人教版高中物理（選擇性必修三）同步講義+練習(xí)4.2光電效應(yīng)（含解析）

4.2光電效應(yīng)知識點(diǎn)一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象．2．光電子：光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子．3光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在截止頻率：當(dāng)入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不(填“能”或“不”)發(fā)生光電效應(yīng)．(2)存在飽和電流：在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大．(3)存在遏止電壓：使光電流減小到0的反向電壓Uc，且滿足eq\f(1,2)mevc2＝eUc.(4)光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性：光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的．知識點(diǎn)二、愛因斯坦的光電效應(yīng)理論光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，其中h為普朗克常量．這些能量子后來稱為光子．2．逸出功：使電子脫離某種金屬，外界對它做功的最小值，用W0表示．不同種類的金屬，其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)．3．愛因斯坦光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.(2)物理意義：金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν，在這些能量中，一部分大小為W0的能量被電子用來脫離金屬，剩下的是逸出后電子的初動(dòng)能Ek.(3)Uc與ν、W0的關(guān)系①表達(dá)式：Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e).②圖像：Uc－ν圖像是一條斜率為eq\f(h,e)的直線．光電效應(yīng)現(xiàn)象和光電效應(yīng)方程的應(yīng)用(1)能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率.(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光.(3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān).(4)光電子不是光子，而是電子.2.兩條對應(yīng)關(guān)系(1)光強(qiáng)大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大.3.三個(gè)關(guān)系式(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0.(2)最大初動(dòng)能與遏止電壓的關(guān)系：Ek＝eUc.(3)逸出功與極限頻率的關(guān)系W0＝hνc.光電效應(yīng)圖象四類圖象圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc②逸出功：圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的值的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點(diǎn)②飽和光電流Im：光電流的最大值③最大初動(dòng)能：Ek＝eUc顏色不同時(shí)，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動(dòng)能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率νc：圖線與橫軸的交點(diǎn)②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke.(注：此時(shí)兩極之間接反向電壓)知識點(diǎn)三、康普頓效應(yīng)(1)光的散射光子在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫作光的散射。(2)康普頓效應(yīng)美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。(3)康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動(dòng)量，深入揭示了光的粒子性的一面。