第100講電磁波光電效應與破粒二象性

I真題示例_______________________________

1.（2021?天津）光刻機是制造芯片的核心裝備，利用光源發出的紫外線，將精細圖投影在硅片上,

再經技術處理制成芯片。為提高光刻機清晰投影最小圖像的能力，在透鏡組和硅片之間充有液體。

紫外線進入液體后與其在真空中相比（）

A.波長變短B.光子能量增加

C.頻率降低D.傳播速度增大

【解答】解：BC、紫外線在傳播過程中無論進入何種介質，其頻率v不變；根據E=hv可知，

光子能量不變，故BC錯誤；

AD、設該液體對紫外線的折射率為n>l,根據v=g可知紫外線在液體中的傳播速度減小；

根據V=V入可知，V不變、V減小、則波長入變短，故A正確、D錯誤。

故選：Ao

2.（2022?江蘇）光源通過電子一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

【解答】解：ABD、根據光子能量計算公式￡=皿=竽可得：入=器光在真空中傳播速度c不

變，光子能量增加后頻率增加、波長減小，故A錯誤、B正確；

C、根據p=亨可知，光子能量增加后波長減小，則光子動量增加，故C錯誤。

故選：B。

3.（2022?河北）如圖是密立根于1916年發表的鈉金屬光電效應的遏止電壓Uc與入射光頻率v的實

驗曲線，該實驗直接證明了愛因斯坦光電效應方程，并且第一次利用光電效應實驗測定了普朗克

常量h。由圖像可知（）

A.鈉的逸出功為hv。

B.鈉的截止頻率為8.5X10"Hz

C.圖中直線的斜率為普朗克常量

D.遏止電壓Uc與入射光頻率v成正比

【解答】解：A、根據遏止電壓與最大初動能的關系得:

eUc=Ekmax

根據光電效應方程有

Ekmax=hV-Wo

結合圖像可知，當Uc為0時，解得:

Wo=hvc,故A正確;

B、鈉的截止頻率為Vc,根據圖像可知，截止頻率小于8.5X1014HZ,故B錯誤;

C、結合遏止電壓與光電效應方程可解得:

hvWQ

Uc=ee

可知，圖中直線的斜率表示士故C錯誤;

e

D、根據遏止電壓與入射光的頻率關系式可知，遏止電壓與入射光頻率成線性關系，不是成正比,

故D錯誤;

故選：Ao

—.知識回顧

1.麥克斯韋電磁場理論：變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場(如圖所示)。

(a)變化的磁場產生電場(b)變化的電場產生磁場

2.電磁場：變化的電場和變化的磁場總是相互聯系的，形成一個不可分割的統一的電磁場。

3.電磁波

(1)產生：變化的電場和磁場由近及遠地向周圍傳播，形成了電磁波。

(2)電磁波是橫波，在空間傳播不需要介質。

電磁波的電場、磁場、傳播方向三者兩兩垂直，如圖所示。

(3)電磁波的波速：真空中電磁波的波速與光速相同，c=3.0X108m/so

(4)-=If對電磁波同樣適用。

⑸電磁波能產生反射、折射、干涉、偏振和衍射等現象。

(6)赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波，并證實了麥克斯韋的電磁場理論。

(7)電磁波與機械波的比較

名稱

電磁波機械波

項目

產生由周期性變化的電場、磁場產生由質點(波源)的振動產生

波的特點橫波縱波或橫波

波速在真空中等于光速c=3X108m/s；在空氣中不大(如聲波波速在空

在介質中波速較小氣中約為340m/s)；在液體和

固體中較大

是否需要介質不需要介質(在真空中仍可傳播)必須有介質(真空中不能傳播)

