第4章 2.光电效应-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册作业与测评word（人教版2019）

2.光电效应 典型考点一　光电效应现象及其实验规律 1．(多选)当用一束紫外线照射连接着原来不带电的验电器金属球的锌板时，发生了光电效应，这时发生的现象是(　　) A．验电器内的金属箔带正电 B．有电子从锌板上飞出来 C．有正离子从锌板上飞出来 D．锌板吸收空气中的正离子 答案　AB 解析　当紫外线照射锌板，发生光电效应，此时锌板表面有电子逸出，锌板失去电子带正电，因此验电器内的金属箔带正电，故A、B正确，C、D错误。 2．关于光电效应的实验现象，下列说法正确的是(　　) A．入射光的频率一定时，光电流随着入射光强度的增大而增大 B．遏止电压随着入射光强度的增大而增大 C．照射时间越长，光电子的最大初动能越大 D．入射光的波长大于极限波长时不能发生光电效应 答案　D 解析　入射光的频率一定时，饱和光电流随入射光强度的增大而增大，而光电流的大小还与所加电压有关，A错误；遏止电压随着入射光频率的增大而增大，与光强无关，B错误；光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与照射时间无关，C错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于极限频率，根据c＝λν，也就是说入射光的波长大于极限波长时不能发生光电效应，D正确。 3．微光夜视仪是借助于光增强器把目标反射回来的微弱光激发的光电流放大并转换为可见图像，以实现夜间观察的仪器。在军事、刑侦等领域有重要的应用，光电流放大的简化电路原理图如图所示。将开关S闭合，使某种颜色的入射光照射到光电阴极上，虚线框内电路出现光电流。下列措施一定能使虚线框内的光电流变大的是(　　) A．仅增大原入射光的光照强度 B．仅使滑动变阻器R1的滑片向a端移动 C．仅使滑动变阻器R2的滑片向d端移动 D．仅使滑动变阻器R2的滑片向c端移动 答案　A 解析　由题意知，入射光颜色保持不变，增大原入射光的光照强度，则光电流变大，故A正确；仅改变滑动变阻器的滑片位置，目的是改变电路中的电压分配，题图中光电管两端所加电压为正向电压，当光电流达到饱和光电流后，电流不再随电压的增大而增大，故仅改变电压是不能使虚线框内的光电流一定变大的，B、C、D错误。 典型考点二　爱因斯坦的光电效应理论 4．下列对光电效应的解释，正确的是(　　) A．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应 B．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应 C．金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属 D．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大 答案　B 解析　无论光照射的时间多么长，只要入射光的频率小于金属的极限频率，就不能产生光电效应，A错误；根据光电效应的条件可知，如果入射光子的能量小于电子脱离金属所需做功的最小值，便不能发生光电效应，B正确；金属内的每个电子只可能吸收一个光子获取能量，若光子能量大于金属的逸出功，就能逸出光电子，若光子能量小于金属的逸出功，就不会逸出光电子，电子的动能不会积累，C错误；光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，D错误。 5.(多选)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时，电流表的读数为0.2 mA。移动变阻器的滑片，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表读数为0。则(　　) A．光电管阴极的逸出功为1.8 eV B．开关K断开后，没有电流流过电流表 C．光电子的最大初动能为0.7 eV D．改用能量为1.5 eV的光子照射，电流表中也有电流，但电流较小 答案　AC 解析　该装置所加的电压为反向电压，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表示数为0，可知光电子的最大初动能为0.7 eV，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，得W0＝1.8 eV，故A、C正确；开关K断开后，在新的电路中光电管等效于电源，仍有电流流过电流表，故B错误；1.5 eV的光子的能量小于光电管阴极的逸出功，所以不能发生光电效应，无光电流，故D错误。 