(4)光子的動(dòng)量①表達(dá)式：p＝eq\f(h,λ)。②說明：在康普頓效應(yīng)中，入射光子與晶體中電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子的動(dòng)量變小。因此，有些光子散射后波長變大。知識點(diǎn)四、光的波粒二象粒(1)光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。(2)光子的能量ε＝hν，光子的動(dòng)量p＝eq\f(h,λ)。如圖，將潔凈的鋅板用導(dǎo)線連接在驗(yàn)電器上，用紫外線燈照射鋅板時(shí)，觀察到驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此時(shí)（）A．有光電子從鋅板表面逸出，驗(yàn)電器帶正電 B．有光電子從鋅板表面逸出，驗(yàn)電器帶負(fù)電 C．有正離子從鋅板表面逸出，驗(yàn)電器帶正電 D．有正離子從鋅板表面逸出，驗(yàn)電器帶負(fù)電【解答】解：用紫外線照射鋅板，觀察到驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明發(fā)生了光電效應(yīng)，由光電子從鋅板逸出，鋅板失去電子帶正電，驗(yàn)電器與鋅板相連，則驗(yàn)電器的金屬球和金屬指針帶正電，故A正確，BCD錯(cuò)誤；故選：A。（2022春?肇慶月考）如圖甲所示，陰極K和陽極A是密封在真空玻璃管中的兩個(gè)電極，陰極K在受到光照時(shí)能夠發(fā)射光電子。陰極K與陽極A之間電壓U的大小可以調(diào)整，電源的正負(fù)極也可以對調(diào)。閉合開關(guān)后，陽極A吸收陰極K發(fā)出的光電子，在電路中形成光電流?，F(xiàn)分別用藍(lán)光、弱黃光、強(qiáng)黃光照射陰極K，形成的光電流與電壓的關(guān)系圖像如圖乙示，圖中a、b、c光依次為（）A．藍(lán)光、弱黃光、強(qiáng)黃光 B．弱黃光、藍(lán)光、強(qiáng)黃光 C．強(qiáng)黃光、藍(lán)光、弱黃光 D．藍(lán)光、強(qiáng)黃光、弱黃光【解答】解：設(shè)遏止電壓為Uc，由動(dòng)能定理eUc＝Ek＝hν﹣W0可知，對于同一種金屬W0不變，遏止電壓與入射光的頻率有關(guān)。對于一定頻率的光，無論光的強(qiáng)弱如何，截止電壓都是一樣的，故a、c是同種顏色的光，在光的頻率不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，a為強(qiáng)黃光，c為弱黃光。b的遏止電壓最大，故b光的頻率最大，為藍(lán)光。故ABD錯(cuò)誤，C正確；故選：C。（2023?洪山區(qū)校級三模）如圖所示為研究光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的電路圖。初始時(shí)刻，滑動(dòng)觸頭P在O點(diǎn)左側(cè)靠近a點(diǎn)某位置；用一定強(qiáng)度的綠光照射光電管K極，當(dāng)閉合開關(guān)后，微安表的示數(shù)不為0，則在P向b端移動(dòng)的過程中（）A．微安表的示數(shù)不斷增大 B．微安表的示數(shù)可能為零 C．到達(dá)A端的光電子動(dòng)能不斷增大 D．K端逸出的光電子的最大初動(dòng)能不斷增大【解答】解：AB．在P向b端移動(dòng)的過程中，在到達(dá)O點(diǎn)之前，A極電勢低于B極電勢，此時(shí)相當(dāng)于電源反接，隨著P靠近O，電壓減小，故電場力做的負(fù)功越來越少，微安表的示數(shù)增大；過了O點(diǎn)之后，A極電勢高于B極電勢，此時(shí)相當(dāng)于電源正接，電場力對光電子做正功，微安表的示數(shù)增大，但微安表的示數(shù)增大到一定程度后達(dá)到飽和光電流不再增大，故AB錯(cuò)誤；C．A極電勢逐漸升高，P到達(dá)O點(diǎn)前電場力對光電子做的負(fù)功減小，過了O點(diǎn)后正功逐漸增大，根據(jù)動(dòng)能定理可知到達(dá)A端的光電子動(dòng)能不斷增大，故C正確；D．根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν﹣W0可知K端逸出的光電子的最大初動(dòng)能不變，故D錯(cuò)誤。故選：C。（2022春?徐州期末）在研究石墨對X射線的散射時(shí)，康普頓發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分。這些波長大于λ0的成分與入射的X射線相比（）A．能量增大 B．動(dòng)量增大 C．波速減小 D．頻率減小【解答】解：電磁波在真空中傳播速度v不變，X射線光子的能量和動(dòng)量分別為ε=?