2020版高考物理一轮复习第12章第1节光电效应氢原子光谱教学案新人教版.pdf

第 1 节 光电效应 氢原子光谱第 1 节 光电效应 氢原子光谱 知识点一| 光电效应 波粒二象性 1光电效应 (1)定义：在光的照射下从金属表面发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子)。 (2)产生条件：入射光的频率大于金属极限频率。 (3)光电效应规律 存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 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。 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 109 s。 2光电效应方程 (1)基本物理量 光子的能量h，其中h6.626×1034 J·s(称为普朗克常量)。 逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。 最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出 时所具有动能的最大值。 (2)光电效应方程：EkhW0。 判断正误 (1)光子说中的光子，指的是光电子。(×) (2)只要光足够强，照射时间足够长，就一定能发生光电效应。 (×) (3)极限频率越大的金属材料逸出功越大。() 与光电效应有关的五组概念对比 1光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表 面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。光子是光电效应的因，光电子是果。 2光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能 量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为 光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况， 才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。 3光电流与饱和光电流：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：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能 量。 5光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照 射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与 入射光强度之间没有简单的正比关系。 考法 1 光电效应的实验现象 1(多选)(2016·全国卷改编)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 D遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关 AD 根据光电效应实验得出的结论：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，故 A 正确，B 错误 ； 遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关， 保持入射光的光强不变，若低于截止频率，则没有光电流产生，故 C 错误，D 正确。 2.(2019·化州模拟)如图所示是光电管的工作原理电路图， 一束波长为1的单色光照射 到光电管的阴极，电路中产生了光电流，下列判断正确的是( ) A若电路中电源的正、负极反接后，电路中仍可能有光电流 B单色光照射一段时间后，才能观察到电流表指针转动 C若另一束波长为2的单色光(21)照射到光电管的阴极时，电路中也可能产生光 电流但光电流肯定比前次小 D入射光的强度一定时，电路中光电流的大小随电压的增大而持续增大 A 将电路中电源的电极反接，光电子做减速运动，有可能到达阳极，所以还可能有光 电流，A 正确。光电效应具有瞬时性，若能产生光电流，则不需要等待时间，B 错误。换用波 长为2(21)的光照射阴极时，光的频率变小，但光电流的大小与光的强度有关，与光的 频率无关，仍可能发生光电效应，C 错误。增加电路中电源的路端电压，光电流达到饱和电流 时不再增大，D 错误。 考法指导 光电效应的研究思路 (1)两条线索 (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 (3)三点提醒 能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。 光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。 逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。 考法 2 光电效应方程的应用 3.(2018·全国卷)用波长为 300 nm 的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最 大初动能为 1.28×1019 J。 已知普朗克常量为 6.63×1034 J·s， 真空中的光速为 3.00×108 m·s1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( ) A1×1014 Hz B8×1014 Hz C2×1015 Hz D8×1015 Hz B 根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0hh0， 代入数据解得 c 08×1014Hz，B 正确。 4.(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UaUb B若ab，则一定有EkaEkb C若UaUb，则一定有EkaEkb D若ab，则一定有haEkahbEkb BC 光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eUEk，根据光电效应方程可知Ek hW0， 若ab， 则EkaEkb，UaUb， 选项 A 错误， 选项 B 正确 ； 若UaUb， 则EkaEkb， 选项 C 正确；由光电效应方程可得W0hEk，则haEkahbEkb，选项 D 错误。 