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(yīng)堆與核電站、太陽、氫彈、環(huán)流器裝置等
光電效應(yīng)現(xiàn)象、愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義、光的波粒二象性、原子的核式結(jié)構(gòu)模型、氫原子光譜、原子的能級結(jié)構(gòu)、原子核的組成、核反應(yīng)方程、放射性和原子核衰變、半衰期及其統(tǒng)計意義、放射性同位素的應(yīng)用、射線的危害與防護、原子核的結(jié)合能、核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)等
本章內(nèi)容屬于高考考查的熱點,題型一般為選擇題,可能與其他知識結(jié)合出計算題?？疾榈木唧w內(nèi)容主要包括以下幾點:①原子的能級躍遷;②原子核的衰變規(guī)律;③核反應(yīng)方程的書寫;④質(zhì)量虧損和核能的計算;⑤三種射線的特點及應(yīng)用;⑥光電效應(yīng)的規(guī)律及應(yīng)用等。還要注意學(xué)科內(nèi)的綜合問題,比如光電效應(yīng)與帶電粒子在電場和磁場中運動的綜合,核反應(yīng)與動量的綜合等
一、光電效應(yīng)1.定義①:在光的照射下從物體發(fā)射出　　　　的現(xiàn)象(發(fā)射出的電子稱為光電子)。?2.產(chǎn)生條件:入射光的頻率　　　　　　　極限頻率。?
3.光電效應(yīng)規(guī)律(1)存在著飽和電流:對于一定顏色的光,入射光強度越大,單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)　　　　。?(2)存在著遏止電壓和截止頻率:光電子的能量只與入射光的　　　　有關(guān),而與入射光的　　　　無關(guān)。當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時不發(fā)生光電效應(yīng)。?(3)光電效應(yīng)具有瞬時性:當(dāng)頻率超過截止頻率時,無論入射光怎樣微弱,幾乎在照到金屬時立即產(chǎn)生光電流,時間不超過10-9 s。
二、光子說及光電效應(yīng)方程1.光子說空間傳播的光是一份一份的,每一份叫一個光子,一個光子的能量為E=hν,其中h=6.63×10-34 J·s(稱為普朗克常量)。2.光電效應(yīng)方程(1)表達式②:光電子的最大初動能Ek與入射光光子的能量hν和逸出功W0之間的關(guān)系:Ek=　　　　　　。其中逸出功是指使某種金屬原子中的電子脫離金屬所做功的　　　　　　。?(2)物理意義:金屬中電子吸收一個光子獲得的能量是hν,這些能量一部分用于克服金屬的　　　　　　,剩下的表現(xiàn)為逸出電子的　　　　　　。?
三、光的波粒二象性與物質(zhì)波1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有　　　　性。?(2)光電效應(yīng)說明光具有　　　　性。?(3)光既具有波動性,又具有粒子性,稱為光的　　　　　　　　性。?2.物質(zhì)波(1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達概率　　的地方,暗條紋是光子到達概率　　的地方,因此光波又叫概率波。(2)物質(zhì)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(yīng),其波長λ=　　　　,p為運動物體的動量,h為普朗克常量。?
