人教版 选择性必修第三册 第四章 专题强化 光电效应方程及其应用（65张PPT）

(共65张PPT)
专题强化　光电效应方程及其应用
第四章　原子结构和波粒二象性
【学习目标】
1.进一步理解爱因斯坦光电效应方程并会分析有关问题.
2.会用图像描述光电效应有关物理量之间的关系，能利用图
像求光电子的最大初动能、截止频率和普朗克常量.
【内容索引】
探究重点
提升素养
随堂演练
逐点落实
专题
强化练
TANJIUZHONGDIAN　 TISHENGSUYANG
探究重点　提升素养
1
一、光电效应方程Ek＝hν－W0的应用
1.光电效应方程的理解
(1)Ek为光电子的最大初动能，与金属的逸出功W0和光的频率ν有关.
(2)若Ek＝0，则hν＝W0，此时的ν即为金属的截止频率νc.
2.光电效应现象的有关计算
(1)最大初动能的计算：Ek＝hν－W0＝hν－hνc；
例1　某同学采用如图1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，直到电流计中电流恰为零，此时电压表显示的电压值U称为遏止
电压.现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极，测量到
的遏止电压分别为U1和U2，设电子质量为m，电荷量为
e，则下列关系式中不正确的是
图1
√
代入可得金属的逸出功：
阴极K金属的截止频率为
故C错误，B、D正确.
针对训练1　(2020·江苏省智贤中学高二月考)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1∶2，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
√
图像名称 图线形状 由图线直接(间接)得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率νc：图线与ν轴交点的横坐标
②逸出功W0：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值，即W0＝|－E|＝E
③普朗克常量h：图线的斜率，即h＝k
二、光电效应图像问题
光电效应规律中的四类图像
入射光颜色相同、强度不同时，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc：图线与横轴的交点的横坐标
②饱和电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ek＝eUc
入射光颜色不同时，光电流与电压的关系图线 ①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线 ①截止频率νc：图线与横轴交点的横坐标
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke(注：此时两极之间接反向电压)
D.图中直线斜率与普朗克常量有关
命题角度1　Ek－ν图像
例2　(2021·常州市第三中学高二期中)爱因斯坦因提出光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得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2所示，其中ν0为截止频率.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
图2
√
解析　逸出功由金属本身决定，与入射光频率无关，A错误；
由光电效应方程hν－W0＝Ekm可知，Ekm与入射光频率ν有关，与入射光强度无关，B错误；
由爱因斯坦光电效应方程可知，题图中直线斜率等于普朗克常量，D正确.
针对训练2　(2020·哈尔滨市第三十二中学高二期中)用不同频率的紫外线分别照射锌和钨的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图像，已知锌的逸出功是3.24 eV，钨的逸出功是3.28 eV，若将两者的图线画在同一个Ek－ν坐标系中，用实线表示锌，虚线表示钨，则正确反映这一过程的是如图所示的
√
解析　根据光电效应方程有Ek＝hν－W0，其中W0为金属的逸出功，则有W0＝hνc.
由此可知在Ek－ν图像中，斜率表示普朗克常量h，横轴截距大小表示该金属截止频率的大小.
由题意可知，锌的逸出功小于钨的逸出功，
C.在得到这两条直线时，必须保证入射光的光强相同
D.若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，
则照射到钠的光频率较高
例3　(2021·江苏省新桥高级中学高二期中)对于钠和钙两种金属，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图3所示.用h、e分别表示普朗克常量和电子电荷量，则
A.钠的逸出功等于钙的逸出功
图3
命题角度2　Uc－ν图像
√
解析　根据光电效应方程得Ek＝hν－W0＝hν－hνc，
当遏止电压为0时，对应的频率为金属的截止频率，结合
题图可知钠的截止频率小，则钠的逸出功小，故A错误；
钠的逸出功小，结合Ek＝hν－W0可知，若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较小，故D错误.
A.b光照射时，阴极的逸出功较小
B.b光子的能量小于a光子的能量
C.对于b光，A、K间的电压低于Uc1时，
将不能发生光电效应
D.a光和c光的频率相同，但a光的强度
更强
例4　(2021·江苏省外国语学校高二月考)图4甲是利用光电管进行光电效应的实验装置.分别用a、b、c三束单色光照射阴极K，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系图像如图乙所示，由图可知
图4
√
命题角度3　I－U图像
解析　逸出功由材料本身决定，与照射光无关，故A错误；
根据光电效应方程Ek＝hν－W0，光电子最大初动能Ek＝eUc，可知b光照射时光电子的最大初动能较大，b光子的能量高于a光子的能量，故B错误；
能否产生光电效应与所加电压无关，故C错误；
a光和c光照射时光电子的最大初动能相同，故两者的频率相同，由于a光的饱和电流更大，故a光的强度更强，故D正确.
