高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应优秀习题

4.2光电效应

基础导学

要点一、光电效应

（一）光电效应的实验规律

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(填“能”或“不”)发生光电效应；

(2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大；

(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，且满足mevc2＝eUc；

(4)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的。

（二）光电效应经典解释中的疑难

1．逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的最小值，用W0表示。不同种类的金属，其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)。

2．光电效应经典解释

(1)不应存在截止频率；

(2)遏止电压Uc应该与光的强弱有关；

(3)电子获得逸出表面所需的能量需要的时间远远大于实验中产生光电流的时间；

（三）爱因斯坦的光电效应理论

1．光子：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，其中h为普朗克常量，这些能量子后来称为光子。

2．爱因斯坦光电效应方程

(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0，

(2)物理意义：金属中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W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能Ek。

(3)Uc与ν、W0的关系

①表达式：Uc＝ν－；

②图像：Uc－ν图像是一条斜率为的直线。

要点二、康普顿效应　光的波粒二象性

（一）康普顿效应和光子的动量

1．康普顿效应：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。

2．光子的动量

(1)表达式：p＝.

(2)说明：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，光子的动量可能变小．因此，有些光子散射后波长变大。

（二）光的波粒二象性

光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

要点突破

突破一：光电效应

1．光电效应的实验规律

(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于等于这个截止频率才能发生光电效应，低于这个截止频率则不能发生光电效应。

(2)发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大。

(3)大于截止频率的光照射金属时，光电流(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比。

(4)光电效应的发生几乎是瞬时的，产生电流的时间不超过10－9 s。

2．光电效应实验相关概念的理解

(1)光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。

(2)饱和电流

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，这个饱和值是饱和电流，在一定条件下，饱和电流与所加电压大小无关，只与入射光的强度有关。入射光越强，饱和电流越大。即：入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。

(3)遏止电压　截止频率　逸出功

①遏止电压：使光电流减小到零的反向电压．用符号Uc表示．

计算方法：－eUc＝0－Ek

遏止电压与入射光的频率有关．入射光的频率不变，遏止电压不变，入射光的频率改变，遏止电压改变．这表明光电子的能量只与入射光的频率有关。

②截止频率：能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫作该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的截止频率。

③逸出功：电子从金属中挣脱出来，要克服金属表面层的一种力做功，电子脱离某种金属所需做功的最小值叫作这种金属的逸出功，不同金属的逸出功不同。

3.光电效应方程的理解

（1）方程中的是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是范围内的任何数值。

（2）光电效应方程实质上是能量守恒方程。能量为的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为，则电子离开金属表面时动能最大为，根据能量守恒定律可知：。

（3）光电效应方程包含了产生光电效应的条件。若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即，亦即，，而恰好是光电效应的截止频率。

4、光电效应几种图像的对比

5、光电效应规律中的两条线索、两个关系

（1）两条线索

（2）两个关系

光强→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→产生光电子的最大初动能大。

6、光电效应与经典电磁理论的矛盾

按光的电磁理论，应有：

(1)不存在截止频率，任何频率的光都能产生光电效应；

(2)光越强，光电子的初动能越大，遏止电压与光的强弱有关；

(3)在光很弱时，放出电子的时间应远大于10－9 s；

显然这三条与光电效应的实验规律相矛盾。

突破二：爱因斯坦的光电效应理论

1．光子说：光子说的提出说明了光是由光子组成的，光子的能量ε＝hν，决定于光的频率，光的强度与光子的数目有关，在频率一定的情况下，光越强，单位时间内单位面积上的光子数越多。

2．光电效应方程：Ek＝hν－W0

(1)式中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值；

(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程；

①能量为ε＝hν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的初动能；

②如要克服吸引力做功最少为W0，则电子离开金属表面时动能最大为Ek，根据能量守恒定律可知：Ek＝hν－W0；

3．光子说对光电效应的解释

(1)饱和电流与光照强度的关系：同种频率的光，光照强度越大，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子越多，因而饱和电流越大；

(2)存在截止频率和遏止电压：

①由爱因斯坦光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光强无关，所以遏止电压由入射光频率决定，与光强无关；

②若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek＝hν－W0>0，亦即hν>W0，ν>＝νc，而νc＝恰好是光电效应的截止频率；

突破三：康普顿效应　光的波粒二象性

（一）康普顿效应的意义：康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。

（二）光的波粒二象性

1．光的波动性实验基础：光的干涉和衍射。

2．光的粒子性

(1)实验基础：光电效应、康普顿效应；

(2)表现：①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质；②少量或个别光子容易显示出光的粒子性。

1.光本性学说的发展简史

2.对光的波粒二象性的理解

典例精析

题型一：光电效应

例一．如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，颜色相同的a、b两束光分别照射1、2两种材料，光电流I随电压U变化关系如图所示，则下列说法正确的是（　　）

A．a、b光的频率 B．a、b两光的光照强度相同

C．光电子的最大初动能 D．材料1、2的截止频率

变式迁移1：关于能量，下列说法不正确的是（　　）

A．普朗克提出“振动者的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍”，从而建立了“能量量子化”观点

