（浙江選考）2020版高考物理一輪復習 第12章 動量守恒定律 波粒二象性 原子結(jié)構(gòu)與原子核 第2講 波粒二象性學案

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1、第2講　波粒二象性 知識排查 光電效應 1.光電效應現(xiàn)象：在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應，發(fā)射出來的電子稱為光電子。 2.光電效應的四個規(guī)律 (1)每種金屬都有一個極限頻率。 (2)光子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光的頻率增大而增大。 (3)光照射到金屬表面時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的。 (4)光電流的強度與入射光的強度成正比。 3.遏止電壓與截止頻率 (1)遏止電壓：使光電流減小到零的反向電壓Uc。 (2)截止頻率：能使某種金屬發(fā)生光電效應的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。不同的金屬對應著不同的極限頻率。 愛

2、因斯坦光電效應方程 1.光子說 在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光的能量子，簡稱光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s。(稱為普朗克常量) 2.逸出功W0 使電子脫離某種金屬所做功的最小值。 3.最大初動能 發(fā)生光電效應時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。 4.愛因斯坦光電效應方程 (1)表達式：Ek＝hν－W0。 (2)物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動能Ek＝mev2。光的波粒二象性與物質(zhì)波

3、1.光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。 (2)光電效應說明光具有粒子性。 (3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性。 2.物質(zhì)波 (1)概率波 光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波。 (2)物質(zhì)波 任何一個運動著的物體，小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應，其波長λ＝，p為運動物體的動量，h為普朗克常量。 3.不確定性關系 在經(jīng)典物理學中，一個質(zhì)點的位置和動量是可以同時測定的，在微觀物理學中，要同時測出微觀粒子的位置和動量是不太可能的，

4、這種關系叫不確定性關系。 小題速練 1.思考判斷 (1)光電子就是光子(　　) (2)只要光強度足夠強，任何金屬都能發(fā)生光電效應(　　) (3)極限頻率越大的金屬材料逸出功越大(　　) (4)愛因斯坦認為光是一份一份的，每一份叫光量子(　　) (5)宏觀物體不具有波動性(　　) (6)光子和光電子都是實物粒子(　　) (7)要使某金屬發(fā)生光電效應，入射光子的能量必須大于金屬的逸出功(　　) (8)光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比(　　) (9)光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性(　　) (10)德國物理學家普朗克提出了量子假說，成功地解釋了光電效應規(guī)

5、律(　　) (11)美國物理學家康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應，證實了光的粒子性(　　) (12)法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子在一定條件下會表現(xiàn)為波動性(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×　(7)√　(8)×　(9)√　(10)×　(11)√　(12)√ 2.[人教版選修3－5·P30·演示實驗改編](多選)如圖1所示，用導線把驗電器與鋅板相連接，當用紫外線照射鋅板時，發(fā)生的現(xiàn)象是(　　) 圖1 A.有光子從鋅板逸出 B.有電子從鋅板逸出 C.驗電器指針張開一個角度 D.鋅板帶負電 解析　用紫外線照射鋅板是能夠發(fā)生光電效應的，鋅板

6、上的電子吸收紫外線的能量從鋅板表面逸出，稱之為光電子，故選項A錯誤，B正確；鋅板與驗電器相連，帶有相同電性的電荷，鋅板失去電子應該帶正電，且失去電子越多，帶正電的電荷量越多，驗電器指針張角越大，故選項C正確，D錯誤。 答案　BC 3.下列說法正確的是(　　) A.實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性 B.康普頓效應說明光子既有能量又有動量 C.光是高速運動的微觀粒子，單個光子不具有波粒二象性 D.宏觀物體的物質(zhì)波波長非常小，極易觀察到它的波動 解析　由德布羅意理論知，宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，但仍具有波粒二象性，選項A、D錯誤；康普頓效應說