考法指导 三个关系 1爱因斯坦光电效应方程EkhW0。 2光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得，即EkeUc，其中Uc是 遏止电压。 3光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率c的关系是W0hc。 考法 3 光电效应图象问题 5(2019·南平检测)用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关 S，用频率为 的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek 与入射光频率的关系图象， 图线与横轴的交点坐标为(a,0)， 与纵轴的交点坐标为(0， b)， 下列说法中正确的是( ) 甲 乙 A普朗克常量为ha b B断开开关 S 后，电流表 G 的示数不为零 C仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大 D保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表 G 的示数保持不变 B 由hW0Ek，变形得EkhW0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h ，故 A b a 错误；断开开关 S 后，仍有光电子产生，所以电流表 G 的示数不为零，故 B 正确；只有增大 入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故 C 错误；保持照射光强 度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少， 发出的光子数也减少，电流表 G 的示数要减小，故 D 错误。 6.(多选)(2019·义乌模拟)用甲、乙两种单色光照射同一金属做光电效应实验，发现光 电流与电压的关系如图所示。 已知普朗克常量为h， 被照射金属的逸出功为W0， 遏止电压为Uc， 电子的电荷量为e，则下列说法正确的是( ) A甲光的强度大于乙光的强度 B甲光的频率大于乙光的频率 C甲光照射时产生的光电子初动能均为eUc D乙光的频率为W 0eUc h AD 根据光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判定甲光的强度 较大，选项 A 正确；由光电效应方程mv2hW0，mv2Uce，由图可知，甲、乙的遏止电 1 2 1 2 压相同，故甲、乙的频率相同，选项 B 错误；甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eUc， 选项 C 错误；根据mv2hW0Uce，可得，选项 D 正确。 1 2 UceW0 h 考法指导 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kh 颜色相同、 强度不同 的光， 光电流与电压 的关系图线 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：EkmeUc 颜色不同的光， 光电 流与电压的关系图 线 遏止电压Uc1、Uc2 饱和光电流 最大初动能Ek1eUc1，Ek2eUc2 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 量的乘积，即hke(注：此时两极之间接 反向电压) 考法 4 对波粒二象性的理解 7(多选)(2019·西安检测)关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的是( ) A不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性 B运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统 一的 D实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 ABC 波粒二象性是微观世界特有的规律，一切运动的微粒都具有波粒二象性，A 正确。 由于微观粒子的运动遵守不确定关系，所以运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小 孔发生衍射时，都没有特定的运动轨道，B 正确。波粒二象性适用于微观高速领域，C 正确。 宏观物体运动形成的德布罗意波的波长很小，很难被观察到，但它仍有波粒二象性，D 错误。 知识点二| 粒子散射实验与核式结构模型 1实验现象 绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数 粒子发生了大角 度偏转，极少数 粒子甚至被撞了回来。如图所示。 2原子的核式结构模型 在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电 的电子在核外空间绕核旋转。 判断正误 (1)原子核集中了原子全部的正电荷和质量。 (×) (2)原子中绝大部分是空的，原子核很小。() (3)核式结构学说是卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出的。() 1下列与 粒子散射实验结果一致的是( ) A所有 粒子穿过金箔后偏转角度都很小 B大多数 粒子发生较大角度的偏转 C向各个方向运动的 粒子数目基本相等 D极少数 粒子发生大角度的偏转 D 当 粒子穿过原子时， 电子对 粒子影响很小， 影响 粒子运动的主要是原子核， 离原子核远的 粒子受到的库仑斥力很小，运动方向几乎不改变，只有当 粒子距离原子 核很近时，才会受到很大的库仑斥力，而原子核很小，所以只有极少数的 粒子发生大角度 的偏转，而绝大多数基本按直线方向前进，实验结果是：离原子核远的 粒子偏转角度小， 离原子核近的 粒子偏转角度大，正对原子核的 粒子返回，故 A、B、C 错误，D 正确。 