高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性2 光电效应精练

第四章　原子结构和波粒二象性

2　光电效应

基础过关练

题组一　光电效应的实验规律

1.(2020河北正定中学高二下月考)(多选)演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连,用强光灯照射锌板时,验电器的指针就张开一个角度,如图所示,则(　　)

A.验电器的指针带正电

B.验电器的指针带负电

C.增大光的强度,逸出的光电子的最大初动能不变

D.延长光照时间,逸出的光电子的最大初动能变大

2.(多选)已知钙的逸出功是3.20 eV,对此理解正确的是(　　)

A.钙中的电子脱离钙需做功3.20 eV

B.钙表面的电子脱离钙需做功3.20 eV

C.钙只需吸收3.20 eV的能量就有电子逸出

D.入射光子的能量必须大于3.20 eV才能发生光电效应

3.(2020河北邢台高二下期中)关于光电效应,下列说法正确的是(　　)

A.光电效应说明光具有粒子性

B.光电效应说明光具有波动性

C.金属的逸出功和入射光的频率有关

D.入射光越强,单位时间内产生的光电子数越少

4.利用光电管研究光电效应实验如图所示,用频率为ν的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则(　　)

A.用紫外线照射,电流表一定有电流通过

B.用红光照射,电流表一定无电流通过

C.用红外线照射,电流表一定无电流通过

D.用频率为ν的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片P移到A端时,电流表中一定无电流通过

5.(2020天津南开中学高三下测试)(多选)如图所示,在研究光电效应的实验中,发现用一定频率的A单色光照射光电管时,电流表指针会发生偏转,而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应,那么(　　)

A.A光的频率大于B光的频率

B.B光的频率大于A光的频率

C.用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是a流向b

D.用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a

6.(2020河南林州一中高二下调研)如图所示为研究光电效应的电路图。开关闭合后,当用波长为λ0的单色光照射光电管的阴极K时,电流表有示数。下列说法正确的是(　　)

A.若只让滑片P向D端移动,则电流表的示数一定增大

B.若只增加该单色光的强度,则电流表示数一定增大

C.若改用波长小于λ0的单色光照射光电管的阴极K,则阴极K的逸出功变大

D.若改用波长大于λ0的单色光照射光电管的阴极K,则电流表的示数一定为零

题组二　爱因斯坦的光电效应理论

7.(多选)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,入射光的强度变大,饱和电流变大

B.入射光的频率变高,饱和电流变大

C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大

D.保持入射光的强度不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生

8.(2020高三百师联盟山东卷)用频率为ν的光照射某金属时,产生光电子的最大初动能为Ek,若换用频率为2ν的光照射同一金属,所产生光电子的最大初动能(　　)

A.等于Ek　　　　　　　　B.等于2Ek

C.大于Ek　　　　　　　　D.小于Ek

9.(2020吉林实验中学高二上期末)在光电效应实验中,用单色光照射某种金属表面,有光电子逸出,则光电子的最大初动能取决于入射光的(　　)

A.频率　　　　　　　　B.强度

C.照射时间　　　　　　　　D.光子数目

10.爱因斯坦因提出了光电效应理论而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示,其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是(　　)

A.逸出功与ν有关

B.Ekm与入射光强度成正比

C.当ν<ν0时,会逸出光电子

D.图中直线的斜率数值上等于普朗克常量

11.在如图所示的光电效应实验中,光电管阴极K的极限频率为ν0,现用频率为ν(ν>ν0)的光照射在阴极上,若在A、K之间加一数值为U的反向电压时,光电流恰好为零,则下列判断错误的是(　　)

A.阴极材料的逸出功等于hν0

B.有光电子逸出,且光电子的最大初动能可表示为eU

C.有光电子逸出,且光电子的最大初动能可表示为hν-hν0

D.无光电子逸出,因为光电流为零

12.在研究光电效应现象时,先后用两种不同色光照射同一光电管,所得的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示,下列说法正确的是(　　)

A.色光乙的频率小、光强大

B.色光乙的频率大、光强大

C.若色光乙的强度减为原来的一半,无论电压多大,色光乙产生的光电流一定比色光甲产生的光电流小

D.若另一光电管所加的正向电压不变,色光甲能产生光电流,则色光乙一定能产生光电流

题组三　康普顿效应和光子的动量

13.(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应,下列说法正确的是　(　　)