7、明光子除了具有能量之外還有動量，選項B正確；波粒二象性是光子的特性，單個光子也具有波粒二象性，選項C錯誤。 答案　B 　光電效應規(guī)律的理解與應用 1.對光電效應的四點提醒 (1)能否發(fā)生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率。 (2)光電效應中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。 (3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關。 (4)光電子不是光子，而是電子。 2.兩條對應關系 (1)光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。 (2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。 3.定量分析時應抓住三個關系式 (1)愛因斯坦光電效應方程：Ek＝

8、hν－W0。 (2)最大初動能與遏止電壓的關系：Ek＝eUc。 (3)逸出功與極限頻率的關系：W0＝hν0。 4.用圖象表示光電效應方程 (1)最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線如圖2。 圖2 (2)由曲線可以得到的物理量： ①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc。 ②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0＝E。 ③普朗克常量：圖線的斜率k＝h。 1.(多選)在光電效應實驗中，用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生了光電效應，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，光電效應現(xiàn)象消失 C.改用頻率小于ν的光照射，一定不

9、發(fā)生光電效應 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　增大入射光強度，單位時間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)增加，則光電流將增大，故選項A正確；光電效應是否發(fā)生取決于入射光的頻率，而與入射光強度無關，故選項B錯誤；用頻率為ν的光照射光電管陰極，發(fā)生光電效應，用頻率小于ν的光照射時，若光的頻率仍大于極限頻率，則仍會發(fā)生光電效應，選項C錯誤；根據(jù)hν－W逸＝mv2可知，增大入射光頻率，光電子的最大初動能也增大，故選項D正確。 答案　AD 2.(多選)如圖3所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線(直線與橫軸的交點坐標為4.27，與縱軸交點坐標為0

10、.5)。由圖可知(　　) 圖3 A.該金屬的截止頻率為4.27×1014 Hz B.該金屬的截止頻率為5.5×1014 Hz C.該圖線的斜率表示普朗克常量 D.該金屬的逸出功為0.5 eV 解析　圖線在橫軸上的截距為截止頻率，A正確，B錯誤；由光電效應方程Ek＝hν－W0可知圖線的斜率為普朗克常量，C正確；金屬的逸出功為W0＝hν0＝ eV＝1.77 eV，D錯誤。 答案　AC 3.研究光電效應的電路如圖4所示。用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K)，鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之間的電壓UAK的關系圖象

11、中正確的是(　　) 圖4 解析　雖然入射光強度不同，但光的頻率相同，所以遏止電壓相同；又因當入射光強度大時，單位時間逸出的光電子多，飽和光電流大，所以選項C正確。 答案　C 　粒子的波動性　概率波　不確定性關系 光既有波動性，又有粒子性，兩者不是孤立的，而是有機的統(tǒng)一體，其表現(xiàn)規(guī)律為： (1)從數(shù)量上看：個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。 (2)從頻率上看：頻率越低，波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高，粒子性越顯著，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象，貫穿本領越強。 (3)從傳播與作用上看：光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動

12、性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。 (4)波動性與粒子性的統(tǒng)一：由光子的能量E＝hν，光子的動量p＝，表達式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ。由以上兩式和波速公式c＝λν還可以得出E＝pc。 1.(多選)用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖5(a)(b)(c)所示的圖象，則(　　) 圖5 A.圖象(a)表明光具有粒子性 B.圖象(c)表明光具有波動性 C.用紫外光觀察不到類似的圖象 D.實驗表明光是一種概率波 解析　圖象(a)只有分散的亮點，表明光

13、具有粒子性；圖象(c)呈現(xiàn)干涉條紋，表明光具有波動性；用紫外光也可以觀察到類似的圖象，實驗表明光是一種概率波，選項A、B、D正確。 答案　ABD 2.(多選)實物粒子和光都具有波粒二象性。下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是(　　) A.電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣 B.β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡 C.人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu) D.人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) 解析　電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣，可以說明電子是一種波，故選項A正確；β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡，可以說明β射線是一種粒子，故選項B錯誤；人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)