2从 粒子散射实验结果出发推出的结论有： 金原子内部大部分都是空的； 金原子是一个球体； 汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况； 原子核的半径约是 1015m，其中正确的是( ) AB C D B 粒子散射实验的结果表明，原子是由原子核和核外电子构成的，原子核体积很小， 质量大，原子的质量主要集中在原子核上，原子核外有一个非常大的空间，核外电子围绕原 子核做高速运动，则从 粒子散射实验结果出发推出的结论有金原子内部大部分都是空的， 汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况，原子核的半径约是 1015m，不能说明金原子 是球体，B 正确。 知识点三| 氢原子光谱和玻尔理论 1光谱 (1)光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录， 即光谱。 (2)光谱分类：线状谱光谱是一条条的亮线。 连续谱光谱是连在一起的光带。 (3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式 1 R(n3,4,5，)，R是里德伯常量，R1.10×107 m1，n为量子数。 ( 1 22 1 n2) 2玻尔理论 (1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的， 电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。 (2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的 能量由这两个定态的能量差决定，即hEmEn(h是普朗克常量，h6.63×1034 J·s)。 (3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是 不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。 3氢原子的能级、能级公式 (1)氢原子的能级图 能级图如图所示。 (2)氢原子的能级公式 EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV。 1 n2 (3)氢原子的半径公式 rnn2r1(n1,2,3，)， 其中r1为基态半径， 又称玻尔半径， 其数值为r10.53×1010 m。 判断正误 (1)在玻尔模型中，原子的状态是不连续的。 () (2)发射光谱可能是连续光谱，也可能是线状谱。 () (3)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱。(×) 1一个氢原子从n3 能级跃迁到n2 能级，该氢原子( ) A放出光子，能量增加 B放出光子，能量减少 C吸收光子，能量增加 D吸收光子，能量减少 B 氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项 B 正确，A、C、D 错 误。 2(2019·贵阳模拟)关于原子模型，下列说法错误的是( ) A汤姆孙发现电子，表明原子具有核式结构 B卢瑟福完成的 粒子散射实验，说明了原子的“枣糕”模型是不正确的 C按照玻尔理论，氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时，辐射出光子 D按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的 动能减小，原子总能量增加 A 电子是汤姆孙发现的，不能说明原子的核式结构，A 错误。卢瑟福通过 粒子散射 实验，提出原子具有核式结构，B 正确。根据玻尔理论，氢原子核外电子从高能级向低能级跃 迁时，能量减少，辐射出光子，C 正确。氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的 轨道时，电子的电势能增大，动能减小；由于电子在此跃迁过程中，吸收光子，故原子总能 量增加，D 正确。 3 (多选)(2019·南通检测)已知氢原子基态能量为13.6 eV， 下列说法正确的有 ( ) A使n2 能级的氢原子电离至少需要吸收 3.4 eV 的能量 B氢原子由n3 能级跃迁到n2 能级，放出光子，能量增加 C处于基态的氢原子吸收能量为 10.2 eV 的光子跃迁到n4 的激发态 D大量处于n3 激发态的氢原子会辐射出 3 种不同频率的光子 AD 氢原子基态能量为13.6 eV，n2 能级的能量E2 eV3.4 eV，因此要 13.6 22 使处于n2 能级的氢原子电离至少需要吸收 3.4 eV 的能量，A 正确。氢原子由n3 能级跃 迁到n2 能级， 放出光子， 能量减少， B 错误。 处于基态的氢原子吸收能量为 10.2 eV 的光子， 能量E13.6 eV10.2 eV3.4 eV， 因此会从n1 能级跃迁到n2 能级， C 错误。 根据 C 3，可知，大量处于n3 能级的氢原子跃迁时能辐射出 3 种不同频率的光子，D 正确。 2 3 4(2019·长治模拟)氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态的 氦离子能量E154.4 eV，氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中，不能 被基态氦离子吸收而发生跃迁的是( ) A54.4 eV B51.0 eV C43.2 eV D40.8 eV C 假设基态的氦离子吸收 54.4 eV 的能量，当光子能量大于等于基态能量时，将被处于 基态的离子吸收并能使其电离， A 错误。 假设基态的氦离子吸收 51.0 eV 的能量， 能量变为3. 4 eV， 所以能被吸收， 能跃迁到第 4 能级， B 错误。 假设基态的氦离子吸收 43.2 eV， 能量为11. 2 eV， 所以不能被吸收发生跃迁， C 正确。 假设基态的氦离子吸收 40.8 eV 的能量， 能量变为13. 6 eV，能被吸收，能跃迁到第 2 能级，D 错误。 考法指导 能级跃迁的规律 1自发跃迁 ： 高能级低能级，释放能量，发出光子。光子的频率。 E h E高E低 h 2受激跃迁：低能级高能级，吸收能量。 光照吸收光子：光子的能量必须恰等于能级差hE，即对光子的吸收具有选 择性。 当入射光子能量大于该能级的电离能时，原子对光子吸收不再具有选择性，而是吸收 以后发生电离。 碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外E。