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SUITANGYANLIAN　 ZHUDIANLUOSHI
随堂演练　逐点落实
2
1.(光电效应方程的应用)(2020·曲周一中高二期中)用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验，当用频率为ν1的光照射时，遏止电压的大小为U1，当用频率为ν2的光照射时，遏止电压的大小为U2.已知电子电荷量的大小为e，则下列表示普朗克常量和该种金属的逸出功正确的是
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√
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解析　根据光电效应方程得Ek＝hν－W0，根据动能定理得eUc＝Ek，
2.(光电效应的Uc－ν图像)利用图5甲所示电路研究光电效应中金属的遏止电压Uc与入射频率ν的关系，描绘出如图乙所示的图像，由此算出普朗克常量h.图乙中U1、ν1、ν0均为已知量，电子电荷量用e表示.当入射光的频率增大时，为了测定遏止电压，滑动变阻器的滑片P应向___(选填“M”
或“N”)端移动，由Uc－ν图像可
求得普朗克常量h＝________.(用
题中字母表示)
1
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图5
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N
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解析　入射光的频率增大，光电子的最大初动能增大，则遏止电压增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片P向N端移动；
3.(光电效应的I－U图像)(2021·南京师大苏州实验学校高二月考)在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图6所示.则可判断出
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光对应的截止频率大于丙光对应的截止频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电
子最大初动能
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图6
4
√
解析　由题图可知，丙光的最大光电流小于甲光和乙光的最大光电流，说明逸出的电子数目最少，即丙光的强度最小.由题图可知丙光对应的光电子的初动能最大，即丙光的频率最高(波长最小)，B项正确，D项错误；
甲光和乙光的频率相同，A项错误；
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由于是同一光电管，所以乙光、丙光对应的截止频率是一样的，C项错误.
4.(光电效应的Ek－ν图像)(2021·山西运城高二期中)用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图像如图7所示.图像与横轴交点的横坐标为4.27×1014 Hz，与纵轴交点的纵坐标为0.5 eV.由图可知
A.该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B.该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
C.该图像的斜率的倒数表示普朗克常量
D.该金属的逸出功为0.5 eV
图7
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√
解析　当光电子的最大初动能为零时，入射光的光子能量与逸出功相等，即入射光的频率等于金属的截止频率，由题图可知金属的截止频率为4.27×1014 Hz，故A正确，B错误；
根据Ek＝hν－W0知，Ek－ν图线的斜率表示普朗克常量，故C错误；
金属的逸出功为W0＝hνc＝6.63×10－34×4.27×1014 J≈1.77 eV，故D错误.
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ZHUANTIQIANGHUALIAN
专题强化练
3
考点一　光电效应方程的应用
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
基础强化练
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√
解析　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.
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A.逸出功就是使电子脱离金属所做的功
B.四种金属中，钙的截止频率最小
C.若某种光照射钠时有光电子逸出，则照射钙时也一定有光电子逸出
D.若某种光照射四种金属时均发生光电效应，则铷逸出光电子的最大初
动能最大
2.四种金属的逸出功W0如表所示，以下说法正确的是
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金属 钙 钠 钾 铷
W0/eV 3.20 2.29 2.25 2.13
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解析　逸出功是每个电子从这种金属中飞出过程中，克服金属中引力所做的功的最小值，故选项A错误；
四种金属中，钙的逸出功最大，根据W0＝hνc可知，钙的截止频率最大，选项B错误；
因钙的逸出功大于钠的逸出功，则若某种光照射钠时有光电子逸出，则照射钙时不一定有光电子逸出，选项C错误；
若某种光照射四种金属时均发生光电效应，因铷的逸出功最小，则逸出光电子的最大初动能最大，选项D正确.
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A.光电子的最大初动能为1.05 eV
B.光电管阴极的逸出功为1.7 eV
C.开关S断开，电流表G示数为零
D.当滑动触头向a端滑动时，电压表示数增大
3.(2021·湖北恩施高二期中)用如图1所示的实验装置研究光电效应现象.所用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零，移动变阻器的滑动触头c，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为零，则在该实验中
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图1
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解析　由题目可知，遏止电压Uc＝1.7 V，最大初动能Ek＝eUc＝1.7 eV，选项A错误；
根据光电效应方程可知，逸出功W0＝ε－Ek＝1.05 eV，选项B错误；
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断开开关S，光电效应依然发生，有光电流，光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路，电流表中电流不为零，选项C错误；
电源电压为反向电压，当滑动触头向a端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，选项D正确.
