（浙江專版）2018年高中物理 第十七章 波粒二象性章末小結(jié)學(xué)案 新人教版選修3-5

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1、 第十七章 波粒二象性 光電效應(yīng)現(xiàn)象 光電效應(yīng)問(wèn)題主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是關(guān)于光電效應(yīng)現(xiàn)象的判斷，另一個(gè)是運(yùn)用光電效應(yīng)規(guī)律及光電效應(yīng)方程進(jìn)行的簡(jiǎn)單計(jì)算。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)光電效應(yīng)規(guī)律的掌握及對(duì)相關(guān)概念的熟悉程度。 題目涉及Uc-ν圖線時(shí)，難度稍大一些，關(guān)鍵是要理解遏止電壓Uc和ν軸上截距的物理意義，以及兩者之間的關(guān)系，并會(huì)根據(jù)eUc＝hνW0推導(dǎo)Ucν圖線的斜率。 [典例1]　(多選)如圖所示，在圖甲所示的裝置中，K為一金屬板，A為金屬電極，都密封在真空的玻璃管中，W為由石英片封蓋的窗口，單色光可通過(guò)石英片射到金屬板K上，E為輸出電壓可調(diào)的直流電源，其負(fù)極與電極A相連

2、，?是電流表。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用某種頻率的單色光照射K時(shí)，K會(huì)發(fā)出電子(光電效應(yīng))，這時(shí)，即使AK之間的電壓等于零，回路中也有電流，當(dāng)A的電勢(shì)低于K的電勢(shì)且低到某一值Uc時(shí)，電流消失，Uc稱為遏止電壓。當(dāng)改變照射光的頻率ν，遏止電壓Uc也將隨之改變，其關(guān)系如圖乙所示。如果某次實(shí)驗(yàn)我們測(cè)出了畫(huà)這條圖線(圖乙)所需的一系列數(shù)據(jù)，又知道了電子的電荷量，則可求得(　　) A．該金屬的截止頻率 B．該金屬的逸出功 C．普朗克常量 D．電子的質(zhì)量 [解析]選ABC　當(dāng)遏止電壓等于零時(shí)對(duì)應(yīng)的光的頻率為截止頻率，題圖乙中橫坐標(biāo)上的截距等于截止頻率，根據(jù)某一頻率ν時(shí)的遏止電壓求得電子的最大初動(dòng)能：mv

3、m2＝eUc，根據(jù)截止頻率和逸出功的關(guān)系W0＝hνc，再根據(jù)愛(ài)因斯坦方程：mvm2＝hν－W0，由以上分析和公式可以知道選項(xiàng)A、B、C正確；因電子射出的速度不能測(cè)量，所以電子的質(zhì)量不能求出，D錯(cuò)誤。 光的波粒二象性 1．大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性，比如干涉、衍射現(xiàn)象中，如果用強(qiáng)光照射，在光屏上立刻出現(xiàn)了干涉、衍射條紋，體現(xiàn)了波動(dòng)性；個(gè)別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性。如果用微弱的光照射，在屏上就只能觀察到一些分布毫無(wú)規(guī)律的光點(diǎn)，充分體現(xiàn)粒子性；但是如果微弱的光在照射時(shí)間加長(zhǎng)的情況下，在感光底片上的光點(diǎn)分布又會(huì)出現(xiàn)一定的規(guī)律性，傾向于干涉、衍射的分布規(guī)律。這些實(shí)驗(yàn)為人們認(rèn)識(shí)光的波粒二象性

4、提供了良好的依據(jù)。 2．光子和電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子一樣，具有能量和動(dòng)量。和其他物質(zhì)相互作用時(shí)，粒子性起主導(dǎo)作用。 3．光子的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比，而頻率是波動(dòng)性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切聯(lián)系。 4．對(duì)不同頻率的光，頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，波動(dòng)性特征顯著；而頻率高、波長(zhǎng)短的光，粒子性特征顯著。 5．光在傳播時(shí)體現(xiàn)出波動(dòng)性，在與其他物質(zhì)相互作用時(shí)體現(xiàn)出粒子性。處理光的波粒二象性問(wèn)題的關(guān)鍵是正確理解其二象性，搞清光波是一種概率波。 [典例2]　經(jīng)150 V電壓加速的電子束，沿同一方向射出來(lái)，穿過(guò)鋁箔射到其后的屏上，則(　　) A．所有電子的運(yùn)動(dòng)軌跡均相同