典型考点三　光电效应图像问题的分析与求解 6．(多选)在光电效应实验中，某同学按如图a方式连接电路，利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光)如图b所示，则下列说法中正确的是(　　) A．甲、乙两光的光照强度相同 B．丙光照射阴极时，极板的逸出功最大 C．甲、乙、丙三光的频率关系为ν甲＝ν乙<ν丙 D．若把滑动变阻器的滑片P向右滑动，光电流不一定增大 答案　CD 解析　甲、乙两光对应的遏止电压相同，小于丙光的遏止电压，根据eUc＝mv＝hν－W0，可知入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，所以甲、乙两光的频率相等，小于丙光的频率，C正确；甲、乙两光的频率相同，饱和光电流大的光照强度大，则甲光的光照强度大于乙光，A错误；阴极极板的逸出功是金属自身的属性，与入射光的性质无关，B错误；题图a中光电管加的是正向电压，如果光电流已经达到饱和，把滑动变阻器的滑片P向右滑动，正向电压增大，光电流不增大，D正确。 7．美国物理学家密立根用精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量，这项工作成了爱因斯坦光电效应方程在很小误差范围内的直接实验证据。密立根的实验目的是：测量金属的遏止电压Uc与入射光的频率ν，由此计算普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。如图所示，是根据某次实验作出的Uc­ν图像，电子的电荷量e＝1.6×10－19 C。试根据图像和题目中的已知条件，回答下列问题： (1)写出爱因斯坦光电效应方程(用Ek、h、ν、W0表示)； (2)由图像求出这种金属的截止频率νc； (3)若图像的斜率为k，写出普朗克常量h的表达式，并根据图像中的数据求出普朗克常量h。(计算结果均保留两位有效数字) 答案　(1)Ek＝hν－W0　(2)4.3×1014 Hz (3)h＝ke　6.3×10－34 J·s 解析　(1)光电效应方程：Ek＝hν－W0。 (2)由爱因斯坦光电效应方程Ek＝eUc＝hν－W0可得Uc＝ν－，所以图线的横截距即为该金属的截止频率， 由 ＝ 解得νc＝4.3×1014 Hz。 (3)由(2)中图线关系式可知k＝ 则h＝ke＝×1.6×10－19 J·s＝6.3×10－34 J·s。 典型考点四　康普顿效应和光子的动量 8．(多选)关于康普顿效应，下列说法中正确的是(　　) A．石墨对X射线散射时，部分射线的波长变长 B．康普顿效应仅出现在石墨对X射线的散射中 C．康普顿效应进一步证明了光的粒子性 D．康普顿效应表明了光子具有动量 答案　ACD 解析　在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，则光子的动量可能减小，根据λ＝，知波长增大，A正确；康普顿效应具有普遍性，不是仅出现在石墨对X射线的散射中，B错误；康普顿效应进一步揭示了光具有粒子性，C正确；康普顿效应表明了光子具有动量，D正确。 9．光照射到物体表面时，如同大量粒子与墙壁的频繁碰撞一样，将产生持续均匀的压力。一台发光功率为P0的激光器发出一束频率为ν的激光，普朗克常量为h，光速为c。 (1)求频率为ν的激光光子动量p和能量E； (2)求该激光器每秒钟发出的激光光子的个数n； (3)已知光束的横截面积为S，当该激光束垂直照射到某物体表面时，假设光全部被吸收，试写出其在物体表面引起的压力的表达式。 答案　(1)　hν　(2)　(3) 解析　(1)频率为ν的激光光子能量为E＝hν 根据波速公式c＝λν得λ＝ 频率为ν的激光光子动量为p＝ 代入得p＝。 (2)激光器的发射总功率为P0＝n(t＝1 s) 得n＝。 (3)一段时间Δt内发射的激光光子数 n′＝n·Δt＝ 设激光在物体表面引起的压力为F，对Δt时间内发射的激光光子应用动量定理知 －FΔt＝0－n′p 联立解得F＝。 典型考点五　光的波粒二象性 10．下列现象中，光表现出粒子性的是(　　) A．偏振现象 B．干涉现象 C．多普勒效应 D．光电效应 答案　D 解析　光的偏振现象、干涉现象以及多普勒效应都表明光具有波动性，而光电效应则表明光具有粒子性，故选D。 11．关于光的性质，下列说法正确的是(　　) A．光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的 B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C．有的光只具有波动性，有的光只具有粒子性 D．