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第 100 讲 电磁波 光电效应与波粒二象性
1．（2021•天津）光刻机是制造芯片的核心装备，利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，
再经技术处理制成芯片。为提高光刻机清晰投影最小图像的能力，在透镜组和硅片之间充有液
体。紫外线进入液体后与其在真空中相比（ ）
A．波长变短 B．光子能量增加
C．频率降低 D．传播速度增大
2．（2022•江苏）光源通过电子—光子散射使光子能量增加，光子能量增加后（ ）
A．频率减小 B．波长减小 C．动量减小 D．速度减小
3．（2022•河北）如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压U 与入射光频率ν的
c
实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普
朗克常量h。由图像可知（ ）
A．钠的逸出功为hν
c
B．钠的截止频率为8.5×1014Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量
D．遏止电压U 与入射光频率v成正比
c一.知识回顾
1．麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场(如图所示)。
2．电磁场：变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分割的统一的电磁场。
3．电磁波
(1)产生：变化的电场和磁场由近及远地向周围传播，形成了电磁波。
(2)电磁波是横波，在空间传播不需要介质。
电磁波的电场、磁场、传播方向三者两两垂直，如图所示。
(3)电磁波的波速：真空中电磁波的波速与光速相同，c＝3.0×108 m/s。
(4)v＝λf对电磁波同样适用。
(5)电磁波能产生反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。
(6)赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波，并证实了麦克斯韦的电磁场理论。
(7)电磁波与机械波的比较
名称
电磁波 机械波
项目
产生 由周期性变化的电场、磁场产生 由质点(波源)的振动产生
波的特点 横波 纵波或横波
在真空中等于光速c＝3×108 m/s； 在空气中不大(如声波波速在空
波速
在介质中波速较小 气中约为340 m/s)；在液体和固体中较大
是否需要介质 不需要介质(在真空中仍可传播) 必须有介质(真空中不能传播)
传播能量 电磁能 机械能
4．电磁波的发射
(1)发射电磁波的条件
①要有足够高的振荡频率；
②必须是开放电路，使振荡电路的电场和磁场分散到尽可能大的空间。
(2)信号的调制：为了利用电磁波传递信号，就要对电磁波调制。有调幅和调频两种调制方法。
①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变。
②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变。
5．电磁波的传播
三种传播方式：天波、地波、直线传播。
6．电磁波的接收
(1)当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，
这种现象叫作电谐振。
(2)使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐。
(3)从经过调制的高频振荡电流中还原出原来的信号的过程叫作解调，它是调制的逆过程。调
幅波的解调也叫检波。
7. 电磁波谱 Ⅰ
（1）定义
按电磁波的波长大小或频率高低的顺序把它们排列成谱，叫作电磁波谱。
将电磁波按波长从长到短排列顺序是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
（2）电磁波谱的特性、应用
电磁 频率 真空中 递变
特性 应用
波谱 /Hz 波长/m 规律
无线 小于 大于 波动性强，
无线电技术
电波 3×1011 10－3 易发生衍射
1011～ 10－3 红外线
红外线 热效应
1015 ～10－7 遥感
可见光 1015 10－7 引起视觉 照明、摄影
化学效应、
1015～ 10－7 医用消毒、
紫外线 荧光效应、
1017 ～10－9 防伪
能杀菌
1016～ 10－8 检查、医用
X射线 穿透能力强
1019 ～10－11 透视
大于 小于 穿透能 工业探伤、
γ射线
1019 10－11 力最强 医用治疗
说明(1)波长不同的电磁波，表现出不同的特性。其中波长较长的无线电波和红外线，易发生干涉、
衍射现象；波长较短的X射线、γ射线，穿透能力较强。
(2)电磁波谱中，相邻两波段的电磁波的波长并没有很明显的界线，如紫外线和X射线、X射线
和γ射线都有重叠。
(3)不同的电磁波，产生的机理不同，无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；
红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；X射线是原子的内层电子受到激发
后产生的；γ射线是原子核受到激发后产生的。
(4)电磁波的能量随频率的升高而增大。
一.必备知识
1.光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。
2．光电子：光电效应中发射出来的电子。
3．光电效应的实验规律
(1)存在截止频率：当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。不同金属的截止频率不
同，即截止频率与金属自身的性质有关。
(2)存在饱和电流：在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值，
即在一定的光照条件下，单位时间阴极K发射的光电子的数目是一定的。实验表明，光的频率一定
