4.2光电效应方程及其意义 课时作业（word 解析版）

2021-2022学年粤教版（2019）选择性必修第三册
4.2光电效应方程及其意义 课时作业（解析版）
1．用频率为ν的光照射某金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为Ek；若改用频率为3ν的光照射该金属，则逸出的光电子的最大初动能为（　　）
A．3Ek B．2Ek C．3hν-Ek D．2hν＋Ek
2．在光电效应实验中，两种不同波长的紫外光a和b以不同的强度分别照射同一块金属表面，两者都有光电子逸出。已知a光的波长和强度为：、；b光的波长和强度为：、。下列说法正确的是（　　）
A．a光照射时金属的逸出功比b光照射时大
B．a光照射时需要的遏止电压比b光照射时小
C．a光照射时产生的光电流与b光照射时相同
D．a光照射时光电子的最大初动能比b光照射时大
3．已知能使某金属产生光电效应的极限频率为，则（　　）
A．当用频率为的单色光照射该金属时，则逸出功随之增大
B．当用频率为的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为
C．当照射光的频率增大，光电流强度也随之增大
D．当照射光的频率大于时，若增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
4．如图所示，N为铝板，M为金属网，它们分别和电池两极相连，各电池的极性和电动势在图中标出，铝的逸出功为4.2eV。现分别用能量不同的光子照射铝板（各光子的能量在图上标出），那么，下列图中有光电子到达金属网的是（　　）
A．①②③ B．②③ C．③④ D．①②
5．某实验小组的同学利用如图甲所示的电路研究光电效应现象，用强度一定、波长为的单色光照射阴极，正确进行操作，记录相应的电压表（电压表的零刻度在表盘的中央位置）和电流表的示数，将得到的数据在坐标纸上描点连线，得到的图像如图乙所示。表格所示为几种金属的逸出功，已知普朗克常量为，真空中光速为，电子的电荷量。下列说法正确的是（　　）
金属 逸出功/
铯 1.90
钙 3.20
锌 3.34
镁 3.70
钛 4.13
铍 3.88
A．阴极可能是由金属镁制成的
B．若换用波长为的单色光进行实验，图线与横轴的交点将左移
C．光电流最大时，单位时间内打到阴极上的光子数至少为个
D．换用金属钛制成阴极，饱和光电流大小不变
6．某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象，分别用a、b、c三束单色光照射图甲中的光电管的阴极，得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示，其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同，均为Ua，则下列论述正确的是（　　）
A．a、c两束光的光强相同
B．a、c两束光的频率相同
C．b光束光子的能量最小
D．b光束的波长最长，遏止电压最大
7．如图所示，用某一频率的光照射光电管的阴极，阴极材料的逸出功为W，光电子的最大初动能为Ek，缓慢向右移动滑动变阻器的滑片发现电流表示数逐渐增大，当滑片移动到某一位置以后再移动滑片电流表示数不再增加，此时电流表示数为0.16A。已知h为普朗克常量，下列说法中正确的是（　　）
A．A端接的是电源的负极
B．该实验中饱和电流为0.16A
C．入射光的频率可能为
D．若将电源极性颠倒，缓慢向右移动滑片，当电流表示数刚好为零时，电压表示数为
8．美国物理学家密立根从1907年起开始以精湛的技术测量光电效应中的几个重要的物理量，在测量金属的遏止电压与入射光的频率v时算出了普朗克常量，若用国际单位制基本单位的符号来表示普朗克常量h的单位，正确的是（　　）
A． B． C． D．
9．一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，如图所示。下列说法正确的是（　　）
A．若增大入射角i，则b光先消失
B．在该三棱镜中a光波长小于b光波长
C．a光能发生偏振现象，b光不能发生偏振现象
D．若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光的遏止电压低
10．如图所示，用、、三种色光照射光电管阴极进行光电效应的实验，为红光且光较强，为蓝光光强介于光和光之间，某次实验先用光入射时，有光电流产生，下列说法错误的是（　　）
