考情分析光電效應2022·河北卷·T42021·海南卷·T32021·江蘇卷·T82019·天津卷·T52018·全國卷Ⅱ·T17能級躍遷、光子的動量2022·廣東卷·T52022·浙江6月選考·T72022·北京卷·T12022·重慶卷·T62020·江蘇卷·T12(2)2019·全國卷Ⅰ·T14原子核式結構實驗、物質波2022·浙江1月選考·T162020·天津卷·T12020·江蘇卷·T12(2)原子核的衰變、半衰期2022·全國甲卷·T172022·山東卷·T12022·浙江6月選考·T142021·全國甲卷·T172021·全國乙卷·T172021·山東卷·T12021·廣東卷·T12021·湖南卷·T12021·河北卷·T12021·福建卷·T92021·重慶卷·T22020·全國卷Ⅲ·T19核反應、核能2022·浙江1月選考·T142022·湖北卷·T12022·遼寧卷·T22021·浙江6月選考·T142021·北京卷·T12021·海南卷·T52021·江蘇卷·T12020·全國卷Ⅰ·T192020·全國卷Ⅱ·T182020·浙江7月選考·T142019·全國卷Ⅱ·T15試題情境生活實踐類醫用放射性核素、霓虹燈、氖管、光譜儀、原子鐘、威耳遜云室、射線測厚儀、原子彈、反應堆與核電站、太陽、氫彈、環流器裝置等學習探究類光電效應現象、光的波粒二象性、原子的核式結構模型、氫原子光譜、原子的能級結構、射線的危害與防護、原子核的結合能、核裂變反應和核聚變反應等第1講光電效應波粒二象性目標要求1.知道什么是光電效應，理解光電效應的實驗規律，會利用光電效應方程計算逸出功、截止頻率、最大初動能等物理量.2.了解實物粒子的波動性，知道物質波的概念．考點一光電效應能量子假說1．能量子假說(1)定義：普朗克認為，當帶電微粒輻射或吸收能量時，只能輻射或吸收某個最小能量值ε的整數倍，這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子．(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，h稱為普朗克常量．一般取h＝×10－34J·s.2．光電效應及其規律(1)光電效應現象照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個現象稱為光電效應，這種電子常稱為光電子．(2)光電效應的產生條件入射光的頻率大于或等于金屬的截止頻率．(3)光電效應規律①每種金屬都有一個截止頻率νc，入射光的頻率必須大于或等于這個截止頻率才能產生光電效應．②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大．③光電效應的發生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9s.④當入射光的頻率大于或等于截止頻率時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，逸出的光電子數越多，逸出光電子的數目與入射光的強度成正比，飽和電流的大小與入射光的強度成正比．3．愛因斯坦光電效應方程(1)光電效應方程①表達式：hν＝Ek＋W0或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，剩下的表現為逸出后電子的最大初動能．(2)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝heq\f(c,λc).(3)最大初動能：發生光電效應時，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．1．光子和光電子都不是實物粒子．(×)2．只要入射光的強度足夠大，就可以使金屬發生光電效應．(×)3．要使某金屬發生光電效應，入射光子的能量必須大于或等于該金屬的逸出功．(√)4．光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比．(×)光電效應的分析思路例1(2022·全國乙卷·17)一點光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10－7m的光，在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個．普朗克常量為h＝×10－34J·s.R約為()A．1×102m B．3×102mC．6×102m D．9×102m答案B解析一個光子的能量為E＝hν，ν為光的頻率，光的波長與頻率的關系為c＝λν，光源每秒發出的光子的個數為n＝eq\f(P,hν)＝eq\f(Pλ,hc)，P為光源的功率，光子以球面波的形式傳播，那么以光源為原點的球面上的光子數相同，此時距光源的距離為R處，每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個，那么此處的球面的表面積為S＝4πR2，則eq\f(n,S)＝3×1014，聯立以上各式解得R≈3×102m，故選B.例2光電效應實驗中，下列表述正確的是()A．