5、 B．所有電子到達(dá)屏上的位置坐標(biāo)均相同 C．電子到達(dá)屏上的位置坐標(biāo)可用牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定 D．電子到達(dá)屏上的位置受波動(dòng)規(guī)律支配，無(wú)法用確定的坐標(biāo)來(lái)描述它的位置 [解析]選D　電子在運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出波動(dòng)性，沒(méi)有一定的運(yùn)動(dòng)軌跡，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不適用于電子的運(yùn)動(dòng)。故正確選項(xiàng)為D。 [專題訓(xùn)練] 1．在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，與光的波動(dòng)理論不矛盾的是(　　) A．光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的 B．所有金屬都存在極限頻率 C．光電流隨著入射光增強(qiáng)而變大 D．入射光頻率越大，光電子最大初動(dòng)能越大 解析：選C　光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間極短，電子吸收光的能量是瞬時(shí)完成的，而不像波動(dòng)理論所預(yù)計(jì)的那樣可以逐漸疊加，

6、A項(xiàng)矛盾；光電效應(yīng)中所有金屬都存在極限頻率，當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時(shí)不能發(fā)生光電效應(yīng)。光的波動(dòng)理論認(rèn)為不管光的頻率如何，只要光足夠強(qiáng)，電子都可以獲得足夠能量從而逸出金屬表面，不應(yīng)存在極限頻率，B項(xiàng)矛盾；光電效應(yīng)中入射光越強(qiáng)，光電流越大，這與光的波動(dòng)理論不矛盾，C項(xiàng)不矛盾；光電效應(yīng)中入射光的頻率越大，光電子的最大初動(dòng)能越大。光的波動(dòng)理論認(rèn)為光強(qiáng)越大，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動(dòng)能越大，D項(xiàng)矛盾。 2．小明用金屬銣為陰極的光電管觀測(cè)光電效應(yīng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。 (1)圖甲中電極A為光電管的________(填“陰極”

7、或“陽(yáng)極”)。 (2)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝____________Hz，逸出功W0＝____________J。 (3)如果實(shí)驗(yàn)中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能Ek＝____________J。 解析：(1)題圖甲為利用光電管產(chǎn)生光電流的實(shí)驗(yàn)電路，光電子從K極發(fā)射出來(lái)，故K為光電管的陰極，A為光電管的陽(yáng)極。 (2)遏止電壓對(duì)光電子做負(fù)功，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程有eUc＝Ek＝hν－W0。結(jié)合題圖乙可知，當(dāng)Uc＝0時(shí)，ν＝5.15×1014 Hz，故銣的截止頻率νc＝5.15×1014 H

8、z，逸出功W0＝hνc≈3.41×10－19 J。 (3)若入射光的頻率ν＝7.00×1014 Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能Ek＝hν－W0≈1.23×10－19 J。 答案：(1)陽(yáng)極　(2)5.15×1014　3.41×10－19 (3)1.23×10－19 (時(shí)間：45分鐘　滿分：100分) 一、單項(xiàng)選擇題(本題共5小題，每小題4分，共20分) 1．下列各種說(shuō)法中錯(cuò)誤的有(　　) A．普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題中提出了能量子假說(shuō) B．一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因?yàn)樵撌獾恼丈鋾r(shí)間太短 C．在光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，狹縫越窄，光子動(dòng)量的不確定量越大

9、 D．任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體，無(wú)論是大到太陽(yáng)、地球，還是小到電子、質(zhì)子，都與一種波相對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波，物質(zhì)波是概率波 解析：選B　普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題中提出了能量子假說(shuō)，故A正確；一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因?yàn)樵撌獾念l率小于極限頻率，故B錯(cuò)誤；光的單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，狹縫越窄，光子動(dòng)量的不確定量越大，故C正確；任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體，都與一種波相對(duì)應(yīng)，這就是物質(zhì)波，物質(zhì)波是概率波，故D正確。 2．一個(gè)電子被加速后，以極高的速度在空間運(yùn)動(dòng)，關(guān)于它的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．電子在空間做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．電子上下左右顫動(dòng)著前進(jìn) C．電子運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦曲線 D．無(wú)