由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性 答案　D 解析　光既具有粒子性，又具有波动性，即光具有波粒二象性，A错误；光的波动性不同于机械波，光的粒子性也不同于质点，B错误；每种光都既具有波动性，又具有粒子性，C错误；由于光既具有波动性，又具有粒子性，即光的波动性与粒子性是光子本身的一种属性，故无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性，D正确。 1．(多选)如图所示为演示光电效应的实验装置，把一块不带电的锌板连接在验电器上。当用可见光照射锌板时，验电器指针不偏转；当用紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度。以下说法正确的是(　　) A．用紫外线照射锌板，验电器指针发生明显偏转，说明此时锌板带电，且带正电 B．用紫外线照射锌板，验电器指针发生明显偏转，说明此时锌板带电，且带负电 C．若改用强度较小的紫外线照射，验电器的指针也会偏转 D．若改用红光长时间照射，验电器的指针也会偏转 答案　AC 解析　当用可见光照射锌板时，验电器指针不偏转，说明锌板不带电，即未发生光电效应；当用紫外线照射锌板时，验电器指针偏转一定角度，说明锌板带电，发生了光电效应，根据发生光电效应的条件可知，用强度较小的紫外线照射可以使锌板发生光电效应，验电器指针偏转，用可见光中频率较小的红光照射，锌板不会发生光电效应，验电器指针不偏转，C正确，D错误；发生光电效应时，锌板上逸出光电子，锌板带正电，故A正确，B错误。 2．关于光电效应，下列几种表述正确的是(　　) A．金属的极限频率与入射光的频率成正比 B．光电流的强度与入射光的强度无关 C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能要大 D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应 答案　D 解析　金属的极限频率由该金属决定，与入射光的频率无关，A错误；光的频率一定时，饱和光电流随入射光强度的增大而增大，B错误；不可见光包括能量比可见光大的紫外线、X射线、γ射线，也包括能量比可见光小的红外线、无线电波，所以不可见光的频率不一定比可见光的频率大，根据爱因斯坦光电效应方程知，用不可见光照射金属不一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大，C错误；根据Ek＝hν－W0和c＝λν可知，对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应，D正确。 3．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．光电效应和康普顿效应否定了光的波动性 D．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著 答案　D 解析　光既是波又是粒子，A错误；光子不带电，没有静止质量，而电子带负电，有质量，二者不同，B错误；光电效应和康普顿效应只说明光具有粒子性，没有否定光的波动性，光的干涉和衍射说明光具有波动性，C错误；光的波长越长，其波动性越显著，如无线电波易衍射，波长越短，光子能量越高，与物质作用越容易体现其粒子性，如γ射线，D正确。 4．有关对光电效应的解释，下列说法正确的是(　　) A．金属内的电子可以吸收一个光子的部分能量而从金属中逸出 B．能否产生光电效应现象，决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功 C．发生光电效应时，入射光越强，则光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大 D．用频率是ν1的绿光照射某金属恰好发生了光电效应，则改用频率是ν2的黄光照射该金属一定发生光电效应 答案　B 解析　金属内的每个电子只可能一次性吸收一个光子的全部能量，不能只吸收一个光子的部分能量，A错误；当入射光光子的能量大于等于金属的逸出功时，即可发生光电效应，B正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，C错误；由于黄光的频率ν2小于绿光的频率ν1，用频率是ν1的绿光照射某金属恰好发生了光电效应，则改用频率是ν2的黄光照射该金属一定不发生光电效应，D错误。 5．(多选)胶片电影利用光电管把“声音的照片”还原成声音，原理如图所示，在电影放映机中用频率为ν、强度不变的一极窄光束照射声音轨道，由于影片上各处的声音轨道宽窄不同，在影片移动的过程中，通过声音轨道后的光强随之变化，射向光电管后，在电路中产生变化的电流，经放大电路放大后，通过喇叭就可以把声音放出来。