（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)問題主要有兩個方面，一個是關(guān)于光電效應(yīng)現(xiàn)象的判斷，另一個是運用光電效應(yīng)規(guī)律及光電效應(yīng)方程進行的簡單計算。解決問題的關(guān)鍵在于對光電效應(yīng)規(guī)律的掌握及對相關(guān)概念的熟悉程度。 題目涉及Uc-ν圖線時，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，其負極與電極A相連

2、，?是電流表。實驗發(fā)現(xiàn)，當用某種頻率的單色光照射K時，K會發(fā)出電子(光電效應(yīng))，這時，即使AK之間的電壓等于零，回路中也有電流，當A的電勢低于K的電勢且低到某一值Uc時，電流消失，Uc稱為遏止電壓。當改變照射光的頻率ν，遏止電壓Uc也將隨之改變，其關(guān)系如圖乙所示。如果某次實驗我們測出了畫這條圖線(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　當遏止電壓等于零時對應(yīng)的光的頻率為截止頻率，題圖乙中橫坐標上的截距等于截止頻率，根據(jù)某一頻率ν時的遏止電壓求得電子的最大初動能：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)愛因斯坦方程：mvm2＝hν－W0，由以上分析和公式可以知道選項A、B、C正確；因電子射出的速度不能測量，所以電子的質(zhì)量不能求出，D錯誤。 光的波粒二象性 1．大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動性，比如干涉、衍射現(xiàn)象中，如果用強光照射，在光屏上立刻出現(xiàn)了干涉、衍射條紋，體現(xiàn)了波動性；個別光子產(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規(guī)律的光點，充分體現(xiàn)粒子性；但是如果微弱的光在照射時間加長的情況下，在感光底片上的光點分布又會出現(xiàn)一定的規(guī)律性，傾向于干涉、衍射的分布規(guī)律。這些實驗為人們認識光的波粒二象性

4、提供了良好的依據(jù)。 2．光子和電子、質(zhì)子等實物粒子一樣，具有能量和動量。和其他物質(zhì)相互作用時，粒子性起主導(dǎo)作用。 3．光子的能量與其對應(yīng)的頻率成正比，而頻率是波動性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯(lián)系。 4．對不同頻率的光，頻率低、波長長的光，波動性特征顯著；而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著。 5．光在傳播時體現(xiàn)出波動性，在與其他物質(zhì)相互作用時體現(xiàn)出粒子性。處理光的波粒二象性問題的關(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，穿過鋁箔射到其后的屏上，則(　　) A．所有電子的運動軌跡均相同

5、 B．所有電子到達屏上的位置坐標均相同 C．電子到達屏上的位置坐標可用牛頓運動定律確定 D．電子到達屏上的位置受波動規(guī)律支配，無法用確定的坐標來描述它的位置 [解析]選D　電子在運動中表現(xiàn)出波動性，沒有一定的運動軌跡，牛頓運動定律不適用于電子的運動。故正確選項為D。 [專題訓(xùn)練] 1．在光電效應(yīng)的實驗結(jié)果中，與光的波動理論不矛盾的是(　　) A．光電效應(yīng)是瞬時發(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而變大 D．入射光頻率越大，光電子最大初動能越大 解析：選C　光電效應(yīng)產(chǎn)生的時間極短，電子吸收光的能量是瞬時完成的，而不像波動理論所預(yù)計的那樣可以逐漸疊加，