10、法預(yù)言它運(yùn)動(dòng)的路徑 解析：選D　根據(jù)概率波的知識(shí)可知，某個(gè)電子在空間中運(yùn)動(dòng)的路徑我們無(wú)法確定，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定大量電子的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，故選項(xiàng)D正確。 3．一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子，由靜止開(kāi)始經(jīng)加速電場(chǎng)加速后(加速電壓為U)，該粒子的德布羅意波長(zhǎng)為(　　) A. 　　　　　　　　 B. C. D. 解析：選C　設(shè)加速后的速度為v，由動(dòng)能定理得：qU＝mv2，所以v＝，由德布羅意波長(zhǎng)公式：λ＝＝＝，C正確。 4．已知鈣和鉀的截止頻率分別為7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某種單色光的照射下兩種金屬均發(fā)生光電效應(yīng)，比較它們表面逸出的具有最大初動(dòng)能的光電子

11、，鈣逸出的光電子具有較大的(　　) A．波長(zhǎng) B．頻率 C．能量 D．動(dòng)量 解析：選A　由mvm2＝hν－W0知，鈣逸出的光電子最大初動(dòng)能較小，所以鈣逸出的光電子動(dòng)量較小，頻率較小，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，選項(xiàng)A正確。 5．用不同頻率的紫外線分別照射鎢和鋅的表面而產(chǎn)生光電效應(yīng)，可得到光電子最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率ν變化的Ek-ν圖象。已知鎢的逸出功是3.28 eV，鋅的逸出功是3.24 eV，若將二者的圖線畫(huà)在同一個(gè)Ek-ν坐標(biāo)中，用實(shí)線表示鎢、虛線表示鋅，則能正確反映這一過(guò)程的是圖中的(　　) 解析：選B　圖象斜率表示普朗克常量h，因此兩條線應(yīng)平行；橫截距代表了極限頻率ν0，ν0＝

12、，因此鎢的ν0大些。B正確。 二、多項(xiàng)選擇題(本題共7小題，每小題4分，共28分) 6．在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)。下列說(shuō)法正確的是(　　) A．增大入射光的強(qiáng)度，光電流增大 B．減小入射光的強(qiáng)度，光電效應(yīng)現(xiàn)象消失 C．改用頻率小于ν的光照射，一定不發(fā)生光電效應(yīng) D．改用頻率大于ν的光照射，光電子的最大初動(dòng)能變大 解析：選AD　根據(jù)光電效應(yīng)規(guī)律可知，增大入射光的強(qiáng)度，光電流增大，A項(xiàng)正確；減小入射光的強(qiáng)度，光電流減小，光電效應(yīng)現(xiàn)象并不消失，B項(xiàng)錯(cuò)誤；改用頻率小于ν的入射光照射，如果入射光的頻率仍然大于光電管陰極材料的極限頻率，仍能發(fā)生光

13、電效應(yīng)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可知，增大入射光的頻率，光電子的最大初動(dòng)能增大，D項(xiàng)正確。 7．在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)單縫，那么該光子(　　) A．一定落在中央亮條紋處 B．一定落在亮條紋處 C．可能落在暗條紋處 D．落在中央亮條紋處的可能性最大 解析：選CD　根據(jù)光波是概率波的概念，對(duì)于一個(gè)光子通過(guò)單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮條紋處。也可落在其他亮條紋處，還可能落在暗條紋處，落在暗條紋處的概率很小，故C、D選項(xiàng)正確。 8．2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩名美國(guó)科學(xué)家，以表彰他