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A.由乙图可求出普朗克常量h＝
B.仅增大入射光的频率，光电子的最大初动
能保持不变
C.仅增大入射光的光照强度，光电子的最大
初动能将增大
D.断开开关S后，电流表G的示数不为零
考点二　光电效应图像问题
4.(2021·河北邯郸高二期末)用如图2甲所示的装置研究光电效应现象，闭合开关S，用入射光照射光电管时发生了光电效应，图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b).下列说法中正确的是
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图2
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解析　根据Ek＝hν－W0得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，等于b.当最大初动能为零时，入射光的频率等于截止频率，所以金属的截止频率为νc＝a，那么普朗克常量为h＝ ，故A错误；
根据Ek＝hν－W0得，仅增大入射光的频率，光电子的最大初动能增大，选项B错误；
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根据光电效应方程可知，最大初动能与入射光的频率有关，与光的强度无关，故C错误；
断开开关S后，光电管两端的电压变为零，但因光电效应现象中光电子存在初动能，光电子仍可到达阳极形成光电流，因此电流表G的示数不为零，故D正确.
13
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5.如图3所示是某次实验中得到的甲、乙两种金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像，两金属的逸出功分别为W甲、W乙，如果用频率为ν1的光照射两种金属，光电子的最大初动能分别为E甲、E乙，则下列关系正确的是
A.W甲>W乙
B.W甲C.E甲>E乙
D.E甲＝E乙
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图3
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解析　根据爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0＝hν－hνc，又Ek＝eUc，则eUc＝hν－hνc，由Uc－ν图线可知，当Uc＝0时，ν＝νc，金属甲的截止频率大于金属乙的截止频率，则金属甲的逸出功大于乙的逸出功，即W甲>W乙，选项A正确，B错误.
如果用频率为ν1的光照射两种金属，根据光电效应方程，逸出功越大，则其光电子的最大初动能越小，因此E甲13
14
6.(2021·江苏省新桥高级中学高二期中)研究光电效应的电路如图4所示.用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流.下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图像中，正确的是
图4
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解析　光电流I与UAK间的关系图线与横轴交点的横坐标表示遏止电压，频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，故选项C正确.
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7.钠金属的极限波长为540 nm，白光是由多种色光组成的，其波长范围为400～760 nm.若用白光照射钠金属，则下面四幅表示逸出的光电子的最大初动能Ek与入射光波长λ(或波长的倒数 )的关系图像中，可能正确的是
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8.1916年，美国著名物理学家密立根，完全肯定了爱因斯坦的光电效应方程，并且测出了当时最精确的普朗克常量h的值，从而获得1923年度诺贝尔物理学奖.若用如图5甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率ν，作出如图乙所示的Uc－ν图像，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，则下列说法正确的是
A.图甲中电极A连接电源的正极
B.普朗克常量约为6.64×10－34 J·s
C.该金属的截止频率为5.0×1014 Hz
D.该金属的逸出功约为6.61×10－19 J
图5
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能力综合练
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解析　电子从K极出来，在电场力的作用下做减速运动，所以电场线的方向向右，所以A极接电源负极，故A错误；
由爱因斯坦光电效应方程得：Ek＝hν－W0，电子在电场中做减速运动，
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结合数据解得：h≈6.61×10－34 J·s，故B错误，C正确；
金属的逸出功W0＝hνc＝6.61×10－34×5.0×1014 J≈3.31×10－19 J，故D错误.
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9.用三种不同的单色光照射同一金属做光电效应实验，得到的光电流与电压的关系图像如图6所示，则下列说法正确的是
A.单色光A和B是颜色相同、强度不同的光
B.单色光A的频率大于单色光C的频率
C.单色光A的遏止电压大于单色光C的遏止电压
D.单色光A对应的光电子的最大初动能大于单色
光C对应的光电子的最大初动能
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图6
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解析　由题图可知，单色光A和单色光B的遏止电压相同，所以它们是同一色光，相同电压时，单色光A对应的光电流更大，说明单位时间内照射的光电子数更多，即单色光A更强，故A正确；
根据eUc＝Ek＝hν－W0，可知入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，由题图可知单色光C的遏止电压大于单色光A的遏止电压，故单色光C的频率大于单色光A的频率，则单色光C对应的光电子的最大初动能大于单色光A对应的光电子的最大初动能，故B、C、D错误.