1.判斷下列說法的正誤。(1)只要光照射的時間足夠長,任何金屬都能發(fā)生光電效應(yīng)。(　　)(2)光電子就是光子。(　　)(3)極限頻率越大的金屬材料逸出功越大。(　　)(4)從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大,這種金屬的逸出功越小。(　　)(5)入射光的頻率越大,逸出功越大。(　　)
2.(多選)如圖所示,用導(dǎo)線把驗電器與鋅板相連接,當(dāng)用紫外線照射鋅板時,發(fā)生的現(xiàn)象是(　　)A.有光子從鋅板逸出B.有電子從鋅板逸出C.驗電器指針張開一個角度D.鋅板帶負(fù)電
3.(多選)關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性,下列說法正確的是(　　)A.不僅光子具有波粒二象性,一切運動的微粒都具有波粒二象性B.運動的微觀粒子與光子一樣,當(dāng)它們通過一個小孔時,都沒有特定的運動軌道C.波動性和粒子性在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的,但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的D.實物粒子的運動有特定的軌道,所以實物粒子不具有波粒二象性
4.(新教材人教版選擇性必修第三冊P77T3改編)鈣的逸出功是4.2eV,現(xiàn)在將波長為200 nm的光照射鈣的表面(結(jié)果保留一位小數(shù))。(1)求光電子的最大初動能。(2)求遏止電壓。
答案(1)2.0 eV　(2)2.0 V解析(1)Ek= -W0=2.0 eV;(2)由-eU=0-Ek,解得U=2.0 V。
一、與光電效應(yīng)有關(guān)的概念對比1.光子與光電子:光子不帶電;光電子是光電效應(yīng)時發(fā)射出來的電子,其本質(zhì)是電子。2.光電子的初動能與光電子的最大初動能:光電子的初動能小于等于光電子的最大初動能。3.光電流和飽和光電流:金屬板飛出的光電子到達陽極,回路中便產(chǎn)生光電流,隨著所加正向電壓的增大,光電流趨于一個飽和值,這個飽和值是飽和光電流。在一定的光照條件下,飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。
4.入射光強度與光子能量:入射光強度是指單位時間內(nèi)照射到單位面積上的總能量,與光子的能量和單位時間內(nèi)光子的數(shù)目有關(guān)。5.光的強度與飽和光電流:頻率相同的光照射金屬產(chǎn)生光電效應(yīng),入射光越強,飽和光電流越大。
二、對光電效應(yīng)規(guī)律的解釋
三、光電管上加正向與反向電壓情況分析(1)光電管加正向電壓時的情況①P右移時,參與導(dǎo)電的光電子數(shù)增加;②P移到某一位置時,所有逸出的光電子恰好都參與了導(dǎo)電,光電流恰好達到最大值;③P再右移時,光電流不再增大。
(2)光電管加反向電壓時的情況①P右移時,參與導(dǎo)電的光電子數(shù)減少;②P移到某一位置時,所有逸出的光電子恰好都不參與導(dǎo)電,光電流恰好為0,此時光電管兩端加的電壓為遏止電壓;③P再右移時,光電流始終為0。
【典例1】 (2020山東模擬)如圖所示,有一束單色光入射到極限頻率為ν0的金屬板K上,具有最大初動能的某出射電子,沿垂直于平行板電容器極板的方向,從左側(cè)極板上的小孔入射到兩極板間的勻強電場后,到達右側(cè)極板時速度剛好為零。已知電容器的電容為C,帶電荷量為Q,極板間距為d,普朗克常量為h,電子電荷量的絕對值為e,不計電子的重力。關(guān)于電容器右側(cè)極板的帶電情況和入射光的頻率ν,以下判斷正確的是(　　)
破題 根據(jù)電容的定義式求出兩板電壓U= ,電子在兩板間運動時,根據(jù)動能定理得-eU=0-Ek求出最大初動能。由W0=hν0計算出金屬的逸出功,根據(jù)光電效應(yīng)方程hν-W=Ek求出入射光的頻率。
答案 C　解析 電子在電容器里面減速運動,所以受到向左的電場力的作用,所以電場強度方向向右,電容器右側(cè)的極板帶負(fù)電。一束單色光入射到極限頻率為ν0的金屬板K上,射出電子的最大初動能為Ek,hν-W=Ek,hν0=W,電子在電容器中減速運動,由動能定理得:-eU=0-Ek,電容器兩極板間的電勢差為: ,根據(jù)以上各式,解得:ν=ν0+ ,故選項C正確,選項A、B、D錯誤。
解決本類問題主要是抓好兩個過程,一個是電子從金屬板逸出過程,根據(jù)光電效應(yīng)方程列式,另一個是電子在兩板間減速運動過程,根據(jù)動能定理列式。
1.(2018全國卷Ⅱ)用波長為300 nm的光照射鋅板,電子逸出鋅板表面的最大初動能為1.28×10-19 J,已知普朗克常量為6.63×10-34 J·s,真空中的光速為3.00×108 m·s-1,能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為(　　)A.1×1014 HzB.8×1014 HzC.2×1015 HzD.8×1015 Hz
答案 B解析 對逸出電子,根據(jù)光電方程有,hν=Ek+W0, ,W0=hνc,其中,Ek=1.28×10-19 J,λ=300 nm=3×10-7 m,得νc=8×1014 Hz,選項B正確。