光照時間越長，光電子最大初動能越大B．入射光足夠強就可以有光電流導出C．遏止電壓與入射光的強度有關D．入射光頻率小于截止頻率時，不論光照時間多長，都不能發生光電效應答案D解析光電子的最大初動能與光照時間無關，與入射光的頻率有關，故A錯誤；發生光電效應的條件是入射光頻率大于或等于截止頻率，入射光強，不一定能發生光電效應，故B錯誤；根據光電效應方程Ek＝eUc＝hν－W0知遏止電壓與入射光的頻率有關，與強度無關，故C錯誤；當入射光頻率小于截止頻率時，不論光照時間多長，都不能發生光電效應，故D正確．例3(2023·廣東深圳市模擬)用如圖所示的裝置研究光電效應現象，當用光子能量為eV的光照射到光電管上時，電流表G的讀數為mA，移動變阻器的滑片C，當電壓表的示數大于或等于V時，電流表讀數為0，則()A．光電管陰極的逸出功為eVB．開關S斷開后，沒有電流流過電流表GC．光電子的最大初動能為eVD．改用能量為eV的光子照射，有電流流過電流表G，但電流較小答案A解析由題圖可知，光電管兩端所加的電壓為反向電壓，由電壓表的示數大于或等于V時，電流表示數為0，可知光電子的最大初動能為eV，根據光電效應方程hν＝Ek＋W0，可得W0＝eV，A正確，C錯誤；開關S斷開后，用光子能量為eV的光照射到光電管上發生了光電效應，有光電子逸出，則有電流流過電流表G，B錯誤；改用能量為eV的光子照射，由于光子的能量小于逸出功，不能發生光電效應，無電流流過電流表G，D錯誤．考點二光電效應中常見的四類圖像圖像名稱圖線形狀獲取信息最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系①截止頻率νc：圖線與ν軸交點的橫坐標②逸出功W0：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量h：圖線的斜率k＝h遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點的橫坐標②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke(注：此時兩極之間接反向電壓)顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點的橫坐標②飽和電流：電流的最大值③最大初動能：Ek＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2例4(2023·廣東廣州市鐵一中學月考)在研究光電效應規律的試驗中，用三束光分別照射同一光電管得到三條光電流和電壓的關系圖線如圖所示，則下列說法正確的是()A．光電子的最大初動能Ek甲＝Ek丙<Ek乙B．光電子的最大初動能Ek甲＝Ek丙>Ek乙C．三種光的頻率關系是ν甲>ν乙>ν丙D．三種光的頻率關系是ν甲＝ν乙>ν丙答案A解析因為Ek＝hν－W0＝eUc，由題圖可知，甲、丙光對應的遏止電壓相等且小于乙光對應的遏止電壓，故光電子的最大初動能Ek甲＝Ek丙<Ek乙，A正確，B錯誤；因為是同一光電管，且有hν＝eUc＋W0，由題圖可知，甲、丙光對應的遏止電壓相等且小于乙光對應的遏止電壓，故ν甲＝ν丙>ν乙，C、D錯誤．例5(多選)(2023·廣東珠海市第二中學模擬)在研究甲、乙兩種金屬光電效應現象的實驗中，光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系如圖所示，則()A．兩條圖線與橫軸的夾角α和β可能不相等B．若增大入射光頻率ν，則所需的遏止電壓Uc隨之增大C．若某一頻率的光可以使乙金屬發生光電效應，則一定也能使甲金屬發生光電效應D．若增大入射光的強度，不改變入射光頻率ν，則光電子的最大初動能將增大答案BC解析根據愛因斯坦光電效應方程hν＝Ek＋W0，可知光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像的斜率為普朗克常量h，所以兩條圖線的斜率一定相等，α和β一定相等，A錯誤；由Ek＝hν－W0，可知，若增大入射光的頻率ν，則產生的光電子的最大初動能增大．由eUc＝Ek，可知所需的遏止電壓Uc將增大，B正確；光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像與橫軸的截距等于金屬的逸出功W0，由題圖可知甲金屬的逸出功較小，因此某一頻率的光可以使乙金屬發生光電效應，則一定能使甲金屬發生光電效應，C正確；根據光電效考點三光的波粒二象性與物質波1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現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．物質波(1)概率波：光的干涉現象是大量光子的運動遵守波動規律的表現，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＝eq\f(h,p)，p為運動物體的動量，h為普朗克常量．1．光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性．(√)2．