时，入射光越强，饱和电流越大，单位时间内发射的光电子数越多。
(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压U称为遏止电压。遏止电压的存在意味着光
c
电子的初动能有最大值，E＝mv＝eU，称为光电子的最大初动能。实验表明，遏止电压(或光电子
km e c
的最大初动能)与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
(4)光电效应具有瞬时性：当入射光的频率超过截止频率ν时，无论入射光怎样微弱，光电效
c
应几乎是瞬时发生的。
4.爱因斯坦光电效应方程
（1）光子说
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为 ν的光的能量为hν，其中h＝
6.63×10－34 J·s(称为普朗克常量)。这些能量子后来称为光子。
（2）逸出功W
0
要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功。
（3）光电子的最大初动能
在光电效应中，金属中的电子吸收光子后，除了要克服金属的逸出功外，有时还要克服原子的
其他束缚而做功，这时光电子的初动能就比较小；当逸出过程只克服金属的逸出功而逸出时，光电
子的初动能称为最大初动能。
（4）爱因斯坦光电效应方程
表达式：E＝hν－W。
k 0
物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，在这些能量中，一部分大小为W
0
的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的最大初动能E＝mv2。
k e
(5)对光电效应规律的解释
对应规律 对规律的解释
存在截止频率ν 电子从金属表面逸出，必须克服金属的逸出功W，则入射光
c 0子的能量不能小于W，对应的频率必须不小于ν＝，即截
0 c
止频率
电子吸收光子能量后，一部分用来克服金属的逸出功，剩余
光电子的最大初动能随着入 部分表现为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光
射光频率的增大而增大，与 电子才具有最大初动能。对于确定的金属，W是一定的，故
0
入射光的强度无关 光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大，和光强
无关
光照射金属时，电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积
光电效应具有瞬时性
累能量的时间
对于同种频率的光，光较强时，单位时间内照射到金属表面
光较强时饱和电流较大 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
（6）三个关系式
爱因斯坦光电效应方程：E＝hν－W。
k 0
最大初动能与遏止电压的关系：E＝eU。
k c
逸出功与极限频率的关系：W＝hν。
0 c
（7）两条对应关系
光强大(频率一定时)→光子数目多→发射光电子多→饱和光电流大。
光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
（8）光电效应的图像分析
由图线可直接(或
图像名称 图线形状
间接)得到的物理量
①极限频率ν：图线与ν轴交点的横
c
光电子的最大初动能E 坐标
k
与入射光的频率ν的 ②逸出功W：图线与E轴交点的纵坐
0 k
关系图线 标的绝对值，W＝|－E|＝E
0
③普朗克常量h：图线的斜率k＝h
①遏止电压U：图线与横轴的交点的
c
颜色相同、强度不同
横坐标的值
的光，光电流与电压
②饱和光电流I：电流的最大值
m
的关系图线
③最大初动能：E＝eU
km c
颜色不同、强度相同 ①遏止电压U、U
c1 c2
的光，光电流与电压 ②饱和光电流
的关系图线 ③最大初动能E＝eU，E＝eU
k1 c1 k2 c2①截止频率ν：图线与横轴的交点的
c
横坐标的值
②遏止电压U：随入射光频率的增大
c
遏止电压U与入射光
c
而增大
的频率ν的关系图线
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电
子电荷量的乘积，即h＝ke(注：此时
两极之间接反向电压)
5．光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。
(2)光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。
(3)光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
(4)光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝。
6．物质波
(1)1924年，法国物理学家德布罗意提出：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与
一个对应的波相联系，这种波叫作物质波，也叫德布罗意波。所以实物粒子也具有波粒二象性。
(2)粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从的关系为：ν＝；
λ＝。
二.例题精析
题型一：电磁波与光子
例1．随着通信技术的更新换代，无线通信使用的电磁波频率更高，频率资源更丰富，在相同时间
内能够传输的信息量更大。第5代移动通信技术（简称5G）意味着更快的网速和更大的网络容
载能力，“4G改变生活，5G改变社会”。与4G相比，5G使用的电磁波（ ）
A．频率更高 B．衍射更明显
C．传播速度更大 D．波长更长
题型二：电磁波谱
（多选）例2．关于电磁波谱，下列说法中正确的是（ ）
A．X射线对生命物质有较强的作用，过量的X射线辐射会引起生物体的病变
B． 射线是波长最短的电磁波，它比X射线的频率还要高
C．γ紫外线比紫光更容易发生干涉和衍射
D．在电磁波谱中，最容易发生衍射现象的是 射线
E．在电磁波谱中，无线电波一般可用于通信 γ
题型三：电磁波的产生
