1、第十二章 近代物理 -2- 考点及要求 命题视角 复习指要 氢原子光谱 氢原子的能级结构、能级公式 原子核的组成、放射性、原子核 的衰变、半衰期 放射性同位素 核力、核反应方程 结合能、质量亏损 裂变反应和聚变反应、裂变反应 堆 射线的危害与防护 光电效应 爱因斯坦光电效应方程 近代物理 部分中的 爱因斯坦 光电效应 方程、原 子结构、 能级及核 反应方程 是考查的 重点。 复习过程中加 强对 粒子散 射实验的理解, 深刻理解氢原 子的能级结构 及光电效应方 程;加强对核反 应方程特别是 衰变的理解;强 化对核能、质 能方程的记 忆。 第1节 光电效应 波粒 二象性 -4- 知识梳理 考点自诊
2、 一、光电效应 1.定义:在光的照射下从物体发射出 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 大于或等于 极限频率。 3.光电效应规律 (1)存在着饱和电流:对于一定颜色的光,入射光强度越大,单位时 间内发射出的光电子数 越多 。 (2)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。 (3)光电效应具有瞬时性:当频率超过截止频率时,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10-9 s。 -5- 知识梳理 考点自诊 二、光子说及光电效应方程 1.光子说
3、 空间传播的光是一份一份的,每一份叫一个光子,一个光子的能 量为E=h,其中h=6.6310-34 J s(称为普朗克常量)。 2.光电效应方程 (1)表达式:光电子的最大初动能Ek与入射光光子的能量h和逸出 功W0之间的关系:Ek= h-W0 。其中逸出功是指使某种金属原子 中的电子脱离金属所做功的 最小值 。 (2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能 量一部分用于克服金属的 逸出功 ,剩下的表现为逸出电子的 初 动能 。 -6- 知识梳理 考点自诊 三、光的波粒二象性与物质波 1.光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 波动 性。 (2)光电效应说明光
4、具有 粒子 性。 (3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的 波粒二象 性。 2.物质波 (1)概率波:光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现, 亮条纹是光子到达概率 大 的地方,暗条纹是光子到达概率 小 的地方,因此光波又叫概率波。 (2)物质波:任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体 都有一种波与它对应,其波长= ,p为运动物体的动量,h为普 朗克常量。 -7- 知识梳理 考点自诊 1.(2017 黑龙江哈尔滨期中)用一束紫外线照射某金属时不能产生 光电效应,可能使该金属产生光电效应的措施是 ( ) A.改用红光照射 B.改用X射线照射 C.改用强度更大的原紫外线照射 D
5、.延长原紫外线的照射时间 答案 解析 解析 关闭 根据光电效应的产生条件0,要产生光电效应,必须用频率更高的光。 能否发生光电效应与光的强度和照射时间无关,X射线的频率大于紫外线 的频率。故A、C、D错误,B正确。 答案 解析 关闭 B -8- 知识梳理 考点自诊 2.(多选)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,已知紫光频率大 于锌的极限频率,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是( ) A.有光子从锌板逸出 B.有电子从锌板逸出 C.验电器两箔片张开一个角度 D.锌板带负电 答案 解析 解析 关闭 用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的,锌板上的电子吸收紫外线的能 量从锌板表面逸出,称之为光电子
6、,故A错误,B正确;锌板与验电器相连,使 验电器带有相同电性的电荷,验电器的指针就会张开一个角度,锌板失去 电子应该带正电,且锌板失去电子越多,带正电的电荷量越多,验电器两箔 片张角越大,故C正确,D错误。 答案 解析 关闭 BC -9- 知识梳理 考点自诊 3.关于光电效应的规律,下列说法正确的是( ) A.只有入射光的波长大于该金属的极限波长,光电效应才能产生 B.光电子的最大初动能跟入射光强度成正比 C.发生光电效应的反应时间一般都大于10-7 s D.发生光电效应时,单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射 光强度成正比 答案 解析 解析 关闭 由 =h=h 知,当入射光波长小于金属的