ν=?vλ，p=?λ，則可知這些波長大于λ0的成分與入射的X射線相比，頻率故選：D。用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。閉合開關(guān)S，用頻率為ν的光照射光電管時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象，圖線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為（a，0），與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為（0，﹣b），下列說法中正確的是（）A．普朗克常量為h=bB．?dāng)嚅_開關(guān)S后，電流表G的示數(shù)為零 C．僅增加照射光的強(qiáng)度，光電子的最大初動(dòng)能將增大 D．保持照射光強(qiáng)度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變【解答】解：A、根據(jù)Ekm＝hv﹣W0得，縱軸截距的絕對值等于金屬的逸出功，等于b。當(dāng)最大初動(dòng)能為零時(shí)，入射光的頻率等于截止頻率，所以金屬的截止頻率為ν0＝a，那么普朗克常量為h=bB、電鍵S斷開后，因光電效應(yīng)現(xiàn)象中，光電子存在最大初動(dòng)能，因此電流表G的示數(shù)不為零，故B錯(cuò)誤。C、根據(jù)光電效應(yīng)方程可知，入射光的頻率與最大初動(dòng)能有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)。故C錯(cuò)誤。D、若保持照射光強(qiáng)度不變，僅提高照射光頻率，則光子數(shù)目減小，那么電流表G的示數(shù)變小。故D錯(cuò)誤。故選：A。從1907年起，密立根就開始測量金屬的遏止電壓Uc（即圖甲所示的電路中電流表G的讀數(shù)減小到零時(shí)加在電極K、A之間的反向電壓）與入射光的頻率ν，由此算出普朗克常量h。按照密立根的方法我們利用圖示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了某金屬的Uc﹣ν圖像如圖乙所示。下列說法正確的是（）A．該金屬的截止頻率約為4.30×1014Hz B．該金屬的截止頻率約為5.50×1014Hz C．該圖線的斜率為普朗克常量 D．該圖線的斜率為這種金屬的逸出功【解答】解：CD、設(shè)金屬的逸出功為W0，根據(jù)動(dòng)能定理，光電子的最大初動(dòng)能Ek與遏止電壓Uc的關(guān)系是Ek＝eUc，光電效應(yīng)方程為Ek＝hν﹣W0，聯(lián)立可得Uc=?eν?W0e，故UAB、當(dāng)Uc＝0時(shí)，ν=W0?=νc，由題圖可知，此時(shí)ν＝4.30X10故選：A。用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置觀測光電效應(yīng)，已知實(shí)驗(yàn)中測得某種金屬的遏止電壓Uc與入射光的頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，圖像的橫縱截距分別為v1、﹣U1，電子電量為e，求：普朗克常量h和該金屬的逸出功W0。【解答】解：（1）由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知hν＝Ekm+W0截止電壓與最大初動(dòng)能的關(guān)系eUc＝Ekm聯(lián)立得：Uc=?e可知圖像的斜率和縱截距k=b=?從圖中可知k=b＝﹣U1普朗克常量h＝eU該金屬的逸出功W0＝eU1（2023?東城區(qū)模擬）如圖所示，電源的電動(dòng)勢均為E，內(nèi)阻不計(jì)，光電管的陰極K用極限波長為λ0的材料制成。將開關(guān)S閉合，將波長為λ的激光射向陰極，通過改變光電管A和陰極K之間的電壓，可測得相應(yīng)光電流的飽和值，已知普朗克常量h，電子電荷量e。（1）該金屬材料的逸出功W；（2）求由K極發(fā)射的光電子的最大初動(dòng)能Ekm；（3）當(dāng)陽極A和陰極K之間的電壓為U1時(shí)，求電子到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能Ek?！窘獯稹拷猓海?）金屬的逸出功：W＝hγ0=（2）根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，可知由K極逸出光電子的最大初動(dòng)能為：Ekm＝hγ﹣W=（3）開關(guān)S接1時(shí)，為正向電壓，當(dāng)陽極A和陰極K之間的電壓為U1時(shí)，根據(jù)動(dòng)能定理有：U1e＝Ekm﹣Ek解得：E圖中各儀器均完好，有一束單色光照射到光電管的陰極上，閉合開關(guān)后，即使將可變電阻R的阻值調(diào)為零，檢流計(jì)中仍無電流通過，電路中沒有光電流的原因可能是（）A．