B．我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，这种辐射与温度无关

C．爱因斯坦指出“光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个不可分割的能量子组成的”

D．能量耗散是指耗散在环境中的内能很难被人类利用，并不违背能量守恒定律

题型二：康普顿效应　光的波粒二象性

例二．下列说法正确的是（　　）

A．平均速度、瞬时速度和加速度等描述运动所需的概念是伽利略首先建立的

B．牛顿在前人研究的基础上发现了万有引力定律，并“称”出了地球的质量

C．光电效应现象由爱因斯坦发现，并对其做出了正确的解释

D．光电效应揭示了光的粒子性，证明了光子除了能量之外还具有动量

变式迁移2：光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的方向而发生散射，康普顿对散射的解释为（　　）

A．虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变

B．由于电子受碰撞后得到动量，散射后的光子频率低于入射光的频率

C．入射光引起物质内电子做受迫振动，而从入射光中吸收能量后再释放，释放出的散射光频率不变

D．光子从电子处获得能量，因而频率增大

强化训练

一、选择题

1、如图所示，用频率为和的甲、乙两种光分别照射同一光电管，对应的遏止电压分别为U1和U2.已知，则（　　）

A．遏止电压

B．用甲、乙光分别照射时，金属的截止频率不同

C．增加乙光的强度，遏止电压U2变大

D．滑动变阻器滑片P移至最左端，电流表示数不为零

2、为了将SI单位中的7个基本单位全部建立在不变的自然常数基础上，2018年11月16日，第26届国际计量大会通过投票，自2019年5月20日起，千克将基于普朗克常数定义，即。由所学知识，可以推断出a、b的数值分别为（　　）

A． B． C． D．

3、下列说法不正确的是（　　）

A．只有温度高的物体才会有热辐射

B．黑体可以向外界辐射能量

C．黑体也可以看起来很明亮，是因为黑体也可以有较强的辐射

D．普朗克引入能量子的概念得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元

4、 2015年中国发射卫星“悟空”，用来探测暗物质粒子和黑洞。黑洞是黑体的一种，关于黑体，下列说法正确的是 （　　）

A．外表面涂成黑色的物体就是黑体

B．黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波

C．在空腔壁上开一个很小的孔，射入孔的电磁波最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就成了黑体

D．玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说

5、下列说法不正确的是（　　）

A．普朗克提出能量子的概念

B．麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在

C．电磁波是一种物质，可以在真空中传播

D．变化的电场周围一定产生磁场，变化的磁场周围一定产生电场

6、电磁波在日常生活和生产中已经被大量应用，下列有关电磁波的说法正确的是（　　）

A．微波比可见光的波长大

B．麦克斯韦证实了电磁波的存在

C．变化的电场周围一定产生电磁波

D．黑体辐射电磁波的强度与温度无关

7、如图甲所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。现分别用蓝光、弱黄光、强黄光照射阴极K，形成的光电流与电压的关系图像如图乙示，图中a、b、c光依次为（　　）

A．蓝光、弱黄光、强黄光 B．弱黄光、蓝光、强黄光

C．强黄光、蓝光、弱黄光 D．蓝光、强黄光、弱黄光

8、（2021甘肃金昌一中高三月考）如图所示为用光电管研究光电效应实验的电路图，现用频率为的光照射阴极，电流表中有电流通过，电路中的滑动变阻器的滑动触头为。下列说法正确的是(      )

A.当移动到端时，电流表中一定无电流通过

B.向端滑动的过程，电流表示数可能不变

C.改用频率小于的光照射，电流表中一定有电流通过

D.改用频率大于的光照射，电流表中可能无电流通过

9、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，所得的光电流与光电管两端所加电压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

10、某氦氖激光器发光的功率为P，发射频率为的单色光，真空中光速为c，下列说法正确的是（　　）

A．激光器每秒发射的光子数为

B．每个光子的能量为

C．该单色光在真空中的波长为

D．单色光从空气进入水中后波长变大

11、如图甲，合上开关，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极K，发现电流表读数不为零。调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零，当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。把电路改为图乙，当电压表读数为1.5V时，逸出功W及电子到达阳极时的最大动能Ek为（　　）

A．W=3.1eV   Ek=4.5eV B．W=1.9eV   Ek=2.leV

C．W=1.7eV   Ek=1.9eV D．W=1.5eV   Ek=0.6eV

二、解答题

12、如图所示是研究光电效应规律的电路，图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极， A为阳极，现接通电源，用光子能量为10.5eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数_______（选填“增大”、“不变”或“减小”），当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0V；则光电管阴极材料的逸出功为________ eV，现保持滑片P位置不变，增大入射光的强度，电流计的读数 __________。(选填“为零”、或“不为零”)

13、利用如图甲所示的实验装置观测光电效应，已知实验中测得某种金属的遏止电压Uc与入射频率v之间的关系如图乙所示，电子的电荷量为，求：

（1）普朗克常量h；

（2）该金属的逸出功W0；

（3）若电流表的示数为10 ，则每秒内从阴极发出的光电子数的最小值为多少？