例3．根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法中正确的是（ ）
A．变化的电场一定产生变化的磁场
B．均匀变化的电场一定产生均匀变化的磁场C．稳定的电场一定产生稳定的磁场
D．周期性变化的电场一定产生同频率的周期性变化的磁场
题型四：电磁波综合
（多选）例4．关于电磁波，下列说法正确的是（ ）
A．电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率无关
B．周期性变化的电场和磁场可以相互激发，形成电磁波
C．电磁波在真空中自由传播时，其传播方向与电场强度、磁感应强度均垂直
D．电磁波可以由电磁振荡产生，若波源的电磁振荡停止，空间的电磁波随即消失
题型五：电磁波在生活中的应用
例5．新冠肺炎疫情突发，中华儿女风雨同舟、守望相助，筑起了抗击疫情的巍峨长城。志愿者用
非接触式体温测量仪，通过人体辐射的红外线测量体温，防控人员用紫外线灯在无人环境下消
杀病毒，为人民健康保驾护航。红外线和紫外线相比较（ ）
A．红外线的光子能量比紫外线的小
B．真空中红外线的波长比紫外线的短
C．真空中红外线的传播速度比紫外线的大
D．红外线能发生偏振现象，而紫外线不能
题型六：电磁波与机械波的区别
（多选）例6．（2021•福建）以声波作为信息载体的水声通信是水下长距离通信的主要手段。2020
年11月10日，中国载人潜水器“奋斗者”号创造了10909米深潜纪录。此次深潜作业利用了水
声通信和电磁通信等多种通信方式进行指令传输或数据交换，如图所示。下列说法正确的是（
）
A．“奋斗者”号与“探索一号”通信的信息载体属于横波
B．“奋斗者”号与“沧海”号通信的信息载体属于横波
C．“探索一号”与通信卫星的实时通信可以通过机械波实现
D．“探索一号”与“探索二号”的通信过程也是能量传播的过程三.举一反三，巩固练习
1. 某金属在光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能E 与入射光频率ν的关系如
k
图所示，则（ ）
ν
A．普朗克常量为 c
E
B．入射光的频率为3ν 时，逸出的光电子的最大初动能为2E
c
C．频率大于2ν 的入射光照射该金属时才会发生光电效应
c
c
D．若光在真空中的速度为c，则波长大于 的光照射该金属时才会发生光电效应
ν
c
2. 当具有5.0eV能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初
动能是1.5eV．为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为（ ）
A．1.5eV B．3.5eV C．5.0eV D．6.5eV
3. 研究光电效应的电路如图所示，用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠
极板（阴极K），钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。下列光电流I
与A、K之间的电压U 的关系图象中，正确的是（ ）
AK
A． B．C． D．
4. 下列说法正确的是（ ）
A．玻尔原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了各
种原子光谱的实验规律
B．普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一
C．放射性原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出 射线， 射线在电
场和磁场中都会发生偏转 γ γ
D．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能是因为这束光的光强太小
5. （多选）产生光电效应时，关于逸出光电子的最大初动能E ，下列说法正确的是 （
k
）
A．对于同种金属，E 与照射光的强度无关
k
B．对于同种金属，E 与照射光的波长成反比
k
C．对于同种金属，E 与光照射的时间成正比
k
D．对于同种金属，E 与照射光的频率成线性关系
k
E．对于不同种金属，若照射光频率不变，E 与金属的逸出功成线性关系
k
6. 为了测量储液罐中液体的液面高度，有人设计了如图甲所示装置。将与储物罐外壳绝
缘的两块平行金属板构成的电容C置于储液罐中，电容C可通过开关S与电感L或电源相连。
当开关从a拨到b时，由电感L与电容C构成的回路中产生振荡电流而向外辐射电磁波，再使
用乙图中的调谐电路来接收甲振荡电路中的电磁波，这样就可通过测量乙中接收频率而获知甲
1
中的发射频率，进而再通过振荡电路的振荡频率公式f= 即可获知电容C的值（L值已
2π√LC
知），从而测量油罐内的液面高度。已知平行板电容器正对面积、间距一定的条件下，电容 C
两极板间充入电介质增加（液面上升）时，电容C增大。则下列分析判断正确的是（ ）A．该装置适用于测量任意种类液体的液面高度
B．当储物罐内的液面高度降低时，所测到的LC回路中电流的振荡频率变小
C．当装置使用过久电源电动势减小时，测量的液面高度比真实值偏小
D．该装置测得的振荡频率与所用电源的电动势大小无关
7. 利用电磁感应驱动的电磁炮，其原理示意图如图甲所示，线圈套在中空的塑料管上，
管内光滑，将直径略小于管内径的金属小球静置于线圈右侧A处。图中电容器C已经充好电且
上极板带正电，闭合电键S后电容器开始放电，通过线圈的电流随时间的变化规律如图乙所示，
金属小球在0～t 的时间内被加速发射出去（t 时刻刚好运动到右侧管口B处）。则（ ）
1 1
A．小球在塑料管中的加速度随线圈中电流的增大而一直增大
B．在0～t 的时间内，电容器储存的电能全部转化为小球的动能
1
C．在0～t 的时间内，顺着发射方向看小球中产生的涡流沿逆时针方向
1
D．适当加长塑料管一定可使小球获得更大的速度
8. LC振荡电路中，某时刻磁场方向如图所示，则下列说法不正确的是（ ）
A．若磁场正在减弱，则电容器上极板带正电B．若电容器正在放电，则电容器上极板带负电
C．若电容器上极板带正电，则自感电动势正在减小
D．若电容器正在充电，则自感电动势正在阻碍电流减小
