-2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册4.2光电效应-同步练习(Word版含答案)

4.2光电效应
一、选择题（共15题）
1．当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，下列说法正确的是（　　）
A．从锌板中打出了光子
B．有正离子从锌板逸出
C．有电子从锌板逸出
D．锌板带负电
2．“赤橙黄绿青蓝紫，谁持彩练当空舞”是毛主席名句，按照赤橙黄绿青蓝紫的顺序（ ）
A．光的波长在减小 B．光的频率在减小
C．光子的能量在减小 D．光更容易被散射
3．某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长光的强度如图所示，表中给出了三种材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料（　　）
材料 钠 铜 铂
极限波长（nm） 54 1268 196
A．仅钠能产生光电子 B．仅钠、铜能产生光电子
C．仅铜、铂能产生光电子 D．都能产生光电子
4．如图所示，分别用波长为的光照射光电管的阴极，对应的遏止电压之比为3：1，则光电管的极限波长是（　　）
A． B． C． D．
5．单色光B的频率为单色光A的两倍，用单色光A照射到某金属表面时，从金属表面逸出的光电子最大初动能为E1。用单色光B照射该金属表面时，逸出的光电子最大初动能为E2，则该金属的逸出功为
A．E2－E1 B．E2－2E1 C．2E1－E2 D．
6．分别用频率为ν和2ν的甲、乙两种单色光照射某金属，逸出光电子的最大初动能之比为1∶3，已知普朗克常量为h，真空中光速为c，电子电量为e。下列说法正确的是（　　）
A．用频率为2ν的单色光照射该金属，单位时间内逸出的光电子数目一定较多
B．用频率为的单色光照射该金属不能发生光电效应
C．甲、乙两种单色光照射该金属，对应光电流的遏止电压相同
D．该金属的逸出功为
7．关于光束的强度、光束的能量及光子的能量的关系正确的说法是
A．光强增大，光束能量也增大，光子能量也增大
B．光强减弱，光束能量也减弱，光子能量不变
C．光的波长越长，光束能量也越大，光子能量也越大
D．光的波长越短，光束能量也越大，光子能量也越小
8．用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流强度与照射光的强弱、频率等物理量的关系．图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调．分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示．由图可知
A．单色光a和c的频率相同，但a的光强大
B．单色光a和c的频率相同，但a 的光强小
C．单色光b的频率小于a的频率
D．改变电源的极性不可能有光电流产生
9．如图甲所示，合上开关，用光子能量为的一束光照射阴极，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时，电流表计数仍不为零，当电压表读数大于或等于时，电流表读数为零。把电路改为图乙，当电压表读数为2V时，则逸出功及电子到达阳极时的最大动能为（　　）
A． B． C． D．
10．1905年爱因斯坦提出光子说，对光电效应规律做出了解释，下列说法正确的是（ ）
A．金属表面的一个电子只能吸收一个光子
B．电子吸收光子需要一定的积累能量的时间
C．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子
D．一个高能量的光子可以使两个电子从金属表面逸出，成为光电子
11．某同学采用如图所示的装置来研究光电效应现象。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，直至电流计中电流恰为零，此时电压表显示的电压值U称为反向截止电压。现分别用频率为和的单色光照射阴极，测量到的反向截止电压分别为U1和U2。设电子质量为m，电荷量为e，则下列关系式中正确的是
A．两种单色光照射阴极时，光电子的最大初动能之比
B．阴极K金属的极限频率
C．普朗克常量
D．阴极K金属的逸出功
12．某金属在光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系如图所示，则（　 ）
A．普朗克常量为
B．入射光的频率为3时，逸出的光电子的最大初动能为2E
C．频率大于2的入射光照射该金属时才会发生光电效应
D．若光在真空中的速度为c，则波长大于的光照射该金属时才会发生光电效应
13．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
