2010届高考物理光的波粒二象性

nullnull 第一单元 光的波粒二象性 null基础整合 1.光电效应 （1）定义：照射到金属面的光，能使金属中的电子从 表面逸出，这种现象称为光电效应. （2）规律：①存在饱和电流.在光照条件不变的情况下，随着所加电压增大，光电流趋于一个饱和值.入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多. ②存在遏止电压和截止频率. a.使光电流减小到零的反向电压U c称为遏止电压. b.当入射光的频率减小到某一数值νc时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了，νc称为截止频率或极限频率. c .光电子的能量只与入射光的频率有关，当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应. ③光电效应具有瞬时性.null2.逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功，用W0表示. 3.爱因斯坦的光电效应方程 （1）光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量，这些能量子被称为光子. （2）光电效应方程：Ek= hν－W0.其中Ek为光电子的 最大初动能， .W0表示金属的逸出功. ①爱因斯坦方程表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν有关，而与光的强弱无关.只有当hν>W0时，才有光电子逸出，νc= 就是光电效应的截止频率. ②电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流自然几乎是瞬时产生的. ③光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大.null 4.康普顿效应 在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大.康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量.实验结果证明这个设想是正确的.因此康普顿效应也证明了光具有粒子性. 5.光的波粒二象性 光的干涉和衍射现象证明了光的波动性的一面.光电效应表明光具有能量，康普顿效应表明光具有动量.此二效应揭示了光的粒子性的一面，由此可知光具有波粒二象性. 6.德布罗意波 德布罗意提出，实物粒子也具有波动性，该波后来被称为德布罗意波，也称为物质波. .null 7.概率波 光波和物质波都是概率波，单个光子或粒子的位置是 不确定的，但在某点附近出现的概率大小可以由波动的规律确定. 8.不确定关系 以Δx表示粒子位置的不确定量，以Δp表示粒子在x方向上动量的不确定量，那么ΔxΔp≥ ，式中h为普朗克常量典例研析 类型一.光电效应现象 【例1】 对爱因斯坦光电效应方程Ek=hν－W0，下面的理解正确的有（ ） A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能Ek B.式中的W0表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C.逸出功W0和极限频率νc之间应满足关系式W0=hνc D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比典例研析 类型一.光电效应现象 【例1】 对爱因斯坦光电效应方程Ek=hν－W0，下面的理解正确的有（ ） A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能Ek B.式中的W0表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C.逸出功W0和极限频率νc之间应满足关系式W0=hνc D.光电子的最大初动能和入射光的频率成正比null 解析：爱因斯坦光电效应方程Ek=hν－W0中的W0表示从金属表面直接逸出的光电子克服金属中正电荷引力做的功，因此是所有逸出的光电子中克服引力做功的最小值.对应的光电子的初动能是所有光电子中最大的.其它光电子的初动能都小于这个值.若入射光的频率恰好是极限频率，即刚好能有光电子逸出，可理解为逸出的光电子的初动能是0，因此有W0=hνc.由Ek=hν－W0可知Ek和ν之 间是一次函数关系，但不是成正比关系. ：C. null 针对训练1－1：如图5－1－1所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零.合上开关，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零.由此可知阴极材料的逸出功为（ ） A.1.9 eV B.0.6 eV C.2.5 eV D.3.1 eVnull 解析：电流表读数刚好为零说明刚好没有光电子能够到达阳极，也就是光电子的最大初动能刚好为0.6 eV. 由Ek=hν－W0可知W0=1.9 eV.选A. 答案：A.类型二.光的波粒二象性 【例2】下列关于光具有波粒二象性的叙述中正确的是（ ） A.光的波动性与机械波，光的粒子性与质点都是等同的 B.