7、极限波长时,发生光电效应, 故 A错误;由 Ek=h-W0知,最大初动能由入射光频率决定,与入射光 强度无关,故 B错误;发生光电效应的时间一般不超过 10-9 s,故 C 错 误;发生光电效应时,单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射 光的强度是成正比的,D 正确。 答案 解析 关闭 D -10- 知识梳理 考点自诊 4.请判断下列说法是否正确。 (1)只要光照射的时间足够长,任何金属都能发生光电效应。( ) (2)光电子就是光子。( ) (3)极限频率越大的金属材料逸出功越大。( ) (4)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功 越小。( ) (5)入射光的频率越大,逸
8、出功越大。( ) 答案 答案 关闭 (1) (2) (3) (4) (5) -11- 命题点一 命题点二 命题点三 对光电效应的理解对光电效应的理解 与光电效应有关的概念对比 1.光子与光电子:光子不带电;光电子是光电效应时发射出来的电 子,其本质是电子。 2.光电子的初动能与光电子的最大初动能:光电子的初动能小于 等于光电子的最大初动能。 3.光电流和饱和光电流: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:入射光强度是指单位时间内照射到
9、单 位面积上的总能量,与光子的能量和单位时间内光子的数目有关。 -12- 命题点一 命题点二 命题点三 5.光的强度与饱和光电流:频率相同的光照射金属产生光电效应, 入射光越强,饱和光电流越大。 -13- 命题点一 命题点二 命题点三 例1(多选)(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.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大 D.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 E.遏止电压的大小与入射
10、光的频率有关,与入射光的光强无关 答案 解析 解析 关闭 根据光电效应的实验规律可知,选项 A、C 正确,选项 B、D 错误;根 据 Uc= 可知,遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的强 度无关,选项 E 正确。 答案 解析 关闭 ACE -14- 命题点一 命题点二 命题点三 思维点拨本题主要考查光电效应。发生光电效应的条件是入射 光的频率大于金属的极限频率,光的强弱只影响单位时间内发出光 电子的数目;本题涉及的光电效应知识较多,很多结论都是识记的, 注意把握现象的实质,明确其间的联系与区别;平时积累物理知识。 -15- 命题点一 命题点二 命题点三 光电效应的研究思路 (1)两条线
11、索: (2)两条对应关系: 光强大光子数目多发射光电子多光电流大光子频率高光 子能量大光电子的最大初动能大 -16- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 1.(多选)(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Uab,则一定有EkaEkb C.若UaUb,则一定有Ekab,则一定有ha-Ekahb-Ekb 答案 解析 解析 关闭 根据光电效应方程Ek=h-W和光电子的最大初动能与遏止电压的关系- e
12、U=0-Ek,得eU=h-W,A错,B、C正确;若ab,则一定有ha-Eka=hb- Ekb=W,D错。 答案 解析 关闭 BC -17- 命题点一 命题点二 命题点三 2.(多选)(2017 四川成都一诊)下图所示为光电管的工作电路图,分 别用波长为0、1、2的单色光做实验,已知102。当开关闭合 后,用波长为0的单色光照射光电管的阴极K时,电流表有示数。则 下列说法正确的是 ( ) A.光电管阴极材料的逸出功与入射光无关 B.若用波长为1的单色光进行实验,则电流表的示数一定为零 C.若仅增大电源的电动势,则电流表的示数一定增大 D.若仅将电源的正负极对调,则电流表的示数可能为零 答案 解析