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為波動性．(√)例6(多選)(2022·浙江1月選考·16)電子雙縫干涉實驗是近代證實物質波存在的實驗．如圖所示，電子槍持續發射的電子動量為×10－23kg·m/s，然后讓它們通過雙縫打到屏上．已知電子質量取×10－31kg，普朗克常量取×10－34J·s，下列說法正確的是()A．發射電子的動能約為×10－15JB．發射電子的物質波波長約為×10－11mC．只有成對電子分別同時通過雙縫才能發生干涉D．如果電子是一個一個發射的，仍能得到干涉圖樣答案BD解析根據動量的大小與動能的關系可知發射電子的動能約為Ek＝eq\f(p2,2m)＝eq\f(×10－232,2××10－31)J≈×10－17J，故A錯誤；發射電子的物質波波長約為λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(×10－34,×10－23)m＝×10－11m，故B正確；物質波也具有波粒二象性，故電子的波動性是每個電子本身的性質，則每個電子依次通過雙縫都能發生干涉現象，只是需要大量電子顯示出干涉圖樣，故C錯誤，D正確．例7(2023·上海市師大附中高三月考)用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加，在屏上先后出現如圖(a)、(b)、(c)所示的圖像，則()A．圖像(a)表明光具有波動性B．圖像(c)表明光具有粒子性C．用紫外線觀察不到類似的圖像D．實驗表明光是一種概率波答案D解析題圖(a)只有分散的亮點，表明光具有粒子性；題圖(c)呈現干涉條紋，表明光具有波動性，A、B錯誤；紫外線也具有波粒二象性，也可以觀察到類似的圖像，C錯誤；實驗表明光是一種概率波，D正確．課時精練1．關于光電效應，下列說法正確的是()A．截止頻率越大的金屬材料逸出功越大B．只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能發生光電效應C．從金屬表面逸出的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小D．入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內逸出的光電子數就越多答案A解析逸出功W0＝hνc，W0∝νc，A正確；只有照射光的頻率大于或等于金屬截止頻率，才能發生光電效應，與光照的時間無關，B錯誤；由光電效應方程Ek＝hν－W0知，入射光頻率ν不確定時，無法確定Ek與W0的關系，C錯誤；發生光電效應的前提下，入射光的光強一定時，頻率越高，光子數越少，單位時間內逸出的光電子數越少，D錯誤．2．(多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有()A．光電效應現象揭示了光的粒子性B．熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性C．黑體輻射的實驗規律可用光的波動性解釋D．動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波的波長也相等答案AB3．(2022·江蘇卷·4)上海光源通過電子－光子散射使光子能量增加，光子能量增加后()A．頻率減小 B．波長減小C．動量減小 D．速度減小答案B解析根據ε＝hν可知光子的能量增加后，光子的頻率增加，又根據λ＝eq\f(c,ν)，可知光子波長減小，故A錯誤，B正確；根據p＝eq\f(h,λ)，可知光子的動量增加，又因為光子質量不變，根據p＝mv可知光子速度增加，故C、D錯誤．4.(2023·廣東廣州市模擬)如圖，電路中所有元件完好．當光照射光電管時，靈敏電流計指針沒有偏轉，其原因是()A．電源的電壓太大 B．光照的時間太短C．入射光的強度太強 D．入射光的頻率太低答案D解析由題圖知，電源提供的電壓為正向電壓，只要能發生光電效應電路中就有電流，A錯誤；光電效應的發生是瞬間的，與入射光的照射時間無關，B錯誤；靈敏電流計指針未發生偏轉，可能是未發生光電效應現象，即入射光的頻率小于金屬的截止頻率，與光照強度無關，C錯誤，D正確．5．(多選)在光電效應實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub，光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb，h為普朗克常量．下列說法正確的是()A．若νa＞νb，則一定有Ua＜UbB．若νa＞νb，則一定有Eka＞EkbC．若Ua＜Ub，則一定有Eka＜EkbD．若νa＞νb，則一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb答案BC解析由愛因斯坦光電效應方程得Ek＝hν－W0，由動能定理得Ek＝eU，用a、b單色光照射同種金屬時，逸出功W0相同．