14．用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意如图甲，实验中测得铷的遏止电压UC与入射光频率v之间的关系如图乙，图线与横轴交点的横坐标为5.10×1014Hz。已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s。则下列说法中正确的是（　　）
A．欲测遏止电压，应选择电源左端为正极
B．增大照射光的强度，产生光电子的最大初动能一定增大
C．当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大
D．如果实验中入射光的频率v=7.50×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能约为E=1.59×10-19J
15．某种频率的光射到金属表面上时，金属表面有电子逸出，若光的频率不变而强度减弱，以下说法正确的是（　　）
A．逸出的电子最大初动能减小 B．逸出的电子最大初动能增大
C．单位时间内逸出的电子数减少 D．光的强度减弱到某一数值时，就没有电子逸出
二、综合题（共8题）
16．康普顿效应表明光子不但具有能量，而且象实物粒子一样具有动量（______）
17．寒假期间，江油中学高二学生小华开展科技节科技制作项目活动。用导线将验电器与洁净锌板连接，触摸锌板使验电器指针归零。用紫外线照射锌板，验电器指针发生明显偏转，接着用毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，发现验电器指针张角减小，此现象说明锌板带______电（选填“正”或“负”）；若改用红外线重复上实验，结果发现验电器指针根本不会发生偏转，说明金属锌的极限波长______红外线波长（选填“大于”或“小于”）。
18．如图所示是使用光电管的原理图，当用某种可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过：
（1）当变阻器的滑动端P向______滑动时（填“左”或“右”），通过电流表的电流将会减小，当电流表电流刚减小到零时，电压表的读数为U，则阴极K的逸出功为______________（已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，可见光的频率为）．
（2）如果保持变阻器的滑动端P的位置不变，也不改变入射光的频率，而增大入射光的强度，则光电子的最大初动能将______（填“增大”、“减小”或“不变”），通过电流表的电流将会________（填“增大”、 “减小”或“不变”）．
（3）如果将电源的正负极对调，将变阻器的滑动端P从A端逐渐向B端移动的过程中， 通过电流表的电流先______________后____________（填“增大”、“减小”或“不变”）(电源电压足够大）
19．美国物理学家密立根利用光电管对光电效应现象进行研究，得到金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图，由此可计算出普朗克常量h。电子电量用e表示，由图象中的数据可知，这种金属的截止频率为____，计算出普朗克常量表达式为h=______。
20．铝的逸出功是W0，现在将波长λ0的光照射铝的表面（普朗克常量为h，电子电荷量为e）。
（1）求光电子的最大初动能；
（2）求遏止电压。
21．一光电管的阴极用截止频率为的的金属铯制成，并接入如图所示的电路中。当用频率为的单色光射向阴极时，能产生光电流。移动变阻器的滑片，当电压表的示数为时，电流计的示数达到饱和电流。已知普朗克常量为，电子的质量为，电子的电荷量为，真空中的光速为。求：
(1)在时间内阴极逸出的光电子数；
(2)每个单色光的光子的动量大小；
(3)光电子到达阳极时的最大速率。
22．太阳的辐射功率（太阳每秒辐射的能量）为，已知射到大气层的太阳能只有到达地面，另有被大气层吸收和反射，而未到达地面。若射到地球上的太阳光可视为垂直于地球表面，把太阳光看成是频率为的单色光，求地球表面上的面积每秒接收到多少个光子。已知太阳到地球的距离为。（最后结果保留两位有效数字）
23．光子不仅具有能量，也具有动量。照到物体表面的光子被物体吸收或被物体反射都会对物体产生一定的压强，这就是光压。光压的产生机理与气体压强产生的机理类似：大量气体分子与器壁的频繁碰撞产生持续均匀的压力，器壁在单位面积上产生的压力称为气体的压强。体积为V的正方体密闭容器中有大量的光子。为简化问题，我们做如下决定：每个光子的频率均为ν，光子与器壁碰撞的机会均等，光子与器壁碰撞为弹性碰撞，且碰撞前后瞬间，光子动量方向都与器壁垂直，不考虑器壁发出的光子数和对光子的吸收，光子的总数保持不变，且单位体积内光子个数为n；光子之间无相互作用。根据爱因斯坦质能方程可知光子的能量等于其动量p和光速c的乘积，已知普朗克常数为h。（提示：光子能量公式ε=hν）