13、 解析 关闭 光电管阴极材料的逸出功只与材料有关,而与入射光的频率、入射光的强 度无关,A正确;用波长为0的光照射阴极K时,电路中有光电流,可知波长为 0的光照射阴极K时,发生了光电效应;若用波长为1(10)的光照射阴极 K时,虽然入射光的频率变小,但仍可能大于阴极的极限频率,仍可能发生 光电效应,因此电流表的示数可能不为零,B错误;仅增大电路中电源的电 动势,光电管两端电压增大,当达到饱和电流后,电流表的示数不再增大,C 错误;将电路中电源的正负极对调,光电子做减速运动,若电子不能到达阳 极,则此时电流表的示数为零,D正确。 答案 解析 关闭 AD -18- 命题点一 命题点二 命题点三 光
14、电效应四类图象问题光电效应四类图象问题 四类图象 图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 最大初动能 Ek与入射光 频率 的关 系图线 极限频率:图线与 轴交点的 横坐标 c 逸出功:图线与 Ek轴交点的纵 坐标的值 W0=|-E|=E 普朗克常量:图线的斜率 k=h 颜色相同、 强度不同的 光,光电流与 电压的关系 遏止电压 Uc:图线与横轴的交 点 饱和光电流 Im:电流的最大值 最大初动能:Ekm=eUc -19- 命题点一 命题点二 命题点三 图象名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量 颜色不同时, 光电流与电 压的关系 遏止电压 Uc1、Uc2 饱和光电流 最大初
15、动能 Ek1=eUc1,Ek2=eUc2 遏止电压 Uc 与入射光频 率 的关系 图线 截止频率 c:图线与横轴的交 点 遏止电压 Uc:随入射光频率的 增大而增大 普朗克常量 h:等于图线的斜 率与电子电荷量的乘积,即 h=ke(注:此时两极之间接反向电 压) -20- 命题点一 命题点二 命题点三 例2(多选)(2017 山西运城模拟)美国物理学家密立根利用图示的 电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率的关系,描绘出图乙中 的图象,由此算出普朗克常量h,电子电荷量用e表示,下列说法正确 的是( ) A.入射光的频率增大,测遏制电压时,应使滑动变阻器的滑片P向 M端移动 B.增大入射光的强度
16、,光电子的最大初动能也增大 C.由Uc-图象可知,这种金属截止频率为c D.由 Uc- 图象可求普朗克常量表达式为 h= 1 1- 答案 解析 解析 关闭 入射光的频率增大,光电子的最大初动能增大,遏止电压增大,根据光 电效应方程得出 Uc- 的关系式,通过关系式得出斜率、截距表示的 含义。 入射光的频率增大,光电子的最大初动能增大,则遏止电压增大,测遏 止电压时,应使滑动变阻器的滑片 P 向 N 端移动,故 A 错误。 根据光电效应方程 Ekm=h-W0知,光电子的最大初动能与入射光的 强度无关,故 B错误。 根据 Ekm=h-W0=eUc,解得 Uc= c ,图线的斜率 k= = 1 1-
17、c ,则 h= 1e 1-c,当遏止电压为零时,=c,故 C、D 正确。 答案 解析 关闭 CD -21- 命题点一 命题点二 命题点三 定量分析时应抓住三个关系式 (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)逸出功与极限频率的关系:W0=h0。 -22- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 3.(2017 甘肃兰州模拟)在光电效应实验中,某同学用同一光电管在 不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙 光、丙光),如图所示。则可判断出( ) A.甲光的频率大于乙光的频率 B.乙光的波长大于丙光的波长 C.乙
18、光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 答案 解析 解析 关闭 由图象知,甲、乙光对应的遏止电压相等,由eUc=Ek和h=W0+Ek得甲、乙 光的频率相等,A错误;丙光的频率大于乙光的频率,则丙光的波长小于乙 光的波长,B正确;金属发生光电效应的截止频率只与金属本身有关,所以C 错误;由光电效应方程知,甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的 光电子最大初动能,D错误。 答案 解析 关闭 B -23- 命题点一 命题点二 命题点三 4.(多选)下图是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随 入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.