A.康普顿效应说明光具有波动性

B.康普顿效应说明光具有粒子性

C.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加

D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量减少

14.科学研究证明,光子有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ',则碰撞过程中(　　)

A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ'

B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ'

C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ'

D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ'

15.(多选)频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射。下列关于光子散射的说法正确的是(　　)

A.光子改变原来的运动方向,且传播速度变小

B.光子由于在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大

C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长大于入射光子的波长

D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率

题组四　光的波粒二象性

16.下列关于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.光子说完全否定了波动说

D.光电效应说明光具有粒子性

17.有关光的本性,下列说法正确的是(　　)

A.光既具有波动性,又具有粒子性,两种性质是不相容的

B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点

C.光的波粒二象性是指光和经典的波、微粒都很相似

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

能力提升练

题组一　光电效应的实验规律

1.(2020山东潍坊高密高考模拟,)某同学设计了如图所示的电路来研究光电效应现象,结点Q位于滑动变阻器的中点,初始状态时,滑动触头P也恰好位于滑动变阻器的中点。实验过程中,当该同学用绿光照射光电管时,灵敏电流计有示数,下列说法正确的是(深度解析)

A.若换用紫光照射光电管,则电流计的示数一定增大

B.若增大绿光的光照强度,则电流计的示数一定增大

C.若将滑动触头P向右滑动,则电流计的示数一定不断增大

D.若将滑动触头P向左滑动,则电流计的示数一定能减小为0

题组二　爱因斯坦光电效应方程的应用

2.()(多选)对光电效应的理解正确的是(　　)

A.金属钠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

B.在光电效应中,一个电子只能吸收一个光子

C.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

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

3.(2020湖北武汉华中师大一附中高二下期中,)分别用波长为λ和λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为2∶3,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为(　　)

A.　　　　　　　　B.

C.　　　　　　　　D.

4.(2020山东新高考模拟,)(多选)利用如图所示的电路研究光电效应现象,其中电极K由金属钾制成,其逸出功为2.25 eV。用某一频率的光照射时,逸出光电子的最大初动能为1.50 eV,电流表的示数为I。已知普朗克常量约为6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是(　　)

A.金属钾发生光电效应的截止频率约为5.5×1014 Hz

B.若入射光频率加倍,光电子的最大初动能变为3.00 eV

C.若入射光频率加倍,电流表的示数变为2I

D.若入射光频率加倍,遏止电压的大小将变为5.25 V

5.(2020江苏如皋中学高二下调研,)(多选)某实验小组用图甲所示的电路研究a、b两种单色光的光电效应规律,通过实验得到的光电流I与电压U的关系如图乙所示。则(　　)

A.a种光的频率小于b种光的频率

B.在a、b两种单色光照射下,阴极K的逸出功相同

C.a、b两种光照射出的光电子的最大初动能相等

D.若仅增大a种单色光的入射强度,与a种单色光对应的饱和电流将增大

6.(2020河南洛阳高二下期中,)著名的物理学家密立根以精湛的技术测量光电效应中金属的遏止电压Uc与入射光的频率ν,由此求出普朗克常量h。下表是他在一次实验中测得某金属的Uc和ν的几组数据,现已根据表中数据作出Uc-ν图像如图所示,试由图像求出:

(1)这种金属的截止频率约为　　　　　　Hz;(保留三位有效数字) 

(2)普朗克常量h=　　　　J·s。(保留两位有效数字)(已知元电荷e=1.60×10-19 C) 

答案全解全析

基础过关练

1.AC　因为在发生光电效应的过程中,从锌板中逸出电子,故此时锌板带正电,验电器也带正电,选项A正确,B错误;光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度和照射时间无关,选项C正确,D错误。

2.BD　逸出功是使电子脱离某种金属所做功的最小值,它等于金属表面的电子脱离金属所做的功,故A错误,B正确;钙中的电子至少吸收3.20 eV的能量才可能逸出,C错误;由光电效应发生的条件知,D正确。