傳播能量電磁能機械能

4.電磁波的發射

(1)發射電磁波的條件

①要有足夠高的振蕩頻率；

②必須是開放電路，使振蕩電路的電場和磁場分散到盡可能大的空間。

(2)信號的調制：為了利用電磁波傳遞信號，就要對電磁波調制。有調幅和調頻兩種調制方法。

①調幅：使高頻電磁波的振幅隨信號的強弱而變。

②調頻：使高頻電磁波的頻率隨信號的強弱而變。

5.電磁波的傳播

三種傳播方式：天波、地波、直線傳播。

6.電磁波的接收

(1)當接收電路的固有頻率跟收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產生的振蕩電流最強，這

種現象叫作電諧振。

(2)使接收電路產生電諧振的過程叫作調諧。

(3)從經過調制的高頻振蕩電流中還原出原來的信號的過程叫作解調，它是調制的逆過程。調幅

波的解調也叫檢波。

7.電磁波譜I

(1)定義

按電磁波的波長大小或頻率高低的順序把它們排列成譜，叫作電磁波譜。

將電磁波按波長從長到短排列順序是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和Y射線。

(2)電磁波譜的特性、應用

電磁頻率真空中遞變

特性應用

波譜/Hz波長/m規律

無線小于大于波動性強，

無線電技術

電波3X101110-3易發生衍射

直

衍

線

10"?10-3紅外線射

傳

紅外線熱效應能

1015?10-7遙感力播

減

能

弱

可見光101510，引起視覺照明、攝影力

增

化學效應、強

1()15?10-7醫用消毒、

紫外線熒光效應、

1017?10一9防偽

能殺菌

IO】,?10~8檢查、醫用

X射線穿透能力強

1019?10一"透視

大于小于穿透能工業探傷、

Y射線

101910一"力最強醫用治療

說明

(1)波長不同的電磁波，表現出不同的特性。其中波長較長的無線電波和紅外線，易發生干涉、

衍射現象；波長較短的X射線、丫射線，穿透能力較強。

(2)電磁波譜中，相鄰兩波段的電磁波的波長并沒有很明顯的界線，如紫外線和X射線、X射線

和丫射線都有重疊。

(3)不同的電磁波，產生的機理不同，無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運動產生的；紅

外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發后產生的；X射線是原子的內層電子受到激發后產

生的；Y射線是原子核受到激發后產生的。

(4)電磁波的能量隨頻率的升高而增大。

必備知識

1.光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現象。

2.光電子：光電效應中發射出來的電子。

3.光電效應的實驗規律

(1)存在截止頻率：當入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。不同金屬的截止頻率不同，

即截止頻率與金屬自身的性質有關。

(2)存在飽和電流：在光照條件不變的情況下，隨著所加電壓的增大，光電流趨于一個飽和值,

即在一定的光照條件下，單位時間陰極K發射的光電子的數目是一定的。實驗表明，光的頻率一定

時，入射光越強，飽和電流越大，單位時間內發射的光電子數越多。

(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓〃稱為遏止電壓。遏止電壓的存在意味著光電

子的初動能有最大值，",='1建/=6“，稱為光電子的最大初動能。實驗表明，遏止電壓(或光電子的

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。

(4)光電效應具有瞬時性：當入射光的頻率超過截止頻率心時，無論入射光怎樣微弱，光電效

應幾乎是瞬時發生的。

4.愛因斯坦光電效應方程

(1)光子說

光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為■的光的能量為方囁其中分=6.63X10

fJ?s(稱為普朗克常量)。這些能量子后來稱為光子。

(2)逸出功%

要使電子脫離某種金屬，需要外界對它做功，做功的最小值叫作這種金屬的逸出功。

(3)光電子的最大初動能

在光電效應中，金屬中的電子吸收光子后，除了要克服金屬的逸出功外，有時還要克服原子的

其他束縛而做功，這時光電子的初動能就比較小；當逸出過程只克服金屬的逸出功而逸出時，光電

子的初動能稱為最大初動能。

(4)愛因斯坦光電效應方程

表達式：戊=/iv—%。

物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是人心在這些能量中，一部分大小為海的

能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的最大初動能o

(5)對光電效應規律的解釋

對應規律對規律的解釋

電子從金屬表面逸出，必須克服金屬的逸出功眼則入射光

存在截止頻率心子的能量不能小于他對應的頻率必須不小于v=^,即截

n

止頻率

電子吸收光子能量后，一部分用來克服金屬的逸出功，剩余

光電子的最大初動能隨著入部分表現為光電子的初動能，只有直接從金屬表面飛出的光

射光頻率的增大而增大，與電子才具有最大初動能。對于確定的金屬，質是一定的，故

入射光的強度無關光電子的最大初動能只隨入射光頻率的增大而增大，和光強

無關

光照射金屬時，電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積

光電效應具有瞬時性

累能量的時間

對于同種頻率的光，光較強時，單位時間內照射到金屬表面

光較強時飽和電流較大的光子數較多，照射金屬時產生的回光電子較多，因而飽

和電流較大

(6)三個關系式

愛因斯坦光電效應方程：Ek=hv—%。

最大初動能與遏止電壓的關系：

逸出功與極限頻率的關系：%=h

(7)兩條對應關系

光強大(頻率一定時)一光子數目多一發射光電子多一飽和光電流大。

光子頻率高一光子能量大一光電子的最大初動能大。

(8)光電效應的圖像分析

圖像名稱圖線形狀由圖線可直接(或

間接)得到的物理量

①極限頻率八：圖線與■軸交點的

氏卜

光電子的最大初動能橫坐標

笈與入射光的頻率K②逸出功質：圖線與笈軸交點的縱坐

0

的關系圖線標的絕對值，K>=-E\=E

-E

③普朗克常量加圖線的斜率〃=右

①遏止電壓僚圖線與橫軸的交點的

,

顏色相同、強度不同------強光(黃)