A．当换用光入射时，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B．当换用光入射时，光电子的最大初动能变大，饱和光电流变大
C．若保持光的光强不变，不断减小入射光的频率，则始终有光电流产生
D．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关
11．如图甲所示为光电效应实验的电路图，其中电压表的零刻度值在表盘的中间，滑动变阻器滑片O位置不动，滑片P可以左右滑动。某次实验中保持光的颜色和光照强度不变，只移动滑动变阻器滑片P的位置，得到电流表的示数I随电压表的示数U变化规律如图乙所示，当电流增大到最大值I0时，对应的电压为U1.则下列说法正确的是（　　）
A．图中滑片P向a端滑动时，可以得到电压U1的值
B．金属K的逸出功等于eUc
C．光电子的最大初动能等于eUc
D．保持光的颜色不变，只增加光照强度，图乙I-U图象的Uc会增大
12．金属中存在着大量的价电子（可理解为原子的最外层电子），价电子在原子核和核外的其他电子产生的电场中运动，电子在金属外部时的电势能比它在金属内部作为价电子时的电势能大，前后两者的电势能差值称为势垒，用符号V表示，价电子就像被关在深度为V的方箱里的粒子，这个方箱叫做势阱，价电子在势阱内运动具有动能，但动能的取值是连续的，价电子处于最高能级时的动能称为费米能，用Ef表示．用红宝石激光器向金属发射频率为ν的光子，具有费米能的电子如果吸收了一个频率为ν的光子而跳出势阱，则 （ ）
A．具有费米能的电子跳出势阱时的动能为Ek＝hν－V＋Ef
B．具有费米能的电子跳出势阱时的动能为Ek＝hν－V－Ef
C．若增大激光的强度，具有费米能的电子跳出势阱时的动能增大
D．若增大激光的强度，具有费米能的电子跳出势阱时的动能不变
13．如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图像．由图像可知（ ）
A．该金属的逸出功等于E
B．该金属的逸出功等于
C．入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为E
D．入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为
E.由该图像可得出普兰克常量
14．关于光电效应，下列说法正确的是（　　）
A．图a中，若电源右侧是正极，则增大电压，微安表G的示数减小
B．图b中，丙光的频率大于甲光的频率，甲光的光强大于乙光的光强
C．图c中，为金属的截止频率
D．图c中，图线的斜率为普朗克常量
15．已知金属钠的极限频率ν=5.53×1014Hz，用波长λ =2×10 7m的光照射金属钠。已知真空中的光速c=3 ×108 m/s，普朗克常量h =6.63×10 34J s。
(1)请通过计算说明能否发生光电效应？
(2)若能发生光电效应，逸出光电子的最大初动能是多少？（结果保留两位有效数字）
16．物体中的原子总是在不停地做热运动，原子热运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低．所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度．“激光致冷”的原理就是利用大量光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度．使原子减速的物理过程可以简化为如下情况：如图所示，某原子的动量大小为将一束激光即大量具有相同动量的光子流沿与原子运动的相反方向照射原子，原子每吸收一个动量大小为的光子后自身不稳定，又立即发射一个动量大小为的光子，原子通过不断吸收和发射光子而减速．已知、均远小于，普朗克常量为h，忽略原子受重力的影响
若动量大小为的原子在吸收一个光子后，又向自身运动方向发射一个光子，求原子发射光子后动量p的大小；
从长时间来看，该原子不断吸收和发射光子，且向各个方向发射光子的概率相同，原子吸收光子的平均时间间隔为求动量大小为的原子在减速到零的过程中，原子与光子发生“吸收发射”这一相互作用所需要的次数n和原子受到的平均作用力f的大小；
根据量子理论，原子只能在吸收或发射特定频率的光子时，发生能级跃迁并同时伴随动量的变化．此外，运动的原子在吸收光子过程中会受到类似机械波的多普勒效应的影响，即光源与观察者相对靠近时，观察者接收到的光频率会增大，而相对远离时则减小，这一频率的“偏移量”会随着两者相对速度的变化而变化．