（1）写出单个光子的动量p的表达式（结果用c、h和ν表示）；
（2）写出光压I的表达式（结果用n、h、ν表示）；
（3）类比理想气体，我们将题目所述的大量光子的集合称为光子气体，把容器中所有光子的能量称为光子气体的内能。求出容器内光子气体内能U的表达式（结果用V和光压I表示）
（4）体积为V的容器内存在单个气体分子质量为m、单位体积内气体分子个数为n’的理想气体，分子速率均为v，且与器壁各面碰撞的机会均等；与器壁碰撞前后瞬间，分子动量方向都与器壁垂直，且速率不变。求气体内能U’和压强P气的关系；并从能量和动量之间关系的角度说明光子气体内能表达式与理想气体内能表达式不同的原因。
参考答案
1．C
【详解】
发生光电效应是锌板中的电子吸收光子的能量而从锌板中飞出，锌板由于缺少电子而带上正电。
故选C。
2．A
【详解】
按照赤橙黄绿青蓝紫的顺序，光的频率在增大，由
可知光子的波长在减小，能量在增大。波长越长越容易被散射，所以按照赤橙黄绿青蓝紫的顺序，光更不容易被散射。故A正确，BCD错误。
故选A。
3．D
【详解】
根据爱因斯坦光电效应方程可知，只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应，根据波长、波速和频率的关系可知，只要光源的波长小于某金属的极限波长，就有光电子逸出，该光源发出的光的波长都有小于钠、铜、铂三种金属的极限波长，都能产生光电子，故选 D。
4．C
【详解】
根据
则
其中
解得
故选C。
5．B
【详解】
根据光电效应方程：用单色光A照射到某金属表面时
用单色光B照射到某金属表面时
解得
A．E2－E1，与结论不相符，选项A错误；
B．E2－2E1，与结论相符，选项B正确；
C．2E1－E2，与结论不相符，选项C错误；
D．，与结论不相符，选项D错误；
故选B。
6．B
【详解】
A．单位时间内逸出的光电子数目与光的强度有关，由于光的强度关系未知，故A错误；
BD．光子能量分别为
和
根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子的最大初动能为，逸出光电子的最大初动能之比为1：3，联立解得
用频率为的单色光照射该金属不能发生光电效应，故B正确，D错误；
C．两种光的频率不同，光电子的最大初动能不同，由动能定理可知，题目对应的遏止电压是不同的，故C错误。
故选B。
7．B
【详解】
光子的能量E=hγ，则光子的能量由光的频率决定，与光强无关；而光束的能量由光强决定，光强减弱，光束能量也减弱，故选项A错误，B正确；根据可知，光的波长越长，光子能量也越小；光的波长越短，光子能量也越大；选项CD错误；故选B.
8．A
【详解】
光电流恰为零，此时光电管两端加的电压为截止电压，对应的光的频率为截止频率，可知，ac光对应的截止频率小于b光的截止频率，根据eU截=mvm2=hγ-W，入射光的频率越高，对应的截止电压U截越大．a光、c光的截止电压相等，所以a光、c光的频率相等；当a、c光照射该光电管，因频率相同，则a光对应的光电流大，因此a光子数多，那么a光的强度较强，故A正确，BC错误；若改变电源的极性，仍可能有光电流产生，但电流大小会发生变化，故D错误；故选A．
9．C
【详解】
甲图中所加的电压为反向电压，根据题意可知，遏止电压为0.60V，根据
知，光电子的最大初动能
根据光电效应方程
逸出功
乙图中所加的电压为正向电压，根据动能定理得
解得电子到达阳极的最大动能
故选C。
10．A
【详解】
A．金属表面的一个电子吸收一个能量大于其逸出功的光子，将从金属表面逸出，而不再继续吸收光子，A正确；
B．电子只吸收能量大于自身逸出功的光子，且金属电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，能量小于电子本身逸出功的，吸收后的能量不能积累，B错误；
C．若光子的能量小于电子的逸出功，电子将不可能逸出为光电子，C错误；
D．一个电子只能吸收一个光子，形成光电子，D错误。
故选A。
11．D
【详解】
光电子在电场中做减速运动，根据动能定理得
根据爱因斯坦光电效应方程得
两种单色光照射阴极时，光电子的最大初动能之比
阴极K金属的极限频率
普朗克常量
阴极K金属的逸出功
故A、B、C错误，D正确；
故选D。
12．B
【详解】
A．由光电效应方程：
结合图象可知金属的逸出功：
极限频率为νc，所以：
解得：
A错误；
B．由光电效应方程：
则：
B正确；
CD．由题图可知频率不低于νc的入射光照射该金属时会发生光电效应，即波长不大于的光照射该金属时才会发生光电效应，CD错误。