------弱光(黃)橫坐標的值

的光，光電流與電壓I

②飽和光電流4：電流的最大值

的關系圖線Uc。U

③最大初動能：E『eU。

顏色不同、強度相同'—黃光①遏止電壓血、如

/---------藍光

的光，光電流與電壓工②飽和光電流

的關系圖線~~L1③最大初動能'i=e",&=e〃2

①截止頻率囁：圖線與橫軸的交點的

橫坐標的值

/②遏止電壓④隨入射光頻率的增大

遏止電壓〃與入射光

而增大

的頻率K的關系圖線

③普朗克常量加等于圖線的斜率與電

V

子電荷量的乘積，即h=ke?：此時

兩極之間接反向電壓)

5.光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振現象說明光具有波動性。

(2)光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性。

(3)光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

(4)光子的能量e=hv,光子的動量

A

6.物質波

(1)1924年，法國物理學家德布羅意提出：實物粒子也具有波動性，即每一個運動的粒子都與一

個對應的波相聯系，這種波叫作物質波，也叫德布羅意波。所以實物粒子也具有波粒二象性。

(2)粒子的能量￡和動量。跟它所對應的波的頻率■和波長才之間，遵從的關系為：v七;

h

4=一。

P

二.例題精析

題型一：電磁波與光子

例1.隨著通信技術的更新換代，無線通信使用的電磁波頻率更高，頻率資源更豐富，在相同時間內

能夠傳輸的信息量更大。第5代移動通信技術（簡稱5G）意味著更快的網速和更大的網絡容載能

力，“4G改變生活，5G改變社會"。與4G相比，5G使用的電磁波（）

A.頻率更高B.衍射更明顯

C.傳播速度更大D.波長更長

【解答】解：A、5G使用的電磁波頻率比4G高，故A正確；

B、發生明顯衍射的條件是障礙物（或孔）的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小；因5G使用

的電磁波頻率更高，即波長更短，故5G越不容易發生明顯衍射，故B錯誤；

C、光在真空中的傳播速度都是相同的；光在介質中的傳播速度為v=*5G的頻率比4G高，

而頻率越大折射率越大光在介質中的傳播速度越小，故C錯誤；

D.因5G使用的電磁波頻率更高，根據v=專可知，波長更短，故D錯誤。

故選：Ao

題型二：電磁波譜

（多選）例2.關于電磁波譜，下列說法中正確的是（）

A.X射線對生命物質有較強的作用，過量的X射線輻射會引起生物體的病變

B.丫射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高

C.紫外線比紫光更容易發生干涉和衍射

D.在電磁波譜中，最容易發生衍射現象的是丫射線

E.在電磁波譜中，無線電波一般可用于通信

【解答】解：A、X射線具有較強的穿透能力，過量的X射線輻射會引起生物體的病變。故A正

確。

B、丫射線是波長最短的電磁波，它比X射線的頻率還要高。故B正確。

C、紫外線比紫光的波長短，更不容易發生衍射，故C錯誤；

D、電磁波譜中，最容易發生衍射現象的是無線電波。故D錯誤。

E、在電磁波譜中，無線電波波長較長，一般可用于通信，故E正確。

故選：ABEo

題型三：電磁波的產生

例3.根據麥克斯韋電磁場理論，下列說法中正確的是（

A.變化的電場一定產生變化的磁場

B.均勻變化的電場一定產生均勻變化的磁場

C.穩定的電場一定產生穩定的磁場

D.周期性變化的電場一定產生同頻率的周期性變化的磁場

【解答】解：A、均勻變化的電場產生穩定的磁場，而非均勻變化的電場產生非均勻變化的磁場。

故A錯誤；