为使该原子能够吸收相向运动的激光光子，请定性判断激光光子的频率和原子发生跃迁时的能量变化与h的比值之间应有怎样的大小关系；
若某种气态物质中含有大量做热运动的原子，为使该物质能够持续降温，可同时使用6个频率可调的激光光源，从相互垂直的3个维度、6个方向上向该种物质照射激光．请你运用所知所学，简要论述这样做的合理性与可行性．
参考答案
1．D
【详解】
由爱因斯坦光电效应方程可知
Ek=hν-W0
Ek′=h·3ν-W0
所以
Ek′=2hν＋Ek
D正确。
故选D。
2．D
【详解】
A．金属的逸出功仅和金属材料的性质以及金属表面的状态有关，用不同的光的照射同一块金属表面，故金属逸出功相同，故A错误；
B．由电场力对在其内的电子做功与能量关系得，遏止电压U与光电子的最大初动能为
Ek=eU
故遏止电压U与光电子的最大初动能成正比，而光电子的最大初动能与所照射光的频率成正比，与光的波长成反比，故遏止电压U所照射光的波长成反比，因为
故a光照射时需要的遏止电压比b光照射时大；
C．光电效应中，光电流的大小与光照强度成正比，光的频率成反比，即与波长成正比，可得
故a光照射时产生的光电流比b光照射时的光电流大，C错误；
D．光电子的最大初动能与所照射光的频率成正比，与光的波长成反比，又有
故a光照射时光电子的最大初动能比b光照射时大，D正确；
故选D。
3．B
【详解】
A．金属中电子的逸出功为
是一定的， 称为金属的极限频率，与入射光的频率无关，故A错误；
B．根据光电效应方程
故B正确；
C．发生光电效应时，光电流的大小与入射光的频率无关，跟入射光的强度有关，故C错误；
D．根据光电效应方程
光电子的最大初动能不和入射光的频率成正比，故D错误。
故选B。
4．B
【详解】
入射光的光子能量小于逸出功，则不能发生光电效应，故①错误；
入射光的光子能量大于逸出功，能发生光电效应；电场对光电子加速，故有光电子到达金属网，故②正确；
入射光的光子能量大于逸出功，能发生光电效应，根据光电效应方程
因为所加的电压为反向电压，反向电压为2V，光电子能到达金属网，故③正确；
入射光的光子能量大于逸出功，能发生光电效应，根据光电效应方程
所加的反向电压为4V，根据动能定理知，光电子不能到达金属网，故④错误；
综上分析可知B项正确，ACD错误。
故选B。
5．C
【详解】
A．根据题图乙可知该阴极材料对应的遏止电压为，由
可得光电子的最大初动能为，又因为入射光的波长为，
可得入射光的光子能量为
由爱因斯坦光电效应方程有
则该阴极材料的逸出功为
结合题表可知，阴极可能是由金属锌制成的，故A错误；
B．结合A项分析可知，入射光的波长变长，光子的能量减小，光电子的最大初动能减小，则图线与横轴的交点将右移，故B错误；
C．光电流最大为，则单位时间内阴极上射出的光电子的数量为
个
故C正确；
D．由于金属钛的逸出功大于光子的能量，则将其制成阴极时，不能发生光电效应，不产生光电流，故D错误。
故选C。
6．B
【详解】
A．由图可知，a的饱和电流最大，因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量大，光强大，A错误；
BCD．当光电流为零时，光电管两端加的电压为遏止电压，对应的光的频率为截止频率，根据
的频率越高，对应的遏止电压U越大。a光、c光的遏止电压相等，所以a光、c光的频率相等，而b光的频率大，能量大，且对应的波长最小， CD错误B正确。
故选B。
7．B
【详解】
A．由题意可知，当逃逸出来的所有电子全部到达阳极时电流表的示数不再随着滑片的右移而增大，所以此时加的是正向电压，所以A端接的是电源的正极，故A错误；
B．当电流表示数不再增加时所有逃逸出来的电子都形成了饱和光电流，故该实验中饱和电流为0.16A，故B正确；
C．通常情况下电子逃逸时只能吸收一个光子，所以由爱因斯坦光电效应方程有
解得
故C错误；
D．若将电源极性颠倒，光电管接的是反向电压，缓慢向右滑动滑片，当动能最大的电子也刚好不能到达阳极时，电流表示数刚好为零，此时有
所以电压表示数
故D错误。
故选B。
8．C
【详解】
由于的单位是，而根据功的定义
可知
牛顿并非国际单位制的基本单位，根据牛顿第二定律
可知
整理得普朗克常量h的单位
故选C。
9．D
【详解】
AB．根据折射率定义公式
从空气斜射向玻璃时，入射角相同，光线a对应的折射角较大，故光线a的折射率较小，即
则在该三棱镜中a光波长大于b光波长；若增大入射角i，在第二折射面上，则两光的入射角减小，依据光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于或等于临界角时，才能发生光的全反射，因此它们不会发生光的全反射，故AB错误；