故选B。
13．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。
14．D
【详解】
A．图甲所示的实验装置测量铷的遏止电压Uc与入射光频率，因此光电管左端应该是阴极，则电源左端为负极，故A错误；
B．光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸出功有关，与入射光的强度无关，故选项B错误；
C．当电源左端为正极时，将滑动变阻器的滑片从图示位置向右滑动的过程中，则电压增大，光电流增大，当电流达到饱和值，不再增大，即电流表读数的变化是先增大，后不变，故选项C错误；
D．根据图象可知，铷的截止频率，根据，则可求出该金属的逸出功大小
根据光电效应方程
当入射光的频率为时，则最大初动能为：
故选项D正确．
故选D。
15．C
【详解】
AB．根据爱因斯坦光电效应方程可知，光的频率不变而强度减弱，光子逸出的电子最大初动能不变，故AB错误；
C．光的频率不变而强度减弱，单位时间内射到金属表面上的光子数减少，单位时间内逸出的电子数减少，故C正确；
D．发生光电效应时，只要光的强度不为零，就有电子逸出，故D错误。
故选C。
16．正确
【详解】
康普顿效应表明光子不但具有能量，而且象实物粒子一样具有动量，此说法正确。
17．正 小于
【详解】
用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电，当其接触锌板时发现验电器指针张角减小，这说明锌板带电量减小，故锌板一定带正电，部分电量被橡胶棒所带负电中和。
若用红外线照射，发现验电器指针根本不会发生偏转，这说明没有发生光电效应，故金属锌的极限频率大于红外线的频率，则极限波长小于红外线波长。
18．右 hv-eU 不变 增大 增大 保持不变
【详解】
（1）电流表中的电流减小，则两极上的反向电压增大，所以滑动变阻器应向右滑动，因为反向电压为U时，电流表读数为零，根据动能定理得：光电子的最大初动能，根据光电效应方程可得，故
（2）根据爱因斯坦光电效应方程，可知如果不改变入射光的频率，而增加入射光的强度，但光电子的最大初动能不变，由于光照强度越大，光子数目多，那么通过电流表的电量增大，则电流表示数将增大．
（3）对调后反向电压变为正向电压，光电子受到的电场力是动力，滑动变阻器从A到B过程中两极间的电压增大，使得更多的光电子到达另一极，即电流增大，因为光电子数目由限，所以当所有光电子都到达另一极时，随着电压的增大，光电流不再增大，故先增大后保持不变
19．
【详解】
根据
Ekm=hv-W0=eUc
解得
可知，当Uc=0时，对应的频率为截止频率，所以截止频率为，
图线的斜率，可得
20．（1）；（2）
【详解】
（1）入射光的频率为
则光电子最大初动能为
（2）根据动能定理有
解得遏止电压为
21．(1)；(2)；(3)
【详解】
(1)根据电流定义式得
解得
(2)设单色光的波长为，则有：
解得
(3)设光电子的最大初动能为，根据光电效应方程及动能定理得：
解得
22．个
【详解】
设想有一个以太阳中心为球心，以太阳到地球表面距离（近似等于太阳到地球的距离）为半径的大球，这个大球面上单位面积每秒接收到辐射的功率为
式中为太阳的辐射功率，则地球表面上的面积每秒接收到的能量
设地球表面上的面积每秒接收到的光子数为，由于光子的能量为，则
个个
23．（1）；（2）；（3）；（4）见解析
【详解】
(1)光子的能量
ε=hν
且
ε=pc
联立可得
p=
(2)在容器壁上取面积S底，以c·△t为高构成的柱体中，光子在△t时间内有与容器壁发生碰撞，则在△t时间内能够撞击在器壁上的光子数为
N=c△tSn
设器壁对这些光子的平均作用力为F，则根据动量定理有
F△t=2Np
有牛顿第三定律有，这些光子对器壁的作用力大小
F’=F
有压强定义，光压
I=nhν
(3)设容器内光子的总个数为
N=nV
则光子气体的内能
U=Nε=nVε
代入
ε=hν
I=nhν
联立可得
U=3IV
(4)一个气体分子每与器壁碰撞一次动量变化大小为2mv，以器壁上的面积S为底，以v△t为高构成柱体，由题设可知，柱内的分子数在△t时间内有与器壁S发生碰撞，碰壁分子总数
N’=n’Sv△t
对这些分子用动量定理有
F△t=2N’mv
联立以上解得
F=n’mv2S
有牛顿第三定律有，气体对容器壁的压力大小为
F’=F
有压强定义，气压
P气=n’mv2
理想气体分子间除碰撞外无作用力，故无分子势能 所以容器内所有气体分子动能之和即为其体内能，即
U’=n’Vmv2
代入可得
U’=P气V
由上述推到过程可见，光子气体内能表达式与理想气体内能表达式不同的原因在于光子和气体分子的能量与动量的关系不同，对于光子，能量和动量的关系为
ε=pc
对于气体分子则为
Ek=mv2=pv