3.A　光电效应现象揭示了光具有粒子性,故A正确,B错误;金属的逸出功由金属本身决定,增大或减小入射光的频率,金属的逸出功不变,故C错误;当入射光的频率大于极限频率时,入射光越强,单位时间内照射到金属表面的光子数越多,产生的光电子数越多,故D错误。

4.A　因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,选项A正确。因不知阴极K的截止频率,所以用红光或红外线照射时,也可能发生光电效应,电流表中可能有电流通过,选项B、C错误。即使UAK=0,电流表中也可能有电流通过,选项D错误。

5.AC　用一定频率的A单色光照射光电管时,电流表指针会发生偏转,知νA大于极限频率,用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应,知νB小于极限频率,所以A光的频率大于B光的频率,故A正确,B错误;发生光电效应时,电子从光电管右端运动到左端,而电流的方向与电子定向移动的方向相反,所以流过电流表G的电流方向是a流向b,故C正确,D错误。

6.B　电路所加电压为正向电压,如果电流达到饱和值,增加电压,电流也不会增大,故A错误;只增加单色光强度,相同时间内逸出的光电子数增多,电流增大,故B正确;金属的逸出功只与金属自身有关,与入射光无关,故C错误;改用波长大于λ0的单色光照射,虽然光子的能量变小,但也可能发生光电效应,可能有电流,故D错误。

7.AC　根据光电效应规律,保持入射光的频率不变,入射光的强度变大,则饱和电流变大,选项A正确;由爱因斯坦光电效应方程知,入射光的频率变高,产生的光电子的最大初动能变大,而饱和电流与入射光的频率和强度都有关,选项B错误,C正确;保持入射光的强度不变,不断减小入射光的频率,当入射光的频率小于极限频率时,不能发生光电效应,没有光电流产生,选项D错误。

8.C　由爱因斯坦光电效应方程知Ek=hν-W0,若换用频率为2ν的光照射后,最大初动能Ek'=2hν-W0>2(hν-W0),即Ek'>2Ek,故C正确。

9.A　根据爱因斯坦的光电效应方程:Ek=hν-W0,光电子的最大初动能只与入射光的频率有关,与其他无关,故A正确,B、C、D错误。

10.D　金属的逸出功只和金属本身有关,与入射光的频率无关,A错误;由图可知,光电子的最大初动能取决于入射光的频率,而与入射光的强度无关,B错误;由图可知,只有ν>ν0时才会发生光电效应,C错误;由爱因斯坦光电效应方程得Ekm=hν-W0,可见图像的斜率大小等于普朗克常量,D正确。

11.D　阴极材料的逸出功W0=hν0,选项A正确;由于入射光的频率ν>ν0,则能发生光电效应,有光电子逸出,选项D错误;A、K间加的是反向电压,电子逸出后要做减速运动,当速度最大的光电子运动到A端速度为零时,光电流恰好为零,由动能定理得-eU=0-Ekm,则Ekm=eU,选项B正确;由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W0,可得Ekm=hν-hν0,选项C正确。

12.D　由题中图像可得用色光乙照射光电管时遏止电压大,其逸出的光电子最大初动能大,所以色光乙的频率大,光子的能量大。由题中图像可知,色光甲的饱和电流大于色光乙的饱和电流,故色光甲的光强大于色光乙的光强,A、B错误;若色光乙的强度减半,当所加反向电压大于Uc1且小于Uc2时,色光乙产生的光电流比色光甲产生的光电流大,C错误;因色光乙的频率大于色光甲的频率,故另一个光电管加一定的正向电压,如果色光甲能使该光电管产生光电流,则色光乙一定能使该光电管产生光电流,故D正确。

13.BD　康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应,说明了光具有粒子性。在散射过程中,X射线的光子与晶体中的电子碰撞时遵循动量守恒定律和能量守恒定律,可知光子与晶体中的电子碰撞后,其能量减少,故B、D正确,A、C错误。

14.C　光子与电子碰撞过程中,能量守恒,动量也守恒,因光子撞击电子的过程中光子将一部分能量传递给电子,光子的能量减少,由E=可知,光子的波长变大,即λ'>λ,故C正确。