14、們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形狀及其溫度在不同方向上的微小變化。他們的出色工作被譽(yù)為宇宙學(xué)研究進(jìn)入精密科學(xué)時(shí)代的起點(diǎn)。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關(guān)的說(shuō)法中正確的是(　　) A．微波是指波長(zhǎng)在10－3 m到10 m之間的電磁波 B．微波和聲波一樣都只能在介質(zhì)中傳播 C．黑體的熱輻射實(shí)際上是電磁輻射 D．普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題中提出了能量子假說(shuō) 解析：選ACD　微波是指波長(zhǎng)在10－3 m到10 m之間的電磁波，可以在真空中傳播；聲波是機(jī)械波，只能在介質(zhì)中傳播，選項(xiàng)A正確，B錯(cuò)誤；黑體的熱輻射實(shí)際上是通過(guò)電磁波的形式向外輻射電磁能量，選項(xiàng)C正確；普朗克在研究黑體的熱輻射問(wèn)題

15、時(shí)提出了能量子假說(shuō)，選項(xiàng)D正確。 9．根據(jù)物質(zhì)波理論，以下說(shuō)法中正確的是(　　) A．微觀粒子有波動(dòng)性，宏觀物體沒(méi)有波動(dòng)性 B．宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性 C．宏觀物體的波動(dòng)性不易被人觀察到是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng) D．速度相同的質(zhì)子與電子相比，電子的波動(dòng)性更為明顯 解析：選BD　一切運(yùn)動(dòng)的物體都有一種物質(zhì)波與它對(duì)應(yīng)，所以宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性，A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B選項(xiàng)正確；宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)很短，不易觀察到它的波動(dòng)性，所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤；速度相同的質(zhì)子與電子相比，電子質(zhì)量小，物質(zhì)波波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以電子波動(dòng)性更明顯，D選項(xiàng)正確。 10．光通過(guò)單縫所發(fā)生的現(xiàn)象，用位置和動(dòng)量的不確定性關(guān)

16、系的觀點(diǎn)加以解釋，正確的是(　　) A．單縫寬，光沿直線傳播，這是因?yàn)閱慰p寬，位置不確定量Δx大，動(dòng)量不確定量Δp小，可以忽略 B．當(dāng)能發(fā)生衍射現(xiàn)象時(shí)，動(dòng)量不確定量Δp不能忽略 C．單縫越窄，中央亮條紋越寬，是因?yàn)槲恢貌淮_定量越小，動(dòng)量不確定量越大的緣故 D．以上解釋都是不對(duì)的 解析：選ABC　由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥可知，A、B、C均正確。 11．在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察屏的某處是亮條紋，則對(duì)光子到達(dá)觀察屏的位置，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．到達(dá)亮條紋處的概率比到達(dá)暗條紋處的概率大 B．到達(dá)暗條紋處的概率比到達(dá)亮條紋處的概率大 C．光子可能到達(dá)光屏的任何位置 D．以上說(shuō)

17、法均有可能 解析：選AC　根據(jù)概率波的定義，一個(gè)光子到達(dá)亮條紋處的概率要比到達(dá)暗條紋處的概率大得多，但并不是一定能夠到達(dá)亮條紋處，故A、C正確。 12．下表列出了幾種不同物體在某種速度下的德布羅意波波長(zhǎng)和頻率為1 MHz的無(wú)線電波的波長(zhǎng)，由表中數(shù)據(jù)可知(　　) 質(zhì)量/kg 速度/(m·s－1) 波長(zhǎng)/m 彈子球 2×10－2 1.0×10－2 3.3×10－30 電子(100 eV) 9.0×10－31 5.0×106 1.4×10－10 無(wú)線電波 (1 MHz) 3.0×108 3.3×102 A.要檢測(cè)彈子球的波動(dòng)性幾乎不可能 B．無(wú)線電波通常

18、情況下表現(xiàn)出波動(dòng)性 C．電子照射到金屬晶體上能觀察到波動(dòng)性 D．只有可見(jiàn)光才有波動(dòng)性 解析：選ABC　彈子球的波長(zhǎng)相對(duì)太小，所以檢測(cè)其波動(dòng)性幾乎不可能，A對(duì)；無(wú)線電波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，所以通常表現(xiàn)為波動(dòng)性，B對(duì)；電子的波長(zhǎng)與金屬晶體尺度差不多，所以能利用金屬晶體觀察電子的波動(dòng)性，C對(duì)；由物質(zhì)波理論知，D錯(cuò)。 三、非選擇題(本題共4小題，共52分) 13.(12分)太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。如圖所示是測(cè)定光電流的電路簡(jiǎn)圖，光電管加正向電壓。 (1)分別寫(xiě)出電源和電流表的正負(fù)極：______________________。 (2)入射光應(yīng)照在_______

