极形成光电流,所以灵敏电流计一定会有示数,故C正确;仅不断增大入射光的光照强度,对打出光电子的最大初动能没有影响;所以,灵敏电流计的示数仍为零,故D错误。典例2D当光
21、照射到K极时,如果入射光的频率足够大(大于K极金属的极限频率),就会从K极发出光电子。当反向电压增加到某一值时,电流表A中电流就会变为零,此时12mevc2=eUc,式中vc表示光电子的最大初速度,e为电子的电荷量,Uc为遏止电压,根据爱因斯坦光电效应方程可知丙光的最大初动能较大,故丙光的频率较大,但丙光照射光电管发出光电子的初动能不一定比甲光照射光电管发出光电子的初动能大,所以A错误。对于甲、乙两束频率相同的光来说,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,所以B错误。对甲、丙两束不同频率的光来说,光强相同是单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,由于丙光的光子频率较高,每个光子
22、的能量较大,所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数就较少,所以单位时间内发出的光电子数就较少,因此C错误。对于不同金属,若照射光频率不变,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0,知Ek与金属的逸出功为线性关系,D正确。对点演练3.D根据爱因斯坦光电效应方程h-W=Ekm,整理得Ekm=h-W,Ekm-图线的斜率等于普朗克常数h,因此各种不同金属的Ekm-图线的斜率相同,A、B错误;Ekm-图线延长线与纵轴交点的坐标绝对值等于逸出功,则Ek1=3.20eV,Ek2=2.29eV,因此Ek2Ek1,C错误,D正确。4.A由题图乙可知,当入射光的频率小于1时,无需加遏止电压就没有光电流,说明1
23、为该金属的截止频率,故A正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0及动能定理-eUc=0-Ek得Uc=he-W0e,则he=U11,得h=eU11,故B错误;金属的逸出功与入射光的频率无关,由金属本身决定,故C错误;要测得金属的遏止电压,电源的左端应为负极,故D错误。5.ACD电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,可以说明电子是一种波,故A正确;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B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C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D正确。6.A中子的动量p1=h1,氘核的动量p2=h2,同向正碰后形成的氚核的动量p3=p2+p1,所以氚核的德布罗意波波长3=hp3=121+2,A正确。