B、非均勻變化的電場產生非均勻變化的磁場，而均勻變化的電場產生穩定的磁場。故B錯誤；

C、均勻變化的磁場一定產生穩定的電場，而非均勻變化的電場產生非均勻變化的磁場。則穩定

的電場不會產生磁場，故C錯誤；

D、周期性變化的電場一定產生同周期變化的磁場，而均勻變化的電場則產生恒定的磁場，故D

正確；

故選：D。

題型四：電磁波綜合

（多選）例4.關于電磁波，下列說法正確的是（）

A.電磁波在真空中的傳播速度與電磁波的頻率無關

B.周期性變化的電場和磁場可以相互激發，形成電磁波

C.電磁波在真空中自由傳播時，其傳播方向與電場強度、磁感應強度均垂直

D.電磁波可以由電磁振蕩產生，若波源的電磁振蕩停止，空間的電磁波隨即消失

【解答】解：A、電磁波在真空中的傳播速度均相同，與電磁波的頻率無關，故A正確；

B、根據麥克斯韋的電磁場理論可知，變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場，相互激發，形

成電磁波，故B正確；

C、電磁波是橫波，每一處的電場強度和磁場強度總是相互垂直的，且與波的傳播方向垂直，故C

正確；

D、當電磁振蕩停止了，只是不能產生新的電磁波，但已發出的電磁波不會消失，還要繼續傳播，

故D錯誤。

故選：ABCo

題型五：電磁波在生活中的應用

例5.新冠肺炎疫情突發，中華兒女風雨同舟、守望相助，筑起了抗擊疫情的巍峨長城。志愿者用非

接觸式體溫測量儀，通過人體輻射的紅外線測量體溫，防控人員用紫外線燈在無人環境下消殺病

毒，為人民健康保駕護航。紅外線和紫外線相比較（）

A.紅外線的光子能量比紫外線的小

B.真空中紅外線的波長比紫外線的短

C.真空中紅外線的傳播速度比紫外線的大

D.紅外線能發生偏振現象，而紫外線不能

【解答】解：A、根據電磁波譜，可知紅外線的頻率小于紫外線，根據光子能量公式E=hv,可

知紅外線的光子能量比紫外線的小，故A正確；

B、由于紅外線的頻率小于紫外線，結合公式c=v），可知真空中紅外線的波長比紫外線的波長

長，故B錯誤；

C、真空中所有電磁波的傳播速度都相等，所以紅外線和紫外線在真空中的傳播速度是一樣的，

都等于光速，故C錯誤；

D、紅外線和紫外線都屬于電磁波，是橫波，都具有偏振現象，故D錯誤。

故選：Ao

題型六：電磁波與機械波的區別

（多選）例6.（2021?福建）以聲波作為信息載體的水聲通信是水下長距離通信的主要手段。2020年

11月10日，中國載人潛水器“奮斗者”號創造了10909米深潛紀錄。此次深潛作業利用了水聲

通信和電磁通信等多種通信方式進行指令傳輸或數據交換，如圖所示。下列說法正確的是（）

通信N星

衛星實時

通信無線

備段七a探索二號

探索一號一三4

水聲HI水聲

通信日無線藍綠光”通信

WH#號_745=i“滄海”號

A.“奮斗者”號與“探索一號”通信的信息載體屬于橫波

B.“奮斗者”號與“滄海”號通信的信息載體屬于橫波

C.“探索一號”與通信衛星的實時通信可以通過機械波實現

D.“探索一號”與“探索二號”的通信過程也是能量傳播的過程

【解答】解：A.由題知，“奮斗者”號與“探索一號”通信是通過水聲音通信，由下而上，故信息

載體屬于縱波，故A錯誤；

B.由題知，“奮斗者”號與“滄海”號通信是通過無線藍綠光通信，由左向右，故信息載體屬于橫

波，故B正確;

C.因為太空中沒有介質，故機械波無法傳播，所以“探索一號”與通信衛星的實時通信只能通過

電磁通信來實現，故C錯誤；

D.在傳遞信息的過程也是傳遞能量的過程，故“探索一號”與“探索二號”的通信過程也是能量

傳播的過程，故D正確。

故選：BDo

三.舉一反三，鞏固練習

1.某金屬在光的照射下發生光電效應，光電子的最大初動能Ek與入射光頻率v的關系如圖所示,

貝IJ()