19、_極上(選填A(yù)或B)。 (3)電流表讀數(shù)是10 μA，則每秒鐘從光電管陰極發(fā)射出的光電子至少是________個(gè)。 解析：(1)加正向電壓，電子在電子管中由B向A運(yùn)動(dòng)，即電流是由左向右。因此電源左端是正極，右端是負(fù)極，電流表上端是正極，下端是負(fù)極。 (2)入射光應(yīng)照在B極上。 (3)設(shè)電子個(gè)數(shù)為n，則 I＝ne，所以n＝＝6.25×1013(個(gè))。 答案：(1)電源左端是正極，右端是負(fù)極；電流表上端是正極，下端是負(fù)極　(2)B　(3)6.25×1013 14．(12分)鋁的逸出功是4.2 eV，現(xiàn)在將波長(zhǎng)為200 nm的光照射鋁的表面。求： (1)光電子的最大初動(dòng)能； (2)

20、遏止電壓； (3)鋁的極限頻率。 解析：(1)由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可得： Ek＝h－W0 ＝(－4.2×1.6×10－19)J≈3.23×10－19J≈2.02 eV。 (2)由eUc＝Ek得遏止電壓Uc＝＝2.02 V。 (3)由W0＝hν0得極限頻率 ν0＝＝ Hz≈1.01×1015 Hz。 答案：(1)2.02 eV　(2)2.02 V (3)1.01×1015 Hz 15．(12分)幾種金屬的逸出功W0見(jiàn)下表： 金屬 鎢 鈣 鈉 鉀 銣 W0(×10－19 J) 7.26 5.12 3.66 3.60 3.41 用一束

21、可見(jiàn)光照射上述金屬的表面，請(qǐng)通過(guò)計(jì)算說(shuō)明哪些能發(fā)生光電效應(yīng)。已知該可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍為4.0×10－7～7.6×10－7 m，普朗克常數(shù)h＝6.63×10－34 J·s。 解析：光子的能量E＝ 取λ＝4.0×10－7 m，則E≈5.0×10－19 J 根據(jù)E＞W(wǎng)0判斷，鈉、鉀、銣能發(fā)生光電效應(yīng)。 答案：鈉、鉀、銣能發(fā)生光電效應(yīng) 16．(16分)太陽(yáng)光垂直射到地面上時(shí)，地面上1 m2接收的太陽(yáng)光的功率為1.4 kW，其中可見(jiàn)光部分約占45%。(普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s) (1)假如認(rèn)為可見(jiàn)光的波長(zhǎng)約為0.55 μm，日、地間距離R＝1.5×1011 m，估算太陽(yáng)每秒輻射

22、出的可見(jiàn)光子數(shù)； (2)若已知地球的半徑為6.4×106 m，估算地球接收的太陽(yáng)光的總功率。 解析：(1)設(shè)地面上垂直太陽(yáng)光的1 m2面積上每秒鐘接收的可見(jiàn)光光子數(shù)為n，則有P×45%＝n·h 解得n＝ ＝ ＝1.75×1021(個(gè)) 設(shè)想一個(gè)以太陽(yáng)為球心，以日、地距離為半徑的大球面包圍著太陽(yáng)，大球面接收的光子數(shù)即等于太陽(yáng)輻射的全部光子數(shù)。 則所求可見(jiàn)光光子數(shù)N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2≈4.9×1044(個(gè))。 (2)地球背著陽(yáng)光的半個(gè)球面沒(méi)有接收太陽(yáng)光。地球向陽(yáng)的半個(gè)球面面積也不都與太陽(yáng)光垂直。接收太陽(yáng)光輻射且與陽(yáng)光垂直的有效面積是以地球半徑為半徑的圓的平面的面積。則地球接收陽(yáng)光的總功率 P地＝P·πr2＝1.4×3.14×(6.4×106)2 kW≈1.8×1014 kW。 答案：(1)4.9×1044個(gè)　(2)1.8×1014 kW 8