15.CD　碰撞后光子改变原来的运动方向,但传播速度不变,故A错误;光子由于在与电子碰撞中损失能量,因而频率减小,即ν>ν',再由c=λ1ν=λ2ν',得到λ1<λ2,故B错误,C、D正确。

16.D　一切光都具有波粒二象性,光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性,有些行为(如光电效应)表现出粒子性,所以,不能说有的光是波,有的光是粒子,故A错误。电子是组成原子的粒子,有确定的静止质量,是一种物质实体,速度可以低于光速,光子代表着一份能量,没有静止质量,速度永远是光速,故B错误。光子说的确立,没有完全否定波动说,而是使人们对光的本性认识更完善,光既有波动性,又有粒子性,光具有波粒二象性,故C错误。光电效应说明光具有粒子性,故D正确。

17.D　光既具有波动性,又具有粒子性,但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子,故C错误;波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现,是同一客体的两个不同侧面、不同属性,我们无法只用其中的一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性,故A、B错误,D正确。

能力提升练

1.B　光的强弱影响单位时间内发出光电子的数目,换用紫光照射光电管,电流计的示数不一定增大,故A错误;增大入射光强度则单位时间内产生的光电子数增加,保持滑动变阻器触头位置不变,若增大绿光的光照强度,则电流计的示数一定增大,故B正确;将滑动触头P向右滑动,光电管两侧接入的是正向电压,当电路中的光电流达到饱和值时,滑动变阻器的触头再向右滑动,电流计的示数不发生变化,故C错误;将滑动触头P向左滑动,光电管两侧接入的是反向电压,则电流计的示数减小,但只有当反向电压大于遏止电压时,电流才能减小到0,故D错误。

名师点睛

此题考查光电效应实验规律,关键是知道入射光的强度决定着单位时间内发射光电子的个数,入射光的频率决定着光电子的最大初动能;还要知道饱和电流与入射光的频率、强度的关系,饱和电流与正向电压的关系,最大初动能与遏止电压的关系等。

2.BC　按照爱因斯坦的理论,光子的能量由光的频率决定,与光强无关,入射光的频率越大,发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大;但要使电子脱离金属,电子必须具有足够的能量,而电子增加的能量只能来源于照射光的光子能量,且一个电子只能吸收一个光子,不能同时吸收多个光子,所以光子的能量小于金属的逸出功时便不能产生光电效应现象,逸出功等于金属表面的电子克服原子核的引力向外逸出所做的最小功。综上所述,选项B、C正确。

3.A　光子能量为E=,根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子的最大初动能为Ek=-W0,根据题意有λ1=λ,λ2=λ,Ek1∶Ek2=2∶3,联立可得逸出功W0=,故A正确。

4.AD　设金属钾的截止频率为νc,由W0=hνc解得νc=5.5×1014 Hz,故选项A正确;由光电效应方程Ek=hν-W0可知,若入射光的频率加倍,而W0不变,光电子的最大初动能并不加倍,故选项B错误;若入射光的频率加倍,电流表的示数不一定是原来的2倍,故选项C错误;由Ek=hν-W0知入射光子的能量为hν=3.75 eV,若入射光的频率加倍,则Ek=2hν-W0=5.25 eV,而eUc=Ek,所以遏止电压Uc=5.25 V,故选项D正确。

5.ABD　同一金属的极限频率相同,逸出功相同,故B正确;由图可知,单色光b照射时遏止电压较大,根据Ekm=eUc可知,b光照射时产生的光电子的最大初动能较大,根据光电效应方程Ekm=hν-W0得b光的频率大于a光的频率,故A正确,C错误;若仅增大a种单色光的入射强度,单位时间内逸出的光电子数增多,因此饱和电流将增大,故D正确。

6.答案　(1)4.30×1014　(2)6.7×10-34

解析　(1)金属的逸出功W0=hνc,光电子的最大初动能Ekm=Uce=hν-W0,由图像可知,当ν=4.30×1014 Hz时,Uc=0,即0=h(4.30×1014 Hz-νc),解得νc=4.30×1014 Hz,即金属的截止频率约为4.30×1014 Hz。

(2)由Uc=ν-,可得Uc-ν图像斜率k=,则有h=ke,即h=×1.6×10-19 J·s=6.7×10-34 J·s。