14、構(gòu)，中子衍射說明中子是一種波，故選項C正確；人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，利用了電子束的衍射現(xiàn)象，說明電子束是一種波，故選項D正確。 答案　ACD 3.物理學家做了一個有趣的實驗：在雙縫干涉實驗中，在光屏處放上照相底片，若減弱光的強度，使光子只能一個一個地通過狹縫，實驗結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點子；如果曝光時間足夠長，底片上就會出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋，對這個實驗結(jié)果認識正確的是(　　) A.曝光時間不長時，出現(xiàn)不規(guī)則的點子，表現(xiàn)出光的波動性 B.單個光子通過雙縫后的落點可以預測 C.干涉條紋中明亮的部分是光子到達機會較多的地方 D.只有大量光子的行

15、為才能表現(xiàn)出光的粒子性 解析　由于光波是一種概率波，故選項C正確；A中的現(xiàn)象說明了光的粒子性，個別光子的行為通常表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，故選項A、D錯誤。 答案　C 活頁作業(yè) (時間：30分鐘) A組　基礎過關 1.在歷史上，最早證明德布羅意波存在的實驗是(　　) A.弱光衍射實驗 B.電子束在晶體上的衍射實驗 C.弱光干涉實驗 D.以上都不正確 解析　最早證明德布羅意波假說的是電子束在晶體上的衍射實驗，故B項正確。 答案　B 2.在做雙縫干涉實驗時，發(fā)現(xiàn)10 000個光子中有9 600個通過雙縫后打到了觀察屏上的b處，則b處是(　　) A.亮紋

16、 B.暗紋 C.既有可能是亮紋也有可能是暗紋 D.以上各種情況均有可能 解析　由光子按波的概率分布的特點去判斷，由于大部分光子都落在b點，故b處一定是亮紋，選項A正確。 答案　A 3.光子的能量與其(　　) A.頻率成正比 B.波長成正比 C.速度成正比 D.速度平方成正比 解析　由E＝hν、c＝λν得E＝hν＝h，可見光子的能量與其頻率成正比、與其波長成反比，選項A正確，B錯誤；由于任意能量的光子在真空中傳播的速度都是相同的，故選項C、D錯誤。 答案　A 4.(多選)關于物質(zhì)的波粒二象性，下列說法中正確的是(　　) A.不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒

17、都具有波粒二象性 B.運動的微觀粒子與光子一樣，當它們通過一個小孔時，都沒有特定的運動軌道 C.波動性和粒子性，在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的 D.實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性 解析　由德布羅意波可知A、C正確；運動的微觀粒子，達到的位置具有隨機性，而沒有特定的運動軌道，B正確；由德布羅意理論知，宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，不是不具有波粒二象性，D錯誤。 答案　ABC 5.(2016·4月浙江選考)(多選)在光電效應實驗中，采用極限頻率為νc＝5.5×1014Hz鈉陰極，已知普朗克常量h＝6.6×10－3

18、4 J·s，電子質(zhì)量m＝9.1×10－31 kg。用頻率ν＝7.5×1014Hz的紫光照射鈉陰極產(chǎn)生光電子的(　　) A.動能的數(shù)量級為10－19 J B.速率的數(shù)量級為108 m/s C.動量的數(shù)量級為10－27 kg· m/s D.德布羅意波長的數(shù)量級為10－9 m 解析　根據(jù)愛因斯坦光電效應方程，有Ekm＝hν－W0＝hν－h(huán)ν0＝6.6×10－34 J·s×(7.5×1014Hz－5.5×1014Hz)＝1.32×10－19J，故A正確；Ekm＝mv，解得vm＝＝ m/s＝5.4×105m/s，故B錯誤；動量p＝mvm＝9.1×10－31 kg×5.4×105m/s＝4.9

19、×10－25kg· m/s，故C錯誤；德布羅意波長λ＝＝＝1.3×10－9 m，故D正確。 答案　AD 6.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，比較它們表面逸出的具有最大初動能的光電子，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　由愛因斯坦光電效應方程hν＝W0＋mv，又由W0＝hν0，可得光電子的最大初動能mv＝hν－h(huán)ν0，由于鈣的截止頻率大于鉀的截止頻率，所以鈣逸出的光電子的最大初動能較小，因此它具有較小的能量、頻率和動量，選項B、C、D錯

