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1、专题12.2 光电效应波粒二象性1.知道什么是光电效应，理解光电效应的实验规律.2.会利用光电效应方程计算逸出功、极限频率、最大初动能等物理量.3.知道光的波粒二象性，知道物质波的概念知识点一 光电效应波粒二象性1光电效应(1)定义：在光的照射下从金属表面发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子)。(2)产生条件：入射光的频率大于金属极限频率。(3)光电效应规律存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。光电效应具有瞬时性：当频率超过截止
2、频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过109 s。2光电效应方程(1)基本物理量光子的能量h，其中h6.6261034 Js(称为普朗克常量)。逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有动能的最大值。(2)光电效应方程：EkhW0。【知识拓展】与光电效应有关的五组概念对比1光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。光子是光电效应的因，光电子是果。2光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸
3、收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。3光电流与饱和光电流：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：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。5光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效
4、应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。知识点二 粒子散射实验与核式结构模型1实验现象绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数粒子发生了大角度偏转，极少数粒子甚至被撞了回来。如图所示。2原子的核式结构模型在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。知识点三 氢原子光谱和玻尔理论1光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。(2)光谱分类：线状谱光谱是一条条的亮线。连续谱光谱是连在一起的光带。(3)氢原子光谱的实验规
5、律：巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式R(n3,4,5，)，R是里德伯常量，R1.10107 m1，n为量子数。2玻尔理论(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hEmEn(h是普朗克常量，h6.631034 Js)。(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。3氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级图能级图如图
6、所示。(2)氢原子的能级公式EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV。(3)氢原子的半径公式rnn2r1(n1,2,3，)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.531010 m。考点一 光电效应的实验现象【典例1】 (2016全国卷)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是()A保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B入射光的频率变高，饱和光电流变大C保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生D遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关【答案】AD【解析】根
7、据光电效应实验得出的结论：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，故A正确，B错误；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若低于截止频率，则没有光电流产生，故C错误，D正确。【变式1】（广西南宁三中2019届模拟）如图所示是光电管的工作原理电路图，一束波长为1的单色光照射到光电管的阴极，电路中产生了光电流，下列判断正确的是()A若电路中电源的正、负极反接后，电路中仍可能有光电流B单色光照射一段时间后，才能观察到电流表指针转动C若另一束波长为2的单色光(21)照射到光电管的阴极时，电路中也可能产生光电流但光电流肯定比前次小D入射光的强度一定时
8、，电路中光电流的大小随电压的增大而持续增大【答案】A【解析】将电路中电源的电极反接，光电子做减速运动，有可能到达阳极，所以还可能有光电流，A正确。光电效应具有瞬时性，若能产生光电流，则不需要等待时间，B错误。换用波长为2(21)的光照射阴极时，光的频率变小，但光电流的大小与光的强度有关，与光的频率无关，仍可能发生光电效应，C错误。增加电路中电源的路端电压，光电流达到饱和电流时不再增大，D错误。考点二 光电效应方程的应用【典例2】（2019天津卷）如图为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的是（ ）【答案】C【解析】
9、由光电效应的方程，动能定理，两式联立可得，故截止电压越大说明光的频率越大，则有三种光的频率，则可知三种光的折射率的关系为，因此光穿过三棱镜时b光偏折最大，c光次之，a光最小，故选C，ABD错误。 【举一反三】(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1.281019 J。已知普朗克常量为6.631034 Js，真空中的光速为3.00108 ms1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A11014 HzB81014 Hz C21015 Hz D81015 Hz【答案】B【解析】根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0hh0，代入数据解得081014Hz，
10、B正确。【变式2】(2017全国卷)在光电效应实验中，分别用频率为a、b的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是()A若ab，则一定有UaUb B若ab，则一定有EkaEkbC若UaUb，则一定有EkaEkb D若ab，则一定有haEkahbEkb【答案】BC【解析】光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eUEk，根据光电效应方程可知EkhW0，若ab，则EkaEkb，UaUb，选项A错误，选项B正确；若UaUb，则EkaEkb，选项C正确；由光电效应方程可得W0hEk，则haEkahbEk