6、A項矛盾；光電效應(yīng)中所有金屬都存在極限頻率，當入射光的頻率低于極限頻率時不能發(fā)生光電效應(yīng)。光的波動理論認為不管光的頻率如何，只要光足夠強，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項矛盾；光電效應(yīng)中入射光越強，光電流越大，這與光的波動理論不矛盾，C項不矛盾；光電效應(yīng)中入射光的頻率越大，光電子的最大初動能越大。光的波動理論認為光強越大，電子可獲得更多的能量，光電子的最大初動能越大，D項矛盾。 2．小明用金屬銣為陰極的光電管觀測光電效應(yīng)現(xiàn)象，實驗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“陽極”)。 (2)實驗中測得銣的遏止電壓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)如果實驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek＝____________J。 解析：(1)題圖甲為利用光電管產(chǎn)生光電流的實驗電路，光電子從K極發(fā)射出來，故K為光電管的陰極，A為光電管的陽極。 (2)遏止電壓對光電子做負功，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程有eUc＝Ek＝hν－W0。結(jié)合題圖乙可知，當Uc＝0時，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能Ek＝hν－W0≈1.23×10－19 J。 答案：(1)陽極　(2)5.15×1014　3.41×10－19 (3)1.23×10－19 (時間：45分鐘　滿分：100分) 一、單項選擇題(本題共5小題，每小題4分，共20分) 1．下列各種說法中錯誤的有(　　) A．普朗克在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說 B．一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因為該束光的照射時間太短 C．在光的單縫衍射實驗中，狹縫越窄，光子動量的不確定量越大

9、 D．任何一個運動物體，無論是大到太陽、地球，還是小到電子、質(zhì)子，都與一種波相對應(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題中提出了能量子假說，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)，是因為該束光的頻率小于極限頻率，故B錯誤；光的單縫衍射實驗中，狹縫越窄，光子動量的不確定量越大，故C正確；任何一個運動物體，都與一種波相對應(yīng)，這就是物質(zhì)波，物質(zhì)波是概率波，故D正確。 2．一個電子被加速后，以極高的速度在空間運動，關(guān)于它的運動，下列說法中正確的是(　　) A．電子在空間做勻速直線運動 B．電子上下左右顫動著前進 C．電子運動軌跡是正弦曲線 D．無

10、法預(yù)言它運動的路徑 解析：選D　根據(jù)概率波的知識可知，某個電子在空間中運動的路徑我們無法確定，只能根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律確定大量電子的運動區(qū)域，故選項D正確。 3．一個質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子，由靜止開始經(jīng)加速電場加速后(加速電壓為U)，該粒子的德布羅意波長為(　　) A. 　　　　　　　　 B. C. D. 解析：選C　設(shè)加速后的速度為v，由動能定理得：qU＝mv2，所以v＝，由德布羅意波長公式：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能的光電子

11、，鈣逸出的光電子具有較大的(　　) A．波長 B．頻率 C．能量 D．動量 解析：選A　由mvm2＝hν－W0知，鈣逸出的光電子最大初動能較小，所以鈣逸出的光電子動量較小，頻率較小，波長較長，選項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，若將二者的圖線畫在同一個Ek-ν坐標中，用實線表示鎢、虛線表示鋅，則能正確反映這一過程的是圖中的(　　) 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)實驗中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應(yīng)。下列說法正確的是(　　) A．增大入射光的強度，光電流增大 B．減小入射光的強度，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，增大入射光的強度，光電流增大，A項正確；減小入射光的強度，光電流減小，光電效應(yīng)現(xiàn)象并不消失，B項錯誤；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項錯誤；由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知，增大入射光的頻率，光電子的最大初動能增大，D項正確。 7．在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，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，對于一個光子通過單縫落在何處，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選項正確。 8．2006年度諾貝爾物理學(xué)獎授予了兩名美國科學(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為宇宙學(xué)研究進入精密科學(xué)時代的起點。下列與宇宙微波背景輻射的黑體譜相關(guān)的說法中正確的是(　　) A．微波是指波長在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．黑體的熱輻射實際上是電磁輻射 D．普朗克在研究黑體的熱輻射問題中提出了能量子假說 解析：選ACD　微波是指波長在10－3 m到10 m之間的電磁波，可以在真空中傳播；聲波是機械波，只能在介質(zhì)中傳播，選項A正確，B錯誤；黑體的熱輻射實際上是通過電磁波的形式向外輻射電磁能量，選項C正確；普朗克在研究黑體的熱輻射問題