大量光子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 C.光有波动性又有粒子性，是互相矛盾的，是不能统一的 D.光的频率越高，波动性越显著类型二.光的波粒二象性 【例2】下列关于光具有波粒二象性的叙述中正确的是（ ） A.光的波动性与机械波，光的粒子性与质点都是等同的 B.大量光子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 C.光有波动性又有粒子性，是互相矛盾的，是不能统一的 D.光的频率越高，波动性越显著 解析：光的波动性与机械波，光的粒子性与质点有本质的区别，A选项错.大量光子显示波动性，个别光子显示粒子性，B选项对.光是把粒子性和波动性有机结合在一起的矛盾统一体，C选项错.光的频率越高，粒子性越显著，D选项错. 答案：B.针对训练2－1：下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ） A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出粒子性针对训练2－1：下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ） A.有的光是波，有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子 C.光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出粒子性 解析：因为所有的光都具有波粒二象性，所以A选项是错的.虽然光子具有粒子性，但是与电子是本质不同的粒子，所以B选项是错的.光波是一种概率波，光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著.少数的光子表现出的是粒子性，大量光子的行为往往显示出波动性，所以C选项正确，D选项错误.本题正确答案为C. 答案：C.类型三.德布罗意波 【例3】某金属晶体中晶格大小为a.电子经加速电场加速，形成电子束，电子束照射该金属晶体时，获得明显的衍射图样.问这个加速电场的电压约为多少?（已知电子的电荷量为e，质量为m）类型三.德布罗意波 【例3】某金属晶体中晶格大小为a.电子经加速电场加速，形成电子束，电子束照射该金属晶体时，获得明显的衍射图样.问这个加速电场的电压约为多少?（已知电子的电荷量为e，质量为m） 解析：根据发生明显衍射的条件可知，当运动电子的德布罗意波波长与晶格大小 差不多时，可以得到明显的衍射现象.设加速电场的电压为U.电子经电场加速后 获得的速度为v.对加速过程由动能定理得： 根据德布罗意物质波理论知，电子的德布罗意波长为：λ= 其中p=mv 发生明显衍射现象时可以认为λ=a 由以上四式联立方程组得：U=. 答案：U=针对训练3－1：用显微镜观看细微结构时，由于受到衍射现象的影响而观察不清，因此观察越细小的结构，就要求波长越短，波动性越弱.在加速电压值相同的情况下，电子显微镜与质子显微镜的分辨本领，下列判定正确的是（ ） A.电子显微镜分辨本领较强 B.质子显微镜分辨本领较强 C.两种显微镜分辨本领相同 D.两种显微镜分辨本领不便比较针对训练3－1：用显微镜观看细微结构时，由于受到衍射现象的影响而观察不清，因此观察越细小的结构，就要求波长越短，波动性越弱.在加速电压值相同的情况下，电子显微镜与质子显微镜的分辨本领，下列判定正确的是（ ） A.电子显微镜分辨本领较强 B.质子显微镜分辨本领较强 C.两种显微镜分辨本领相同 D.两种显微镜分辨本领不便比较null备选例题 【例1】 如图所示，阴极K用极限波长λ0=0.66 μm的金属铯制成.用波长λ=0.50 μm的绿光照射阴极K，调整两个极板间的电压，当A板电压比阴极高出2.5 V时，光电流达到饱和.电流表示数为0.64 μA.求： （1）每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能. （2）如果把照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍.每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极的最大初动能. nullnull【例2】 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长.【例2】 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长.【例3】为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜.下列说法中正确的是（ ） A.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射 B.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射 C.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射 D.