则(　　) A．只减小光的频率，一定可以还原出声音 B．只增大光的频率，一定可以还原出声音 C．a端为电源正极 D．a端为电源负极 答案　BC 解析　当光照射光电管时，光电管的阴极发生光电效应，有光电子从光电管的阴极到达阳极，从而使电路导通，还原出声音。当只改变光的频率时，根据光电效应实验规律可知，增大光的频率可以确保光电管阴极发生光电效应，还原出声音，反之则不一定发生光电效应使电路导通，故A错误，B正确；光照射部分为光电管阴极，光电子从阴极到达光电管阳极，光电子形成的电信号很微弱，电源对该电信号进行调整使放大电路部分导通，则光电管阳极接电源正极，故a端为电源正极，故C正确，D错误。 6.某同学欲探测某种环境下是否有频率高于7.73×1014 Hz的电磁波辐射，利用光电效应现象自制了一个探测器，如图所示。当环境中含有高于此频率的电磁波时灵敏电流表有示数。下表给出了几种金属的极限频率。则(　　) 金属 钨 钙 钠 钾 铷 νc/(×1014 Hz) 10.95 7.73 5.53 5.44 5.15 A.发生光电效应的金属板应该选用金属钙 B．如果发生光电效应的金属板选择金属钠，则电流表有示数时，环境中一定含有频率高于7.73×1014 Hz的电磁波 C．要想提高仪器的灵敏度，电流表选灵敏一些的，两板间距选适当大一些的 D．如果在两板间加上“左正右负”的电压，效果会更好 答案　A 解析　根据题表数据可知金属钙的极限频率为7.73×1014 Hz，只有当环境中含有频率高于7.73×1014 Hz的电磁波辐射时，才能使光电子从钙板中逸出，从而使灵敏电流表有示数，所以发生光电效应的金属板应该选用金属钙，故A正确；根据题表数据可知金属钠的极限频率为5.53×1014 Hz，如果发生光电效应的金属板选择金属钠，则电流表有示数时，环境中一定含有频率高于5.53×1014 Hz的电磁波，不一定含有频率高于7.73×1014 Hz的电磁波，故B错误；要想提高仪器的灵敏度，电流表选灵敏一些的，且为了使光电子更易到达阳极，两板间距应选适当小一些的，故C错误；如果在两板间加上“左正右负”的电压，光电子受到向左的电场力，更难到达阳极，效果会更差，故D错误。 7.某同学采用如图所示的实验装置研究光电效应现象。当用某单色光照射光电管的阴极K时，会发生光电效应现象。闭合开关S，在阳极A和阴极K之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压，直至电流表中电流恰为零，此时电压表的电压值U称为遏止电压。现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极，测量到遏止电压分别为U1和U2，设电子质量为m、电荷量为e，则下列说法中正确的是(　　) A．用频率为ν1的光照射时，光电子的最大初速度v＝ B．阴极K金属的逸出功W0＝eU1 C．阴极K金属的极限频率νc＝ D．普朗克常量h＝ 答案　D 解析　当用频率为ν1的光照射时，根据动能定理得－eU1＝0－mv2，解得光电子的最大初速度v＝，A错误；根据爱因斯坦光电效应方程得eU1＝hν1－W0，解得阴极K金属的逸出功W0＝hν1－eU1，B错误；根据爱因斯坦光电效应方程有eU1＝hν1－hνc，eU2＝hν2－hνc，联立解得普朗克常量h＝，阴极K金属的极限频率νc＝，C错误，D正确。 8.(多选)用甲、乙两种不同的金属做光电效应实验，得到两条光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线，如图所示。则(　　) A．甲、乙两图线的斜率不一定相同 B．甲、乙两图线一定平行 C．同种光照射金属乙时能发生光电效应，则照射金属甲时一定能发生光电效应 D．甲金属的逸出功大于乙金属的逸出功 答案　BC 解析　根据Ek＝hν－W0可知，Ek­ν图线斜率k＝h，则题图中甲、乙两图线的斜率一定相同且为普朗克常量，甲、乙两图线一定平行，A错误，B正确；当ν一定且大于ν2时，根据题图像有Ek甲>Ek乙，可得W0甲<W0乙，根据νc＝可知νc甲<νc乙，则同种光照射金属乙时能发生光电效应，说明该光的频率大于金属乙的极限频率，也一定大于金属甲的极限频率，则该光照射金属甲时一定能发生光电效应，C正确，D错误。 9.用如图所示的实验装置探究光电效应的规律，如果用频率为ν的某种单色光照射某种金属，发生光电效应，现使入射光的频率变为原来的2倍，遏止电压变为原来的2.5倍，则该种金属的极限频率为(　　) A.ν B.ν C.ν D．ν 答案　B 解析　设该种金属的极限频率为νc，用频率为ν的光照射时，根据爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－hνc，电子向A极板运动时，根据动能定理得0－Ek＝－eUc，联立得eUc＝hν－hνc，若用频率为2ν的光照射时，同理得2.5eUc＝2hν－hνc，联立得νc＝ν，故B正确。 