20、誤；又由c＝λν可知光電子頻率較小時，波長較大，選項A正確。 答案　A 7.(多選)下列對光的波粒二象性的說法正確的是(　　) A.光子不僅具有能量，也具有動量 B.光的波粒二象性指光有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性 C.運動的實物粒子也有波動性，波長與粒子動量的關系為λ＝ D.光波和物質(zhì)波，本質(zhì)上都是概率波 解析　光電效應表明光子具有能量，康普頓效應表明光子除了具有能量之外還具有動量，選項A正確；波粒二象性指光有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性，選項B正確；物質(zhì)波的波長與粒子動量的關系應為λ＝，選項C錯誤；光波中的光子和物質(zhì)波中的實物粒子在空間出現(xiàn)的概率滿足波動規(guī)律，因此二者

21、均為概率波，選項D正確。 答案　ABD 8.頻率為ν的光照射某金屬時，產(chǎn)生光電子的最大初動能為Ekm。改為頻率為2ν的光照射同一金屬，所產(chǎn)生光電子的最大初動能為(h為普朗克常量)(　　) A.Ekm－h(huán)ν B.2Ekm C.Ekm＋hν D.Ekm＋2hν 解析　根據(jù)愛因斯坦光電效應方程得：Ekm＝hν－W0，若入射光頻率變?yōu)?ν，則Ekm′＝h·2ν－W0＝2hν－(hν－Ekm)＝hν＋Ekm，故選項C正確。 答案　C B組　能力提升 9.(多選)分別用波長為λ和2λ的光照射同一種金屬，產(chǎn)生的速度最快的光電子速度之比為2∶1，普朗克常量和真空中光速分別用h和c表

22、示，那么下列說法正確的有(　　) A.該種金屬的逸出功為 B.該種金屬的逸出功為 C.波長超過2λ的光都不能使該金屬發(fā)生光電效應 D.波長超過4λ的光都不能使該金屬發(fā)生光電效應 解析　由hν＝W0＋Ek知h＝W0＋mv，h＝W0＋mv，又v1＝2v2，得W0＝，選項A正確，B錯誤；光的波長小于或等于3λ時都能發(fā)生光電效應，選項C錯誤，D正確。 答案　AD 10.如圖1所示為用某金屬研究光電效應規(guī)律得到的光電流隨電壓變化關系的圖象，用單色光1和單色光2分別照射該金屬時，逸出的光電子的最大初動能分別為Ek1和Ek2，普朗克常量為h，則下列說法正確的是(　　) 圖1 A.Ek1

23、>Ek2 B.單色光1的頻率比單色光2的頻率高 C.增大單色光1的強度，其遏止電壓會增大 D.單色光1和單色光2的頻率之差為 解析　由于Ek1＝e|Uc1|，Ek2＝e|Uc2|，所以Ek1

24、，當電壓表的示數(shù)大于或等于0.7 V時，電流表示數(shù)為0。則(　　) 圖2 A.光電管陰極的逸出功為1.8 eV B.開關S斷開后，沒有電流流過電流表G C.光電子的最大初動能為0.7 eV D.改用能量為1.5 eV的光子照射，電流表G也有電流，但電流較小 解析　該裝置所加的電壓為反向電壓，發(fā)現(xiàn)當電壓表的示數(shù)大于或等于0.7 V時，電流表示數(shù)為0，則知光電子的最大初動能為0.7 eV，根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0，得逸出功W0＝1.8 eV，故選項A、C正確；當開關S斷開后，用光子能量為2.5 eV的光照射到光電管上時發(fā)生了光電效應，有光電子逸出，則有電流流過電流表，故選項B錯誤；改用能量為1.5 eV的光子照射，由于光電子的能量小于逸出功，不能發(fā)生光電效應，無光電流，選項D錯誤。 答案　AC 11