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射【例3】为了观察到纳米级的微小结构，需要用到分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜.下列说法中正确的是（ ） A.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此不容易发生明显衍射 B.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此不容易发生明显衍射 C.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短，因此更容易发生明显衍射 D.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长，因此更容易发生明显衍射 解析：为了观察纳米级的微小结构，用光学显微镜是不可能的.因为可见光的波长数量级是 ，远大于纳米，会发生明显的衍射现象，因此不能精确聚焦.如果用很高的电压使电子加速，使它具有很大的动量，其物质波的波长就会很短，衍射的影响就小多了.因此本题应选A. 答案：A.考点演练 达标提升 1.下列实验中，能证实光具有粒子性的是（ A ） A.光电效应实验 B.光的双缝干涉实验 C.光的圆孔衍射实验 D.光的色散实验 考点演练 达标提升 1.下列实验中，能证实光具有粒子性的是（ A ） A.光电效应实验 B.光的双缝干涉实验 C.光的圆孔衍射实验 D.光的色散实验 解析：光电效应实验能证实光具有粒子性，所以A是正确的.光的双缝干涉实验、光的圆孔衍射实验说明了光具有波动性，所以不能选B、C.光的色散实验说明不同色光在同种介质中的折射率不同，不能证实光具有粒子性，本题正确答案为A.2.下列说法中，正确的是（ D ） A.爱因斯坦把物理学带进了量子世界 B.光的波粒二象性推翻了麦克斯韦的电磁理论 C.光波与宏观现象中的连续波相同 D.光波是表示大量光子运动规律的一种概率波 2.下列说法中，正确的是（ D ） A.爱因斯坦把物理学带进了量子世界 B.光的波粒二象性推翻了麦克斯韦的电磁理论 C.光波与宏观现象中的连续波相同 D.光波是表示大量光子运动规律的一种概率波 解析：因为是普朗克首先提出的能量子学说，所以A选项是错的.因为光的波粒二象性中光子的能量E=hν中的频率是光的频率，光的波粒二象性并未完全否认麦克斯韦的电磁理论，所以B选项是错的.光波是概率波，与宏观现象中的连续波不同，所以C选项是错的，D选项是正确的.本题正确答案为D.3.光在真空中的波长为λ，速度为c，普朗克常量为h，现在以入射角α由真空射入水中，折射角为r，则（ D ） A.r＞α B.光在水中的波长为 C.每个光子在水中的能量为 D.每个光子在水中的能量为3.光在真空中的波长为λ，速度为c，普朗克常量为h，现在以入射角α由真空射入水中，折射角为r，则（ D ） A.r＞α B.光在水中的波长为 C.每个光子在水中的能量为 D.每个光子在水中的能量为 解析：因为光是由真空射入水中，所以r＜α，A选项是错的.由折射定律得n= ，光在水中的波长为λ′= = ， B选项是错的.光子的能量E=hν= ，所以C选项是错的，D选项是正确的.本题正确答案为D.null 4.科学研究表明：能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律.从科学实践的角度来看，迄今为止，人们还没有发现这些守恒定律有任何例外.相反，每当在实验中观察到似乎是违反守恒定律的现象时，物理学家们就会提出新的假设来补救，最后总是以有新的发现而胜利告终.如人们发现，在两个运动着微观粒子的电磁相互作用下，两个粒子的动量的矢量和似乎是不守恒的，这时物理学家又把动量的概念推广到了电磁场，把电磁场的动量也考虑进去，总动量就又守恒了.现将沿一定方向运动的光子与一个原来静止的自由电子发生碰撞，碰后自由电子向某一方向运动，而光子沿另一方向散射出去，这个散射出去的光子与入射前相比较（ B ） A.速率增大 B.波长增大 C.频率增大 D.能量增大null 解析：由能的转化和守恒定律可知碰后光子的能量减少了，因为光子的能量E=hν=，所以碰后光子的速率不变、频率减小、波长增大，本题正确答案为B.解析：光的双缝干涉实验、光的圆孔衍射实验说明了光具有波动性，所以选项B、C是对的.光的直线传播说明了光宏观上的传播规律，光电效应实验能证实光具有粒子性，所以选项A、D是错的.本题正确答案为BC.解析：光的双缝干涉实验、光的圆孔衍射实验说明了光具有波动性，所以选项B、C是对的.光的直线传播说明了光宏观上的传播规律，光电效应实验能证实光具有粒子性，所以选项A、D是错的.本题正确答案为BC.5.在下列现象中，说明光具有波动性的是（ BC ） A.光的直线传播 B.光的衍射 C.光的干涉 D.光电效应6.从光的波粒二象性出发，下列说法中正确的是（ ACD ） A.光子的频率越高，光子的能量越大 B.光子的频率越高，波动性越显著 C.在光的干涉实验中，亮纹处光子到达的概率大 D.大量光子显示波动性，少量光子显示粒子性6.从光的波粒二象性出发，下列说法中正确的是（ ACD ） A.光子的频率越高，光子的能量越大 B.光子的频率越高，波动性越显著 C.在光的干涉实验中，亮纹处光子到达的概率大 D.大量光子显示波动性，少量光子显示粒子性 解析：由E=hν可知，光子的频率越高，光子的能量越大，所以A选项是对的.