10．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果。美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖。假设一个光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，如图所示，则下列说法正确的是(　　) A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律 B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率ν C．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度 D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长 答案　D 解析　光子与电子碰撞过程中，系统所受的合外力为零，碰撞过程遵循动量守恒定律，A错误；由于光子与电子碰撞时，光子的部分动量转移给了电子，所以光子动量一定减小，根据公式λ＝可知，图中碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长，根据爱因斯坦相对论的光速不变原理，光子的速度为c，碰撞前后不变，则碰撞后光子频率ν′一定小于碰撞前光子频率ν，B、C错误，D正确。 11．如图为新型火灾报警装置的核心部件紫外线光电管，所接电源电压为U，火灾时产生的波长为λ的光照射到逸出功为W0的阴极材料K上产生光电子，且光电子能全部到达阳极A，回路中形成电流I，从而触发火灾报警器，已知普朗克常量为h，电子的电荷量为e，光速为c。下列说法正确的是(　　) A．火灾中激发出光电子的光的频率为 B．阴极K上单位时间产生的光电子数为Ie C．光电管阴极K接受到光照用于激发光电子的功率为 D．光电子经电场加速后到达阳极A时的最大动能为－W0 答案　C 解析　根据c＝λν，解得火灾中激发出光电子的光的频率为ν＝，A错误；根据I＝，n＝，解得阴极K上单位时间产生的光电子数为n′＝＝，B错误；光电管阴极K接受到光照用于激发光电子的功率P＝n′ε，又ε＝hν＝h，解得P＝，C正确；光电子逸出阴极K时的最大初动能Ekmax1＝hν－W0，在电场中加速过程由动能定理有eU＝Ekmax2－Ekmax1，联立解得到达阳极A时的最大动能Ekmax2＝eU＋－W0，D错误。 12．(多选)太阳帆飞船可利用太阳光的压力进行加速，节省燃料。设想未来有一艘质量为m的太阳帆飞船，假如仅在太阳光子的作用下在太空中运行，其帆面与太阳光垂直。设帆能100%地反射太阳光，帆的面积为S，且单位面积上每秒接受到的太阳辐射能量为E，已知太阳辐射的光子的波长均近似取为λ。不计太阳光反射时频率的变化，已知普朗克常量为h，光速为c，则下列说法正确的是(　　) A．射向飞船的每个光子的平均动量为 B．光子被反射后，光子速度略有降低 C．每秒射到帆面上的光子数为 D．飞船得到的加速度为 答案　AD 解析　射向飞船的每个光子的平均动量为p＝，A正确；根据相对论的光速不变原理，光子被反射后，光子速度仍然是光速c，B错误；射向飞船的每个光子的平均能量为E0＝h，单位面积上每秒接受到的光子数为n＝＝，每秒射到帆面上的光子数为N＝nS＝，C错误；在Δt时间内，根据动量定理，飞船受到太阳光的作用力为F＝＝，根据牛顿第二定律得飞船得到的加速度为a＝＝，D正确。 13．如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，实验测得流过电流表的电流I与A、K两极之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h＝6.63×10－34 J·s，电子的电量e＝1.60×10－19 C，光速c＝3×108 m/s。结合图像，求： (1)每秒钟阴极发射的光电子数； (2)光电子飞出阴极K时的最大动能为多少焦耳？ (3)该阴极材料的极限频率(计算结果保留两位有效数字)。 答案　(1)6.0×1012　(2)1.44×10－19 J (3)3.8×1014 Hz 解析　(1)每秒钟阴极发射的光电子个数： N＝＝＝6.0×1012。 (2)光电子飞出阴极K时的最大初动能： Ek＝eUc＝0.9 eV＝1.44×10－19 J。 (3)由爱因斯坦光电效应方程可得： Ek＝h－hνc 代入数据解得该阴极材料的极限频率： νc＝3.8×1014 Hz。 14 学科网（北京）股份有限公司 $$