2.(2020山東泰安一模)如圖所示為研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的實驗原理圖。已知光電管陰極材料的極限頻率為ν0,現(xiàn)用頻率為ν(ν>ν0)的單色光照射光電管,發(fā)現(xiàn)滑動變阻器的滑片P處于圖示位置時,靈敏電流計的示數(shù)為零,下列說法正確的是(　　)
A.靈敏電流計的示數(shù)為零,是因為沒有發(fā)生光電效應(yīng)B.若不斷向左移動滑片P,則靈敏電流計一定會有示數(shù)C.若不斷向右移動滑片P,則靈敏電流計一定會有示數(shù)D.僅不斷增大入射光的光照強度,靈敏電流計一定會有示數(shù)
答案 C解析 靈敏電流計的示數(shù)為零,是因為如圖加在光電管兩端的反向電壓使得打出的光電子無法到達對陰極,從而沒有形成光電流,而不是沒有發(fā)生光電效應(yīng),故A錯誤;由題知,滑動變阻器的滑片P處于圖示位置時,靈敏電流計的示數(shù)為零;故若不斷向左移動滑片P,則使得加在光電管兩端的反向電壓增大,則光電子一定不能達到對陰極形成光電流,所以靈敏電流計一定不會有示數(shù),故B錯誤;若不斷向右移動滑片P,則使得加在光電管兩端的反向電壓減小,則光電子一定能達到對陰極形成光電流,所以靈敏電流計一定會有示數(shù),故C正確;僅不斷增大入射光的光照強度,對打出光電子的最大初動能沒有影響;所以,靈敏電流計的示數(shù)仍為零,故D錯誤。
【典例2】 如圖甲所示是研究光電效應(yīng)的電路圖。某同學(xué)利用該裝置在不同實驗條件下得到了三條光電流I與A、K兩極之間的電壓UAK的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光),如圖乙所示。則下列說法正確的是(　　)
A.甲光照射光電管發(fā)出光電子的初動能一定小于丙光照射光電管發(fā)出光電子的初動能B.單位時間內(nèi)甲光照射光電管發(fā)出光電子比乙光的少C.用強度相同的甲、丙光照射該光電管,則單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)相等D.對于不同種金屬,若照射光頻率不變,則逸出光電子的最大初動能與金屬的逸出功為線性關(guān)系
答案 D　解析 當(dāng)光照射到K極時,如果入射光的頻率足夠大(大于K極金屬的極限頻率),就會從K極發(fā)出光電子。當(dāng)反向電壓增加到某一值時,電流表A中電流就會變?yōu)榱?此時 ,式中vc表示光電子的最大初速度,e為電子的電荷量,Uc為遏止電壓,根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知丙光的最大初動能較大,故丙光的頻率較大,但丙光照射光電管發(fā)出光電子的初動能不一定比甲光照射光電管發(fā)出光電子的初動能大,所以A錯誤。
對于甲、乙兩束頻率相同的光來說,入射光越強,單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多,所以B錯誤。對甲、丙兩束不同頻率的光來說,光強相同是單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子的總能量相等,由于丙光的光子頻率較高,每個光子的能量較大,所以單位時間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子數(shù)就較少,所以單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)就較少,因此C錯誤。對于不同金屬,若照射光頻率不變,根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,知Ek與金屬的逸出功為線性關(guān)系,D正確。
破題 (1)在題圖乙中,Uc1和Uc2的意義是什么?由此能否得出,甲、乙、丙三種光的頻率關(guān)系?(2)光強相同的兩種色光,如何比較單位時間內(nèi)照射到單位面積上的光子數(shù)的多少?
解答光電效應(yīng)有關(guān)圖像問題的三個關(guān)鍵點(1)明確圖像的種類。(2)弄清圖線的縱軸、橫軸截距的物理意義。(3)選準(zhǔn)光電效應(yīng)的有關(guān)方程。
3.(2020山東泰安二模)用金屬鈣做光電效應(yīng)實驗時,得到的光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示。用其他金屬做實驗,得到的Ekm-ν圖線也為直線。表中列出了幾種金屬的截止頻率和逸出功,下列判斷正確的是(　　)
A.如用金屬鎢做實驗,得到的Ekm-ν圖線的斜率比圖中直線的斜率大B.如用金屬鎢做實驗,得到的Ekm-ν圖線的斜率比圖中直線的斜率小C.如用金屬鈉做實驗,得到的Ekm-ν圖線延長線與縱軸交點的坐標(biāo)為(0,-Ek2),則Ek2>Ek1D.如用金屬鈉做實驗,得到的Ekm-ν圖線延長線與縱軸交點的坐標(biāo)為(0,-Ek2),則Ek2

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