光子的频率越高，粒子性越显著，波动性越不明显，所以B是错的.在光的干涉实验中，亮纹处是因为光子到达的概率大，所以C选项是对的.因为光波是概率波，所以大量光子显示波动性，少量光子显示粒子性，D选项是对的.本题正确答案为ACD.7.物理学家做了个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不的点子；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果有下列认识，其中正确的是（ BCD ） A.曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点子 B.单个光子的运动没有确定的轨道 C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方 D.只有大量光子的行为才表现出波动性7.物理学家做了个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹.对这个实验结果有下列认识，其中正确的是（ BCD ） A.曝光时间不长时，光的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点子 B.单个光子的运动没有确定的轨道 C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方 D.只有大量光子的行为才表现出波动性 null 解析：光波是概率波，曝光时间不长时，底片上光子的数目太少，显现不出波动的现象，底片上无条纹出现，所以A是错误的.光波是概率波，单个光子的运动没有确定的轨道，所以B选项是正确的.根据几率波的知识可知，只有大量光子的行为才表现出波动性，干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方，所以C、D选项是正确的.本题正确答案为BCD. 8.若某光谱线的波长为λ，则此光谱线中光子的（ BCD ） A.频率为λ/c B.能量为 C.动量为h/λ D.质量为8.若某光谱线的波长为λ，则此光谱线中光子的（ BCD ） A.频率为λ/c B.能量为 C.动量为h/λ D.质量为 解析：光的频率ν= ，光子的能量E=hν= ，光子的动量p= = ，光子的质量m= = .本题正确答案为BCD.null9.某色光的频率为 Hz，其光子的能量为__________________J，当它进入某介质时，波长为 ，则此介质的折射率为__________________.（普朗克常量 ） 答案：null10.（2008年苏、锡、常、镇四市调查二）如图5－1－2所示的实验电路，当用黄光照射光电管中的金属涂层时，毫安表的指针发生了偏转.若将电路中的滑动变阻器的滑片P向右移动到某一位置时，毫安表的读数恰好减小到零，此时电压表读数为U. （1）若增加黄光照射的强度，则毫安表__________________（选填“有”或“无”）示数.若改用蓝光照射光电管中的金属涂层，则毫安表__________________（选填“有”或“无”）示数. （2）若用几种都能使金属涂层发生光电效应的不同频率ν的光照射光电管中的金属涂层，分别测出能使毫安表的读数恰好减小到零时的不同电压值U，通过U和ν的几组对应数据，作出U－ν图象.则利用电 子的电荷量e与U－ν图象的 __________________就可 求得普朗克常量h（用纵轴 表示U、横轴表示ν）.null 答案：（1）无 有 （2）图象略 直线的斜率 11.照到地面的太阳光的平均波长是 .地面每平方米面积上获得太阳光的功率为8 W，则每秒落到地面 面积上的光子数是多少?当人仰望太阳（人眼瞳孔的直径为10 mm），每秒进入眼睛的光子数是多少? 11.照到地面的太阳光的平均波长是 .地面每平方米面积上获得太阳光的功率为8 W，则每秒落到地面 面积上的光子数是多少?当人仰望太阳（人眼瞳孔的直径为10 mm），每秒进入眼睛的光子数是多少?null探究创新 12.（2008年镇江教学情况调查）美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应.关于康普顿效应，以下说法正确的是（ BD ） A.康普顿效应现象说明光具有波动性 B.康普顿效应现象说明光具有粒子性 C.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加 D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少探究创新 12.（2008年镇江教学情况调查）美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应.关于康普顿效应，以下说法正确的是（ BD ） A.康普顿效应现象说明光具有波动性 B.康普顿效应现象说明光具有粒子性 C.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加 D.当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少 解析：康普顿效应现象说明了光子与晶体中的电子发生了碰撞，说明光子具有粒子性.碰后光子的波长大于λ0，其能量减少了，本题正确答案为BD.