11、b，选项D错误。考点三 光电效应图象问题【典例3】（山东烟台二中2019届模拟）用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图象，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，b)，下列说法中正确的是()甲乙A普朗克常量为hB断开开关S后，电流表G的示数不为零C仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大D保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变【答案】B【解析】由hW0Ek，变形得EkhW0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h，故A错误；断开开关S后，
12、仍有光电子产生，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的光子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。【变式3】（福建师大附中2019届模拟）用甲、乙两种单色光照射同一金属做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示。已知普朗克常量为h，被照射金属的逸出功为W0，遏止电压为Uc，电子的电荷量为e，则下列说法正确的是()A甲光的强度大于乙光的强度 B甲光的频率大于乙光的频率C甲光照射时产生的光电子初动能均为eUc D乙光的频
13、率为【答案】AD【解析】根据光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判定甲光的强度较大，选项A正确；由光电效应方程mv2hW0，mv2Uce，由图可知，甲、乙的遏止电压相同，故甲、乙的频率相同，选项B错误；甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eUc，选项C错误；根据mv2hW0Uce，可得，选项D正确。考点四 对波粒二象性的理解【典例4】（安徽安庆一中2019届模拟）关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是()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
14、，但在微观高速运动的现象中是统一的D实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性【答案】ABC【解析】波粒二象性是微观世界特有的规律，一切运动的微粒都具有波粒二象性，A正确。由于微观粒子的运动遵守不确定关系，所以运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔发生衍射时，都没有特定的运动轨道，B正确。波粒二象性适用于微观高速领域，C正确。宏观物体运动形成的德布罗意波的波长很小，很难被观察到，但它仍有波粒二象性，D错误。【变式4】（江苏启东中学2019届模拟）1927年戴维孙和汤姆孙分别完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一如图所示的是该实验装置的简化图，下列说法不正确的
15、是()A亮条纹是电子到达概率大的地方 B该实验说明物质波理论是正确的C该实验再次说明光子具有波动性 D该实验说明实物粒子具有波动性【答案】C【解析】由题意可知，亮条纹是电子到达概率大的地方，暗条纹是粒子到达概率小的地方，故A正确；电子是实物粒子，能发生衍射现象，该实验说明物质波理论是正确的，不能说明光子的波动性，故B、D正确，C错误考点五 粒子散射实验与核式结构模型【典例5】（辽宁东北育才中学2019届模拟）下列与粒子散射实验结果一致的是()A所有粒子穿过金箔后偏转角度都很小 B大多数粒子发生较大角度的偏转C向各个方向运动的粒子数目基本相等 D极少数粒子发生大角度的偏转【答案】D【解析】当粒子
16、穿过原子时，电子对粒子影响很小，影响粒子运动的主要是原子核，离原子核远的粒子受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变，只有当粒子距离原子核很近时，才会受到很大的库仑斥力，而原子核很小，所以只有极少数的粒子发生大角度的偏转，而绝大多数基本按直线方向前进，实验结果是：离原子核远的粒子偏转角度小，离原子核近的粒子偏转角度大，正对原子核的粒子返回，故A、B、C错误，D正确。【变式5】（山西忻州一中2019届模拟）从粒子散射实验结果出发推出的结论有：金原子内部大部分都是空的；金原子是一个球体；汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况；原子核的半径约是1015m，其中正确的是()AB C D【答案】B【解析
17、】粒子散射实验的结果表明，原子是由原子核和核外电子构成的，原子核体积很小，质量大，原子的质量主要集中在原子核上，原子核外有一个非常大的空间，核外电子围绕原子核做高速运动，则从粒子散射实验结果出发推出的结论有金原子内部大部分都是空的，汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况，原子核的半径约是1015m，不能说明金原子是球体，B正确。考点六 氢原子光谱和玻尔理论【典例6】（2019新课标全国卷）氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV3.10 eV的光为可见光。要使处于基态（n=1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为()A12.09 eVB10.20 eVC1
18、.89 eV D1.5l eV【答案】A【解析】由题意可知，基态（n=1）氢原子被激发后，至少被激发到n=3能级后，跃迁才可能产生能量在1.63eV3.10eV的可见光。故。故本题选A。【举一反三】（河北石家庄二中2019届模拟）已知氢原子基态能量为13.6 eV，下列说法正确的有()A使n2能级的氢原子电离至少需要吸收3.4 eV的能量B氢原子由n3能级跃迁到n2能级，放出光子，能量增加C处于基态的氢原子吸收能量为10.2 eV的光子跃迁到n4的激发态D大量处于n3激发态的氢原子会辐射出3种不同频率的光子【答案】AD【解析】氢原子基态能量为13.6 eV，n2能级的能量E2 eV3.4 eV
19、，因此要使处于n2能级的氢原子电离至少需要吸收3.4 eV的能量，A正确。氢原子由n3能级跃迁到n2能级，放出光子，能量减少，B错误。处于基态的氢原子吸收能量为10.2 eV的光子，能量E13.6 eV10.2 eV3.4 eV，因此会从n1能级跃迁到n2能级，C错误。根据C3，可知，大量处于n3能级的氢原子跃迁时能辐射出3种不同频率的光子，D正确。【方法技巧】能级跃迁的规律（1）自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子。光子的频率。（2）受激跃迁：低能级高能级，吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差hE，即对光子的吸收具有选择性。当入射光子能量大于该能级的电离能时，原子对光
20、子吸收不再具有选择性，而是吸收以后发生电离。碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外E。【变式6】（湖南衡阳八中2019届模拟）氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量E154.4 eV，氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是()A54.4 eVB51.0 eV C43.2 eV D40.8 eV【答案】C【解析】假设基态的氦离子吸收54.4 eV的能量，当光子能量大于等于基态能量时，将被处于基态的离子吸收并能使其电离，A错误。假设基态的氦离子吸收51.0 eV的能量，能量变为3.4 eV，所以能被吸收，能跃迁到第4能级，B错误。假设基态的氦离子吸收43.2 eV，能量为11.2 eV，所以不能被吸收发生跃迁，C正确。假设基态的氦离子吸收40.8 eV的能量，能量变为13.6 eV，能被吸收，能跃迁到第2能级，D错误。