A.普朗克常量為臺

B.入射光的頻率為3Vc時，逸出的光電子的最大初動能為2E

C.頻率大于2Vc的入射光照射該金屬時才會發生光電效應

D.若光在真空中的速度為c,則波長大于上的光照射該金屬時才會發生光電效應

%

【解答】解：A、由愛因斯坦光電效應方程Ek=hv-Wo,結合圖象可知金屬的逸出功Wo=E,

極限頻率為vc,所以hVc-Wo=O,解得h=§,故A錯誤；

B、由愛因斯坦光電效應方程Ek=hv-Wo,則Ek'=h?3vc-Wo=2E,故B正確；

CD、由題圖可知頻率不低于vc的入射光照射該金屬時會發生光電效應，即波長不大于上的光照

%

射該金屬時才會發生光電效應，故CD錯誤。

故選：Bo

2.當具有5.0eV能量的光子照射到某金屬表面后，從金屬表面逸出的電子具有最大的初動能是

1.5eV.為了使這種金屬產生光電效應，入射光的最低能量為()

A.1.5eVB.3.5eVC.5.0eVD.6.5eV

【解答】解：由從金屬表面逸出的電子具有最大的初動能是1.5eV.而入射光的能量為5.0eV.則

該金屬的逸出功為3.5eV.而不論入射光的能量如何變化，逸出功卻不變。所以恰好發生光電效

應時，入射光的能量最低為3.5eV。

故選：Bo

3.研究光電效應的電路如圖所示，用頻率相同、強度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板（陰

極K）,鈉極板發射出的光電子被陽極A吸收，在電路中形成光電流。下列光電流I與A、K之

間的電壓UAK的關系圖象中，正確的是（）

【解答】解：頻率相同的光照射金屬，根據光電效應方程知，光電子的最大初動能相等，根據

1

92

-rnvm=eUc,知遏止電壓相等，光越強，飽和電流越大。故C正確，A、B、D錯誤。

故選：Co

4.下列說法正確的是（）

A.玻爾原子理論第一次將量子觀念引入原子領域，提出了定態和躍遷的概念，成功地解釋了各

種原子光譜的實驗規律

B.普朗克通過研究黑體輻射提出能量子的概念，成為量子力學的奠基人之一

C.放射性原子核發生衰變后產生的新核從高能級向低能級躍遷時，輻射出丫射線，丫射線在電

場和磁場中都會發生偏轉

D.一束光照射到某種金屬上不能發生光電效應，可能是因為這束光的光強太小

【解答】解：A、玻爾原子理論第一次將量子觀念引入原子領域，提出了定態和躍遷的概念，成

功地解釋了氫原子光譜的實驗規律，故A錯誤；

B、普朗克通過研究黑體輻射提出能量子的概念，成為量子力學的奠基人之一，故B正確；

C、放射性原子核發生衰變后產生的新核從高能級向低能級躍遷時，輻射出丫射線，Y射線是一

種波長很短的電磁波，在電場和磁場中都不會發生偏轉，故C錯誤；

D、一束光照射到某種金屬上不能發生光電效應，可能是因為這束光的頻率太小，與光的強度無

關，故D錯誤；

故選：B?

5.（多選）產生光電效應時，關于逸出光電子的最大初動能Ek,下列說法正確的是（）

A.對于同種金屬，Ek與照射光的強度無關

B.對于同種金屬，Ek與照射光的波長成反比

C.對于同種金屬，Ek與光照射的時間成正比

D.對于同種金屬，Ek與照射光的頻率成線性關系

E.對于不同種金屬，若照射光頻率不變，Ek與金屬的逸出功成線性關系

【解答】解：A、B、C、D、根據愛因斯坦光電效應方程Ekm=hy-Wo,入射光的頻率越大，光

電子的最大初動能也越大；Ek與照射光的頻率成線性關系，不是與頻率成正比，也不是與波長成

反比；照射光的強度無關；光照射的時間成無關，故AD正確，BC錯誤；

E、根據愛因斯坦光電效應方程Ekm=hy-Wo,對于不同種金屬，若照射光頻率不變，Ek與金屬

的逸出功成線性關系。故E正確。

故選：ADEo

6.為了測量儲液罐中液體的液面高度，有人設計了如圖甲所示裝置。將與儲物罐外殼絕緣的兩塊

平行金屬板構成的電容C置于儲液罐中，電容C可通過開關S與電感L或電源相連。當開關從

a撥到b時，由電感L與電容C構成的回路中產生振蕩電流而向外輻射電磁波，再使用乙圖中

的調諧電路來接收甲振蕩電路中的電磁波，這樣就可通過測量乙中接收頻率而獲知甲中的發射

頻率，進而再通過振蕩電路的振蕩頻率公式，=恐即可獲知電容CM（L值已知），從而

測量油罐內的液面高度。已知平行板電容器正對面積、間距一定的條件下，電容C兩極板間充

入電介質增加（液面上升）時，電容c增大。則下列分析判斷正確的是（