入射光線的強(qiáng)度不夠 B．照射時(shí)間不夠長 C．電源的正負(fù)極接反了 D．入射光的波長不夠短【解答】解：由題目電路圖可知，光電管兩端是接入的正向電壓，當(dāng)將可變電阻R的阻值調(diào)為零，即正向電壓達(dá)到最大，檢流計(jì)G中仍無電流通過，說明光電管中沒有光電子逸出，即沒有發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，只有增大入射光的頻率，也可縮短入射光的波長，光電效應(yīng)現(xiàn)象能否發(fā)生與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)，與光照時(shí)間長短無關(guān)，但與電源的反向電壓有關(guān)，故ABC錯(cuò)誤，D正確；故選：D。假設(shè)一個(gè)沿著一定方向運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)靜止的自由電子相互碰撞后，電子向某一方向運(yùn)動(dòng)，光子沿另一方向散射出去，則這個(gè)散射光子跟原來的光子相比（）A．頻率變大 B．速度變小 C．光子動(dòng)量變大 D．波長變長【解答】解：A、光子與電子碰撞后，電子能量增加，故光子能量減小，根據(jù)E＝hν，光子的頻率減小；故A錯(cuò)誤B、碰撞前、后的光子速度不變，故B錯(cuò)誤C、當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，則動(dòng)量減小，故C錯(cuò)誤。D、當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，則動(dòng)量減小，根據(jù)λ=?故選：D。（2023?津市市校級開學(xué)）用圖甲所示電路可以研究光電效應(yīng)中電子的發(fā)射情況與光照強(qiáng)弱、光頻率等物理量間的關(guān)系（圖中電源極性可對調(diào)）。圖乙所示為a、b、c三種光照下得到的三條光電流I與A極、K極間電壓UAK的關(guān)系圖線。下列說法正確的是（）A．若開關(guān)閉合時(shí)電流表有示數(shù)，則開關(guān)斷開時(shí)電流表示數(shù)為0 B．若想測量飽和電流，則圖甲中電源極性需要對調(diào) C．若b是黃光，則a可能是藍(lán)光 D．b、c是同種顏色的光，b的光強(qiáng)比c的光強(qiáng)大【解答】解：A．開關(guān)閉合時(shí)電流表有示數(shù)，說明入射光的頻率大于陰極K的極限頻率，K極有光電子逸出，不加電壓時(shí)，也有光電子到達(dá)A極從而形成光電流，電流表仍有示數(shù)，故A錯(cuò)誤；B．若想測飽和電流，則需要把K極發(fā)射的光電子全部收集到A極上，需要建立方向由A指向K的電場，A極電勢高，接電源正極，故圖甲中電源極性不需要對調(diào)，故B錯(cuò)誤；C．根據(jù)eUc＝Ekm以及光電效應(yīng)方程表達(dá)式：Ekm＝hν﹣W可得ν=同種K極金屬材料的逸出功W一定，可知截止電壓越大，入射光的頻率ν越大，b對應(yīng)的截止電壓大于a對應(yīng)的截止電壓，則a的頻率比b的低，由于藍(lán)光的頻率大于黃光的頻率，若b是黃光，a不可能是藍(lán)光，故C錯(cuò)誤；D．b、c的截止電壓相同，證明光的頻率相同，故是同種顏色的光，b的飽和電流比c的大，b光照射時(shí)單位時(shí)間逸出的光電子數(shù)目多，說明b光單位時(shí)間打到K極的光子數(shù)多，所以b的光強(qiáng)比c的光強(qiáng)大，故D正確。故選：D。（2023春?永勝縣校級期末）如圖所示，分別用功率相同的甲光和乙光照射相同的光電管陰極，甲光的頻率為ν1，乙光的頻率為ν2，ν1＜ν2，產(chǎn)生的光電流I隨陽極與陰極間所加電壓U的變化規(guī)律正確的是（）A． B． C． D．【解答】解：根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程式得：Ek＝hv﹣W0①根據(jù)遏止電壓和最大初動(dòng)能的關(guān)系：eUc＝Ek②聯(lián)立①②得：U由于乙光的頻率大于甲光的頻率，即v2＞v1，由上式知：乙光對應(yīng)的遏止電壓大于甲光所對應(yīng)的遏止電壓。由于甲光和乙光的功率相同，即在單位時(shí)間單位面積上甲光的能量等于乙光的能量，設(shè)甲光的光子個(gè)數(shù)為n1，乙光的光子個(gè)數(shù)為n2，則有：n1hv1＝n2hv2。