（浙江专用）2020版高考物理一轮复习 专题十六 波粒二象性教师用书（PDF，含解析）

专题十六波粒二象性真题多维细目表真题涉分考点光电效应、波粒二象性题型难度设题情境思想方法试题结构素养要求２０１９浙江４月，１４２光电效应多选中遏止电压物理建模选项并列科学推理２０１８浙江１１月，１４２光电效应多选中光频率和动量物理建模选项并列科学推理２０１８浙江４月，１４２不确定性关系多选中电子衍射基本概念选项并列科学推理２０１８浙江４月，１５２光的粒子性多选中氢原子能级物理建模选项并列科学推理２０１７浙江１１月，１５２光电效应多选中两单色光基本概念选项并列科学推理２０１６浙江１０月，１５２光子能量多选难氢原子能级基本概念选项并列科学推理２０１６浙江４月，１６２光电子多选难光电效应基本概念选项递进科学推理２０１５浙江１０月，１４２光电效应多选中氢原子能级基本概念选项并列科学推理总计卷均分２９题／８卷选择中占比２％考频常见考法命题规律与探究本专题主要考查波粒二象性的概念和相关物理量的计算或定性分析，主要涉及光电效应中的光子能量与光电子的初动能、德布罗意波长、不确定性关系等问题。主要体现在以下几方面：（１）结合氢原子能级跃迁分析不同光子的能量，从而得出频率大小，并综合考查色散、衍射、干涉、光电效应等相关问题；（２）围绕光电效应中的基本概念，涉及光电子的初动能（最大初动能）、电子衍射及不确定性关系等问题。命题变化与趋势本专题涉及的基本概念较多，比如光电效应、光电子、物质波、不确定性关系等，高考命题方向往往涉及多个知识点，因此在２０２０年高考备考时有必要全面理解相关概念。专题十六　波粒二象性１４５　　对应学生用书起始页码Ｐ２７２考点光电效应　波粒二象性　　一、光电效应１．在光的照射下从金属中发射电子的现象叫作光电效应，发射出的电子叫光电子。光电效应的实验规律如下：（１）任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须①　不低于　这个极限频率，才能产生光电效应，低于这个频率的光不能产生光电效应。（２）光电子的最大初动能与②　光照强度　无关，只随着入射光频率的③　增大　而增大。（３）入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过１０－９ｓ。（４）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的大小与入射光的强度成④　正比　。２．爱因斯坦为解释光电效应现象，提出了光子说，其内容为：空间传播的光是不连续的，是一份一份的，每一份叫作一个⑤　光子　，每个光子的能量为⑥　ｈν　。３．光电效应方程最大初动能与入射光频率之间的关系：ｍｖ２２＝ｈν－Ｗ（或Ｅｋ＝ｈν－Ｗ）。若入射光子的能量恰等于金属的⑦　逸出功　，则光电子的最大初动能为零，入射光的频率就是该金属的极限频率。此时有ｈν０＝Ｗ，即ν０＝Ｗｈ，可求出极限频率，反过来从实验中测出金属的极限频率ν０，也可求出逸出功。二、波粒二象性１．光既具有⑧　波动性　，又具有⑨　粒子性　，为说明光的一切行为，只能说光具有波粒二象性。２．对波粒二象性的理解（１）大量光子产生的效果往往显示出􀃊􀁉􀁒　波动性　，个别光子产生的效果往往显示出􀃊􀁉􀁓　粒子性　；频率越低的光波动性越明显，频率越高的光粒子性越明显。（２）光在传播过程中往往显示波动性，在与物质作用时往往显示􀃊􀁉􀁔　粒子性　。（３）光波是􀃊􀁉􀁕　一种概率波　。概率是一种可能性，而不是确定性，光是􀃊􀁉􀁖　不连续的　，是一份一份的，它可能到达某个地方，若大量光子能到达某地方就表现出􀃊􀁉􀁗　波动性　。３．光的波动性实验基础：干涉、衍射和偏振。光的粒子性实验基础：光电效应和康普顿效应。三、物质波经典粒子与经典波经典粒子任意时刻的确定的位置和速度以及时空中的确定的轨道，是经典物理学中粒子运动的基本特征经典波具有波长和频率，即在空间与时间上具有􀃊􀁉􀁘　周期性　续表物质波德布罗意认为，任何一个运动着的物体，都有一种波与之相伴随，其波长λ＝ｈｐ，ｐ是物体的动量，ｈ是普朗克常量。人们把这种波称为物质波，也称为德布罗意波概率波在现代物理中，微观粒子的运动不具有确定的位置和动量，没有轨迹的概念。某时刻粒子在空间􀃊􀁉􀁙　任一点　都有可能出现，只是在不同位置出现的概率不同。粒子在空间出现的概率遵从􀃊􀁉􀁚　波动规律　，这种波就称为概率波不确定关系如果以Δｘ表示粒子位置的不确定量，以Δｐ表示粒子在ｘ方向上的动量的不确定量，那么ΔｘΔｐ≥ｈ４π，式中ｈ为普朗克常量备注（１）宏观物体观察不到其波动性的原因是其􀃊􀁉􀁛　波长太短　，波动性太弱（２）物质波是概率波（３）光波也是概率波（４）对于光，先有波动理论（ν和λ），其后在量子理论中引入了光子的能量Ｅ和动量ｐ来补充它的粒子性。