當νa＞νb時，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故選項A錯誤，B正確；若Ua＜Ub，則一定有Eka＜Ekb，故選項C正確；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故選項D錯誤．6.(2023·廣東珠海市第一中學適應性考試)用圖示裝置研究光電效應現象，當滑動頭P從N移到M的過程中，光電流始終為零．為了產生光電流，可采取的措施是()A．增大入射光的強度B．增大入射光的頻率C．把P向N移動D．將電源正負極反接答案B解析由題圖可知，當滑動頭P從N移到M的過程中，光電流始終為零，說明沒有發生光電效應現象．能否發生光電效應與入射光的強度無關，所以增大入射光的強度，仍不能產生光電流，故A錯誤；增大入射光的頻率，當入射光的頻率大于金屬的極限頻率時，就會發生光電效應現象，金屬中有光電子逸出，電路中能產生光電流，故B正確；把P向N移動或將電源正負極反接均不能使金屬發生光電效應現象，電路中均不能產生光電流，故C、D錯誤．7.(2023·廣東汕頭市模擬)用如圖所示的光電管研究光電效應的實驗中，用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發生偏轉，而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發生偏轉，那么()A．a光的波長一定大于b光的波長B．用不同的光照射光電管，光電管金屬板的逸出功不同C．若入射光頻率大于a光頻率，則一定能發生光電效應D．增加b光的強度可能使電流計G的指針發生偏轉答案C解析用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發生偏轉，可知a光照射發生光電效應，用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發生偏轉，可知b光照射不發生光電效應，結合光電效應發生的條件可知，a光的頻率大于b光的頻率，則a光的波長小于b光的波長，A錯誤；金屬板的逸出功是由金屬板本身決定的，用不同的光照射光電管，光電管金屬板的逸出功不變，B錯誤；a光照射發生光電效應，根據光電效應發生的條件，若入射光頻率大于a光頻率，則一定能發生光電效應，C正確；b光照射不發生光電效應，結合光電效應發生的條件可知，增加b光的強度仍然不能發生光電效應，則不能使電流計G的指針發生偏轉，D錯誤．8．(多選)如圖所示，甲、乙、丙、丁是關于光電效應的四個圖像(電子電荷量為e)，以下說法正確的是()A．由圖甲可求得普朗克常量h＝eq\f(be,a)B．由圖乙可知虛線對應金屬的逸出功比實線對應金屬的逸出功小C．由圖丙可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大D．由圖丁可知電壓越高，則光電流越大答案BC解析根據光電效應方程，結合動能定理可知eUc＝Ek＝hν－W0＝hν－hνc，變式可得Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(h,e)νc，斜率k＝eq\f(b,2a)＝eq\f(h,e)，解得普朗克常量為h＝eq\f(be,2a)，故A錯誤；根據愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0可知，題圖乙中縱軸截距的絕對值表示逸出功，則實線對應金屬的逸出功比虛線對應金屬的逸出功大，故B正確；入射光頻率一定，飽和電流由入射光的強度決定，即光的顏色不變的情況下，入射光越強，光子數越多，飽和電流越大，故C正確；分析題圖丁可知，當達到飽和電流以后，增加光電管兩端的電壓，光電流不變，故D錯誤．9．用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現象，實驗裝置示意圖如圖甲所示，實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關系如圖乙所示，圖線與橫軸交點的橫坐標為×1014Hz.已知普朗克常量h＝×10－34J·s.則下列說法中正確的是()A．欲測遏止電壓，應選擇電源左端為正極B．當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，電流表的示數持續增大C．增大照射光的強度，產生的光電子的最大初動能一定增大D．如果實驗中入射光的頻率ν＝×1014Hz，則產生的光電子的最大初動能約為×10－19J答案D解析遏止電壓產生的電場對電子起阻礙作用，則電源的右端為正極，故A錯誤；當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，加速電場增強，電流增加到一定值后不再增加，故B錯誤；由Ek＝hν－W0可知，最大初動能與光的強度無關，故C錯誤；Ek＝hν－W0＝hν－hνc，νc＝×1014Hz，代入數值求得Ek≈×10－19J，故D正確．10.如圖所示，分別用波長為λ、2λ的光照射光電管的陰極K，對應的遏止電壓之比為3∶1，則光電管的截止頻率對應的光的波長是()A．2λ B．3λC．4λ D．6λ答案C解析根據eUc＝eq\f(1,2)mvm2＝eq\f(hc,λ)－eq\f(hc,λ