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C.由图乙可知，该金属的截止频率为
5.0×1014 Hz
D.当照射光的频率为17.5×1014 Hz时，逸出的光电子的最大初动能为3.2×10－19 J
A.图甲中滑动变阻器的滑片移到最
左端，电流计G的示数为零
B.由图乙得普朗克常量为6.4×10－33 J·s
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图7
10.(2020·衡水中学高二月考)如图7甲所示为某实验小组成员研究某金属发生光电效应的遏止电压随照射光频率变化关系的实验装置，图乙为实验得到的遏止电压随照射光频率变化的关系图像，电子的电荷量e＝1.6×10－19 C，则下列说法正确的是
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解析　当题图甲中滑动变阻器的滑片移到最左端，光照射金属发生光电效应，回路中仍有光电流，电流计的示数不为零，故A错误；
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当Uc＝0时，ν＝νc＝5.0×1014 Hz，故C正确；
当照射光的频率为17.5×1014 Hz，逸出的光电子的最大初动能为Ek＝eUc1＝8.0×10－19 J，故D错误.
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11.(2021·江苏常熟高二期中)如图8为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系图像.由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的是
图8
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故遏止电压越大说明光的频率越大，则有三种光的频率νb>νc>νa，则可知三种光的折射率的关系为nb>nc>na，因此光穿过三棱镜时b光偏折最大，c光次之，a光最小，故选C.
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A.如用金属钨做实验得到的Ek－ν图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大
B.如用金属钠做实验得到的Ek－ν图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大
C.如用金属钨做实验，当入射光的频率ν＜νc时，可能会有光电子逸出
D.如用金属钠做实验得到的Ek－ν图线也是一条直线，设其延长线与纵轴交点的坐
标为(0，－Ek2)，则Ek2＜Ek1
图9
12.实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像如图9所示.下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功，参照下表可以确定的是
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金属 钨 钙 钠
截止频率νc/(×1014Hz) 10.95 7.73 5.53
逸出功W0/eV 4.54 3.20 2.29
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解析　由光电效应方程Ek＝hν－W0可知Ek－ν图线是直线，且斜率相同，A、B项错误；
如用金属钨做实验，当入射光的频率ν<νc时，不发生光电效应，不会有光电子逸出，故C错误；
如用金属钠做实验得到的Ek－ν图线也是一条直线，设其延长线与纵轴交点的坐标为(0，－Ek2)，由于钠的逸出功小于钙的逸出功，则Ek213
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13.(2021·山东莱芜高二期末)用频率为ν的单色光照射阴极K时，能发生光电效应.下面关于光电效应常见的四个图像(如图10所示)说法正确的是
图10
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A.图甲表示光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的图像，斜率为普朗克常量的倒数
B.图乙表示颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系图像，强黄光的饱和光
电流大，是因为照射时间长
C.图丙表示颜色不同的光，光电流与电压的关系图像，蓝光的频率小，遏止电压大，
最大初动能大
D.图丁表示遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像，普朗克常量h即为图线的斜率k与
电子电荷量e的乘积，即h＝ke
√
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解析　由爱因斯坦光电效应方程可知Ek＝hν－W0，即图像斜率为普朗克常量h，故A错误；
颜色相同、强度不同的光照射同一金属，饱和光电流的强弱只与入射光的强度有关，与照射时间无关，故B错误；
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蓝光的频率比黄光大.当照射同一金属时，逸出功相同，由hν＝W0＋Ek＝Uce可知，蓝光的遏止电压大，最大初动能大，故C错误；
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14.(2020·衡水中学专题练习)如图11甲所示是研究光电效应规律的光电管，用波长为λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，实验测得流过G表的电流I与A、K之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h＝6.63×10－34 J·s，c＝3×108 m/s，结合图像，求：(结果保留两位有效数字)
图11
(1)每秒阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大初动能；
答案　4.0×1012个　9.6×10－20 J　
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解析　由题图可知，最大光电流为0.64 μA，
由题图可知，发生光电效应时的遏止电压是0.6 V，所以光电子的最大初动能：Ekm＝eUc＝0.60 eV＝9.6×10－20 J；
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(2)该阴极材料的极限波长.
答案　0.66 μm
代入数据得：λc≈0.66 μm.
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