对于实物粒子，则先有粒子概念（Ｅ和ｐ），再引用德布罗意波的概念来补充它的波动性　　一、光电效应的理解１．理解光电效应的两条主线（１）光的频率ν：光子ν高→Ｅ大→光电子最大初动能Ｅｋ大。（２）光的强度：在能产生光电效应的情况下，光的频率一定时，光的强度大→光子数目多→产生光电子多→光电流大。２．光电效应的两个图像（１）光电子的最大初动能随入射光频率变化而变化的图像如图所示。依据１２ｍｖ２ｍａｘ＝ｈν－ｈν０可知：当Ｅｋ＝１２ｍｖ２ｍａｘ＝０时，ν＝ν０，即图线在横轴上的截距在数值上等于金属的极限频率。斜率ｋ＝ｈ———普朗克常量。图线在纵轴上的截距在数值上等于金属的逸出功：Ｗ０＝ｈν０。（２）光电流随外电压变化而变化的规律如图所示，纵轴表示光电流，横轴表示阴、阳两极处所加外电压。当Ｕ＝Ｕｃ时，光电流恰好为零，此时能求出光电子的最大初􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋１４６　　５年高考３年模拟Ｂ版（教师用书）动能，即Ｅｋ＝ｅＵｃ，此电压称为遏止电压。当Ｕ＝Ｕ０时，光电流恰达到饱和光电流，此时所有光电子都参与了导电，电流最大为Ｉｍａｘ。二、康普顿效应概念当Ｘ射线入射到物质上被散射后，在散射波中，除有与入射波的波长相同的射线外，还有波长比入射波的波长更长的射线。人们把这种波长变化的现象叫作康普顿效应解释在康普顿效应中，入射光的光子与物质中的自由电子发生弹性碰撞，碰撞中满足动量守恒与能量守恒，光子的一部分能量传递给电子，从而引起被散射光子的能量减小，频率减小，波长变长意义（１）证明了爱因斯坦光子说的正确性（２）揭示了光子不仅具有能量，还具有动量（３）揭示了光具有粒子性的一面（４）证实了在微观粒子的单个碰撞事件中动量守恒定律和能量守恒定律仍然成立　　说明　光子的动量由动量的定义有ｐ＝ｍｃ，结合光子能量Ｅ＝ｈν、爱因斯坦的质能方程Ｅ＝ｍｃ２及ｃ＝λν可得ｐ＝ｈλ。　　爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得１９２１年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ｅｋｍ与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν０为极限频率。从图中可以确定下列说法正确的是（　　）Ａ．逸出功与ν有关Ｂ．Ｅｋｍ与入射光强度成正比Ｃ．当ν＜ν０时，会逸出光电子Ｄ．图中直线的斜率与普朗克常量有关解析　由光电效应方程Ｅｋｍ＝ｈν－Ｗ与ｙ＝ｋｘ＋ｂ相对应并结合Ｗ＝ｈν０可知只有Ｄ项正确。答案　Ｄ１．（多选）对光电效应的解释正确的是（　　）Ａ．金属钠的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属Ｂ．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应Ｃ．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大Ｄ．由于不同金属的逸出功是不相同的，因此使不同金属产生光电效应入射光的最低频率也不同１．答案　ＢＤ　按照爱因斯坦的光子说，光子的能量是由光的频率决定的，与光强无关，入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大。但要使电子离开金属需使电子具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量，但电子只能吸收一个光子，不能吸收多个光子，否则即使光的频率低，只要照射时间足够长，也会发生光电效应。电子从金属逸出时只有从金属表面直接向外逸出的电子克服原子核的引力所做的功最小。２．（２０１７浙江名校协作体，１６）（多选）用同一光电管研究ａ、ｂ两种单色光产生的光电效应，得到光电流Ｉ与光电管两极间所加电压Ｕ的关系如图。则这两种光（　　）Ａ．照射该光电管时ａ光使其逸出的光电子最大初动能大Ｂ．从同种玻璃射入空气发生全反射时，ａ光的临界角大Ｃ．通过同一装置发生双缝干涉，ａ光的相邻条纹间距大Ｄ．通过同一玻璃三棱镜时，ａ光的偏折程度大２．答案　ＢＣ　由图可知ｂ光照射时对应遏止电压Ｕｃ２大于ａ光照射时的遏止电压Ｕｃ１。因ｑＵ＝１２ｍｖ２，而ｈν＝Ｗ＋１２ｍｖ２，所以ｂ光照射时光电子最大初动能大，且可得νｂ＞νａ，λｂ＜λａ，故Ａ、Ｄ错，Ｃ对。ｂ光折射率大于ａ光折射率，所以ａ光临界角大，Ｂ对。􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