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1、第十七章 波粒二象性专题整合深化提升考点一光电效应现象及波粒二象性的理解【典例1】(多选)已知能使某金属产生光电效应的截止频率为c,则下列说法正确的是()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【解析】选A、B。该金属的截止频率为c,则可知逸出功W0=hc,逸出功由金属自身性质决定,与照射光的频率无关,C错误。由光电效应的规律:入射光的频率决定能否发生光电效应,A正确;由光电效应方程Ek=h
2、-W0,将W0=hc代入可知,B正确,D错误。【典例2】(多选)(2015江苏高考)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等【解析】选A、B。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。【考点归纳】1.光电效应的规律:(1)任何一种金属都有一个截止频率,入射光的频率必须大
3、于这个截止频率才能发生光电效应,低于这个截止频率则不能发生光电效应。(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,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,产生电流的时间不超过10-9s。(4)大于截止频率的光照射金属时,光电流强度(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比。2.光电流与电压的关系:给光电管加反向电压时,随电压的增大,光电流逐渐减小,当电压大于或等于遏止电压时,光电流为0,如图所示。给光电管加正向电压时,随电压的增大光电流逐渐增大,当电压增大到某一值时,光电流达到饱和值,再增大电压,光电流不再增加。3.光电效应中的两个对应关系:【对点训练】1.
4、(2018大庆高二检测)2003年全世界物理学家评选出“十大最美物理实验”,排名第一的为1961年物理学家利用“托马斯杨”双缝干涉实验装置进行电子干涉的实验。从辐射源辐射出的电子束经两狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹,该实验说明()A.光具有波动性B.光具有波粒二象性C.微观粒子也具有波动性D.微观粒子也是一种电磁波【解析】选C。辐射源辐射出的电子束经两狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹说明了微观粒子也具有波动性,选项C正确。2.(多选)在光电效应实验中,用频率为的光照射光电管阴极,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
5、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【解析】选A、D。增大入射光的强度,单位时间内照到单位面积上的光子数增加,光电流增大,A项正确。减小入射光的强度,只是光电流减小,光电效应现象是否消失与光的频率有关,而与光的强度无关,B项错误。改用频率小于的光照射,但只要光的频率大于极限频率0仍然可以发生光电效应,C项错误。由爱因斯坦光电效应方程h-W逸=mv2得:光频率增大,而W逸不变,故光电子的最大初动能变大,D项正确。考点二光电效应方程及其应用【典例】以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出
6、。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应;换用同样频率的强激光照射阴极K,则发生了光电效应。此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在K、A之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量)()A.U=-B.U=-C.U=2h-WD.U=-【解析】选B。由题意可知一个电
7、子吸收多个光子仍然遵守光电效应方程,设电子吸收了n个光子,则逸出的光电子的最大初动能为Ek=nh-W(n=2,3,4),逸出的光电子在遏止电压下运动时应有Ek=eU,由以上两式联立得U=,若取n=2,则B正确。【考点归纳】1.光子说:(1)光子:在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫作一个光量子,简称光子。(2)光子的能量:E=h,h为普朗克常量,h=6.6310-34Js,每个光子的能量只取决于光的频率。2.光电效应方程:(1)最大初动能与入射光频率的关系:Ek=h-W0。(2)若入射光的能量恰等于金属的逸出功W0,则光电子的最大初动能为零,入射光的频率就是金属的截止频率,此时有
8、hc=W0,即c=,可求出截止频率。(3)Ek-曲线:如图所示,由Ek=h-W0可知,横轴上的截距是金属的截止频率或极限频率,纵轴上的截距是金属的逸出功的负值,斜率为普朗克常量。3.定量分析光电效应时应抓住的三个关系式:(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=h-W0。(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。(3)逸出功与极限频率、极限波长0的关系:W0=hc=h。【对点训练】1.(2014江苏高考)已知钙和钾的截止频率分别为7.731014Hz和5.441014Hz,在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应,比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子,钙逸出的光电子具有较大的()A.波长B