19、27,与纵轴交点坐 标0.5)。已知普朗克常量为6.6310-34 J s,则由图可知( ) A.该金属的截止频率为4.271014 Hz B.该金属的截止频率为5.51014 Hz C.该图线的斜率表示普朗克常量 D.该金属的逸出功为0.5 eV 答案 解析 解析 关闭 图线在横轴上的截距为截止频率,A正确,B错误;由光电效应方程Ek=h-W0, 可知图线的斜率为普朗克常量,C正确;金属的逸出功为W0=h0=6.6310- 344.271014 J=2.8310-19 J=1.77 eV,D错误。 答案 解析 关闭 AC -24- 命题点一 命题点二 命题点三 对波粒二象性的理解对波粒二象性
20、的理解 项目 实验基础 表 现 说 明 光的 波动 性 干涉 和衍射 光是一种概率波,即光 子在空间各点出现的可 能性大小(概率)可用波 动规律来描述 大量的光子在传播时, 表现出波的性质 光的波动性是光 子本身的一种属性, 不是光子之间相互 作用产生的 光的波动性不同 于宏观观念的波 光的 粒子 性 光电效 应、康普 顿效应 当光与物质发生作用 时,这种作用是“一份一 份”进行的,表现出粒子 的性质 少量或个别光子清楚 地显示出光的粒子性 粒子的含义是“不 连续”“一份一份”的 光子不同于宏观 观念的粒子 -25- 命题点一 命题点二 命题点三 项目 实验基础 表 现 说 明 波动性 和粒子
21、 性的对 立、统一 大量光子易显示出波动性,而 少量光子易显示出粒子性 波长长(频率低)的光波动性强, 而波长短(频率高)的光粒子性强 光子说并未否定 波动说,E=h=hc 中,和 就是波的 概念 波和粒子在宏观 世界是不能统一的, 而在微观世界却是 统一的 -26- 命题点一 命题点二 命题点三 例3(2017 浙江台州模拟)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
22、实物粒子具有波动性 答案 解析 解析 关闭 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。本题选错误的, 故选C。 答案 解析 关闭 C -27- 命题点一 命题点二 命题点三 光的波粒二象性的规律 1.从数量上看: 个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往 表现为波动性。 2.从频率上看: 频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越 高粒子性越显著,贯穿本领越强,越不容易看到光的干涉和衍射现 象。 3.从传播与作用
23、上看: 光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现 为粒子性。 -28- 命题点一 命题点二 命题点三 4.波动性与粒子性的统一: 由光子的能量E=h、光子的动量表达式p= 也可以看出,光的波 动性和粒子性并不矛盾:表示粒子性的能量和动量的计算式中都含 有表示波的特征的物理量频率和波长。 h -29- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 5.(多选)图甲为实验小组利用100多个电子通过双缝后的干涉图样, 可以看出每一个电子都是一个点;如图乙为该 小组利用70 000多个电子通过双缝后的干涉图样,为明暗相间的条 纹。则对本实验的理解正确的是( ) A.图甲体现了电子的
24、粒子性 B.图乙体现了电子的粒子性 C.单个电子运动轨道是确定的 D.图乙中明条纹是电子到达概率大的地方 答案 解析 解析 关闭 题图甲中的每一个电子都是一个点,说明少数粒子体现粒子性,到达的位 置不同,说明单个电子的运动轨道不确定,A正确,C错误;题图乙中明暗相 间的条纹说明大量的粒子表现为波动性,B错误;明条纹是电子到达概率大 的地方,D正确。 答案 解析 关闭 AD -30- 命题点一 命题点二 命题点三 6.(2017 北京平谷模拟)2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发 射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星 “墨子号”发射升空。在量子世界中,一个物体可以
25、同时处在多个位 置,一只猫可以处在“死”和“活”的叠加状态上;所有物体都具有“波 粒二象性”,既是粒子也是波;两个处于“纠缠态”的粒子,即使相距遥 远也具有“心电感应”,一个发生变化,另一个会瞬时发生相应改变。 正是由于量子具有这些不同于宏观物理世界的奇妙特性,才构成了 量子通信安全的基石。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、 不可克隆和测不准的特性,所以一旦存在窃听就必然会被发送者察 觉并规避。通过阅读以上材料可知( ) -31- 命题点一 命题点二 命题点三 A.电磁波是量子化的 B.量子不具有波粒二象性 C.可以准确测定量子的位置 D.量子相互独立互不干扰 答案 解析 解析 关闭 电磁
26、波是一份份的能量,所以电磁波是量子化的,同时也具有波粒二象性, 故A正确,B错误;微观的粒子与光子都具有波粒二象性,不能准确测定量子 的位置,故C错误;由题可知,两个处于“纠缠态”的粒子,即使相距遥远也具 有“心电感应”,一个发生变化,另一个会瞬时发生相应改变,故D错误。故 选A。 答案 解析 关闭 A -32- 命题点一 命题点二 命题点三 7.(2017 江苏卷)质子 被加速到相同动能时,质 子的动量 (选填“大于”“小于”或“等于”)粒子的动量,质子 和粒子的德布罗意波波长之比为 。 (1 1H)和 粒子( 2 4He) 答案 解析 解析 关闭 由 p= 2k,故在 Ek相等时,1 2 = 1 2 = 1 2,故质子动量小于 粒子 的动量。由 p= ,故 = ,所以 1 2 = 2 1 = 2 1。 答案 解析 关闭 小于 21