由于ν1＜ν2，故n1＞n2，即甲光光子個(gè)數(shù)大于乙光光子個(gè)數(shù)，由于光子和光電子是一一對應(yīng)的關(guān)系，所以甲光照射光電管單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子個(gè)數(shù)大于乙光單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電子個(gè)數(shù)，故甲光對應(yīng)的飽和光電流大于乙光對應(yīng)的飽和光電流。滿足此特征的只有C，故選：C。（2021?濰坊二模）如圖所示，是某種火災(zāi)報(bào)警裝置的工作電路圖，它的核心部件為紫外線光電管，其中A為陽極，K為陰極，發(fā)生火災(zāi)時(shí)c、d端有輸出電壓實(shí)施報(bào)警。已知地表附近太陽光中紫外線光子能量介于3.1～3.9eV之間，明火中的紫外線光子能量介于4.4～6.2eV之間。幾種金屬單質(zhì)的逸出功如表所示，若光電管陰極材料K選用金屬鋁，則下列說法正確的是（）金屬單質(zhì)鉀鈉鋅鋁逸出功/eV2.252.293.384.21A．太陽光照射時(shí)c、d端有輸出電壓 B．明火照射時(shí)c、d端有輸出電壓 C．若陰極K材料選用金屬鋅，能實(shí)現(xiàn)有效報(bào)警 D．明火中紫外線波長越長，光電子的最大初動(dòng)能越大【解答】解：A、金屬鋁的逸出功為W0＝4.21eV，太陽光中紫外線光子的最大能量E＝3.9eV，E＜W0，所以太陽光照射光電管的陰極，不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，所以電路中沒有光電流，c、d間沒有輸出電壓，故A錯(cuò)誤；B、明火中的紫外線光子的最小能量E＝4.4eV，E＞W(wǎng)0，可見，明火照射光電管的陰極，有光電效應(yīng)發(fā)生，電路中有光電流產(chǎn)生，c、d間有輸出電壓，故B正確；C、若陰極材料選用金屬鋅，金屬鋅的逸出功W0＝3.38eV，而太陽光中紫外線的光子能量介于3.1eV～3.9eV，這樣太陽光照射光電管的陰極鋅，會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，電路中有光電流，c、d間有電壓輸出，實(shí)施報(bào)警，但這時(shí)沒有火災(zāi)，所以這是無效的報(bào)警，故C錯(cuò)誤；D、明火中紫外線波長越長，則紫外線的頻率越低，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hγ﹣W0，則光電子的最大初動(dòng)能越小，故D錯(cuò)誤。故選：B。（多選）（2023秋?海淀區(qū)校級月考）如圖是研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，O點(diǎn)是滑動(dòng)變阻器的中點(diǎn)，變阻器阻值隨滑片位置均勻變化。用某單色光照射時(shí)，能夠發(fā)生光電效應(yīng)。若電源電動(dòng)勢為20V，內(nèi)阻不計(jì)?；瑒?dòng)變阻器長為10cm，當(dāng)滑片P距離a端4cm時(shí)，微安表示數(shù)恰為0，則（）A．當(dāng)滑片P從此位置向左滑動(dòng)時(shí)，微安表有電流 B．當(dāng)滑片P從此位置向右滑動(dòng)時(shí)，微安表有電流 C．光電子最大初動(dòng)能為2eV D．光電子最大初動(dòng)能為8eV【解答】解：當(dāng)滑片P距離a端4cm時(shí)，微安表示數(shù)恰為0，可知此時(shí)兩極板間的電壓為遏止電壓，且滑片P距離O點(diǎn)1cm；根據(jù)電壓和電阻之間的關(guān)系可得：遏止電壓大小為：UA．當(dāng)劃片P從此位置向左滑動(dòng)時(shí)，所加反向電壓增大，微安表無電流，故A錯(cuò)誤；B．當(dāng)滑片P從此位置向右滑動(dòng)時(shí)，所加反向電壓減小，當(dāng)滑片P位于O點(diǎn)右端時(shí)，所加電壓為正向電壓，微安表有電流，故B正確；CD．根據(jù)動(dòng)能定理可得：0﹣Ek＝﹣eUc；可得光電子最大初動(dòng)能為：Ek＝2eV故C正確，D錯(cuò)誤。故選：BC。（多選）（2022?南京模擬）如圖為某同學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)光電煙霧探測器，光源S發(fā)出一束波長為0.8μm的紅外線，當(dāng)有煙霧進(jìn)入探測器時(shí)，來自光源S的紅外線會(huì)被煙霧散射進(jìn)入光電管C，當(dāng)紅外線射到光電管中的金屬表面時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)，光電流大于8×10﹣9A時(shí)，便會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)．已知元電荷e＝1.6×10﹣19C，光在真空中的傳播速度為3