9、.频率C.能量D.动量【解析】选A。根据爱因斯坦光电效应方程:Ekm=h-h0,因为钙的0大,所以能量Ekm小,频率小,波长大,B、C项错误,A项正确;根据物质波波长=,所以钙逸出的光电子动量小,D项错误。2. 如图所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5eV的一束光照射到阴极P,发现电流表读数不为零,合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.60V时,电流表读数仍不为零,当电压表读数大于或等于0.60 V时,电流表读数为零,由此可知阴极材料的逸出功为()A.1.9 eV B.0.6 eVC.2.5 eVD.3.1 eV【解析】选A。电流表读数为零时,光电子的初动能刚好全部消耗在电场力
10、做功上,则有Ek=eU=0.6eV,又因为Ek=h-W,所以有W=h-Ek=(2.5-0.6)eV=1.9 eV。3.用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应,可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率变化的Ek-图象。已知钨的逸出功是3.28eV,锌的逸出功是3.34eV,若将二者的图线画在同一个Ek-坐标图中,用实线表示钨,虚线表示锌,则正确反映这一过程的图是图中的()【解析】选A。依据光电效应方程Ek=h-W0可知,Ek-图线的斜率代表了普朗克常量h,因此钨和锌的Ek-图线应该平行。图线的横截距代表了极限频率c,而c=,因此锌的c大些。故正确答案为A。【补偿训练】(多选)在光电效
11、应实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能产生光电效应。对于这两个过程,下列四个物理量中,一定不同的是()A.遏止电压 B.饱和光电流C.光电子的最大初动能D.逸出功【解析】选A、C、D。不同金属的逸出功W0不同,所以用同一种单色光照射锌和银的表面,光电子逸出后最大初动能Ek=h-W0也不同,C、D均正确;遏止电压满足eUc=Ek,所以遏止电压也不同,A正确;饱和光电流的大小与光照强度有关,只要光照强度相同,光电效应产生的饱和光电流就相同,B错误。考点三原子结构【典例1】(多选)有关原子结构,下列说法正确的是()A.玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律B.卢瑟福核式结构模型可
12、以很好地解释原子的稳定性C.卢瑟福的粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子D.卢瑟福的粒子散射实验否定了汤姆孙关于原子结构的“枣糕模型”【解析】选A、D。玻尔提出的原子模型成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱的实验规律;卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性;卢瑟福的粒子散射实验表明原子具有核式结构,否定了汤姆孙关于原子结构的“枣糕模型”;汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子,选项A、D正确,选项B、C错误。【典例2】玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律,氢原子能级图如图所示。当氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级时,辐射出频率为_Hz的光子,用该频率的光照射逸出功为2.25 eV的钾
13、表面,产生的光电子的最大初动能为_eV。(电子电量e=1.6010-19C,普朗克常量h=6.6310-34Js)【解析】根据-0.85-(-3.40)eV=h,可求得光子的频率=6.151014Hz;根据Ek=h-W0可求得光电子的最大初动能Ek=2.55eV-2.25eV=0.3eV。答案:6.1510140.3【考点归纳】1.粒子散射实验:19091911年,英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验,发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进,但有少数粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90,也就是说它们几乎被“撞”了回来。为了解释粒子的大角度散射,卢瑟福提出了原
14、子的核式结构模型。2.原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部正电荷和几乎全部的质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。3.玻尔原子模型:(1)定态:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。(2)跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸收一定频率的光子。光子的能量由这两个定态的能量差决定,即h=Em-En。(3)轨道:原子的不同能量状态跟电子在不同的圆轨道绕核运动相对应,原子的定态是不连续的,因此电子的轨道也是不连续的。4.氢原子的能级结构及能级公式:(1)原子各定态的能量值叫作原子的能级,对于
15、氢原子,其能级公式为En=,对应的轨道半径公式为rn=n2r1。其中,n称为量子数,只能取正整数:E1=-13.6 eV, r1=0.5310-10m。(2)原子的最低能量状态为基态,对应电子在离核最近的轨道上运动;较高的能量状态称为激发态,对应电子在离核较远的轨道上运动,氢原子的能级图如图所示。【对点训练】1.在卢瑟福粒子散射实验中,金箔中的原子核可以看作静止不动,下列各图画出的是其中两个粒子经历金箔散射过程的径迹,其中正确的是()【解析】选C。粒子与原子核相互排斥,A、D错;运动轨迹与原子核越近,力越大,运动方向变化越明显,B错,C对。2. 根据玻尔原子结构理论,氦离子(He+)的能级图如图所示。电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离_(选填“近”或“远”)。当大量He+处在n=4的激发态时,由于跃迁所发射的谱线有_条。【解析】根据玻尔理论,电子离原子核越远,原子所处的能级就越高,另外,处于n=4能