15、時提出了能量子假說，選項D正確。 9．根據(jù)物質(zhì)波理論，以下說法中正確的是(　　) A．微觀粒子有波動性，宏觀物體沒有波動性 B．宏觀物體和微觀粒子都具有波動性 C．宏觀物體的波動性不易被人觀察到是因為它的波長太長 D．速度相同的質(zhì)子與電子相比，電子的波動性更為明顯 解析：選BD　一切運動的物體都有一種物質(zhì)波與它對應(yīng)，所以宏觀物體和微觀粒子都具有波動性，A選項錯誤，B選項正確；宏觀物體的物質(zhì)波波長很短，不易觀察到它的波動性，所以C選項錯誤；速度相同的質(zhì)子與電子相比，電子質(zhì)量小，物質(zhì)波波長更長，所以電子波動性更明顯，D選項正確。 10．光通過單縫所發(fā)生的現(xiàn)象，用位置和動量的不確定性關(guān)

16、系的觀點加以解釋，正確的是(　　) A．單縫寬，光沿直線傳播，這是因為單縫寬，位置不確定量Δx大，動量不確定量Δp小，可以忽略 B．當能發(fā)生衍射現(xiàn)象時，動量不確定量Δp不能忽略 C．單縫越窄，中央亮條紋越寬，是因為位置不確定量越小，動量不確定量越大的緣故 D．以上解釋都是不對的 解析：選ABC　由不確定性關(guān)系ΔxΔp≥可知，A、B、C均正確。 11．在做雙縫干涉實驗時，觀察屏的某處是亮條紋，則對光子到達觀察屏的位置，下列說法正確的是(　　) A．到達亮條紋處的概率比到達暗條紋處的概率大 B．到達暗條紋處的概率比到達亮條紋處的概率大 C．光子可能到達光屏的任何位置 D．以上說

17、法均有可能 解析：選AC　根據(jù)概率波的定義，一個光子到達亮條紋處的概率要比到達暗條紋處的概率大得多，但并不是一定能夠到達亮條紋處，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和頻率為1 MHz的無線電波的波長，由表中數(shù)據(jù)可知(　　) 質(zhì)量/kg 速度/(m·s－1) 波長/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 無線電波 (1 MHz) 3.0×108 3.3×102 A.要檢測彈子球的波動性幾乎不可能 B．無線電波通常

18、情況下表現(xiàn)出波動性 C．電子照射到金屬晶體上能觀察到波動性 D．只有可見光才有波動性 解析：選ABC　彈子球的波長相對太小，所以檢測其波動性幾乎不可能，A對；無線電波波長較長，所以通常表現(xiàn)為波動性，B對；電子的波長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性，C對；由物質(zhì)波理論知，D錯。 三、非選擇題(本題共4小題，共52分) 13.(12分)太陽能直接轉(zhuǎn)換的基本原理是利用光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。如圖所示是測定光電流的電路簡圖，光電管加正向電壓。 (1)分別寫出電源和電流表的正負極：______________________。 (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。 解析：(1)加正向電壓，電子在電子管中由B向A運動，即電流是由左向右。因此電源左端是正極，右端是負極，電流表上端是正極，下端是負極。 (2)入射光應(yīng)照在B極上。 (3)設(shè)電子個數(shù)為n，則 I＝ne，所以n＝＝6.25×1013(個)。 答案：(1)電源左端是正極，右端是負極；電流表上端是正極，下端是負極　(2)B　(3)6.25×1013 14．(12分)鋁的逸出功是4.2 eV，現(xiàn)在將波長為200 nm的光照射鋁的表面。求： (1)光電子的最大初動能； (2)

20、遏止電壓； (3)鋁的極限頻率。 解析：(1)由愛因斯坦光電效應(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、可見光照射上述金屬的表面，請通過計算說明哪些能發(fā)生光電效應(yīng)。已知該可見光的波長范圍為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)太陽光垂直射到地面上時，地面上1 m2接收的太陽光的功率為1.4 kW，其中可見光部分約占45%。(普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s) (1)假如認為可見光的波長約為0.55 μm，日、地間距離R＝1.5×1011 m，估算太陽每秒輻射

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