C．只要是横波，均能发生偏振现象，若a光能发生偏振现象，b光也一定能发生，故C错误；
D．a光折射率较小，则频率较小，根据
则a光光子能量较小，由爱因斯坦光电效应方程
可判断得，若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光束照射逸出光电子的最大初动能较小，根据
则a光的遏止电压低，故D正确。
故选D。
10．C
【详解】
A．饱和光电流与入射光的强度成正比，当换用光入射时，入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，故A不符合题意；
B．根据光电效应的规律，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，当换用光入射时，入射光的频率变大，光电子的最大初动能变大，光强变强（光子个数增多），则饱和光电流变大，故B不符合题意；
C．如果入射光的频率小于极限频率将不会发生光电效应，不会有光电流产生，故C符合题意；
D．根据爱因斯坦光电效应方程及动能定理可得
分析可知遏止电压及最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故D不符合题意。
故选C。
11．C
【详解】
A．图中滑片P应向b端滑动时，光电管上加正向电压，才可以得到电压U1的值，A错误；
BC．根据爱因斯坦光电效应方程
可知光电子的最大初动能等于eUc，B错误，C正确；
D．保持光的颜色不变，只增加光照强度时，最大初动能不变，则I-U图象的Uc不变，D错误。
故选C。
12．AD
【解析】
由题可知，具有费米能的电子初状态能量为，吸收光子能量为，而跳出势阱消耗能量为V，有能量守恒得，A对B错．若增大激光器的强度，光子频率不发生变化，所以具有费米能的电子跳出势阱时的动能不变，C错D对．
13．ABC
【解析】
【详解】
AB．根据
得，金属的截止频率等于，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，逸出功等于E，则，AB正确；
C．根据光电效应方程有
其中W0为金属的逸出功
所以有
由此结合图象可知，该金属的逸出功为E，或者，当入射光的频率为时，带入方程可知产生的光电子的最大初动能为E，C正确；
D．入射光的频率时，小于极限频率，不能发生光电效应，D错误；
E．由
可知，图像的斜率等于h，则由该图像可得出普兰克常量h=，E错误。
故选ABC。
【点睛】
此题关键是根据光电效应方程EKm=hv-W得出最大初动能与入射光频率的关系，结合图线的斜率和截距进行分析．
14．BC
【详解】
A．图a中，若电源右侧是正极，则所加电压为正向电压，若增大电压，微安表G的示数开始时将逐渐变大，到达饱和电流时，即使再增大电压，微安表的示数保持不变，选项A错误；
B．图b中，丙光的遏止电压大于甲光的遏止电压，根据
可知，丙光的频率大于甲光的频率；甲乙两光的遏制电压相同，则频率相同，甲光的饱和电流大于乙光，则甲光的光强大于乙光的光强，选项B正确；
CD．图c中，根据
可得
则图线的斜率为；当Uc=0时 即为金属的截止频率，选项C错误，D正确。
故选BD。
15．(1)能；(2)
【详解】
(1)金属钠的逸出功
光子的能量
因为光的能量大于金属的逸出功，则能发生光电效应；
(2)逸出光电子的最大初动能
16．（1） （2）； （3）
【详解】
解：（1）原子吸收和放出一个光子，由动量守恒定律有：
原子放出光子后的动量为：
（2）由于原子向各个方向均匀地发射光子，所以放出的所有光子总动量为零．设原子经n次相互作用后速度变为零：
所以：
由动量定理：fnt0=p0
可得：
（3）a．静止的原子吸收光子发生跃迁，跃迁频率应为，考虑多普勒效应，由于光子与原子相向运动，原子接收到的光子频率会增大．所以为使原子能够发生跃迁，照射原子的激光光子频率
b．①对于大量沿任意方向运动的原子，速度矢量均可在同一个三维坐标系中完全分解到相互垂直的3个纬度上；
②考虑多普勒效应，选用频率的激光，原子只能吸收反向运动的光子使动量减小．通过适当调整激光频率，可保证减速的原子能够不断吸收、发射光子而持续减小动量；
③大量原子的热运动速率具有一定的分布规律，总有部分原子的速率能够符合光子吸收条件而被减速．被减速的原子通过与其他原子的频繁碰撞，能够使大量原子的平均动能减小，温度降低；
所以，从彼此垂直、两两相对的6个方向照射激光，能使该物质持续降温，这样做是可行的，合理的．