6.2光电效应的理论解释 综合训练（Word版含答案）

6.2光电效应的理论解释
一、选择题（共14题）
1．用绿光照射一光电管能产生光电流，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增加，可以采用（ ）
A．改用紫光照射 B．改用红光照射
C．增大绿光强度 D．延长绿光的照射时间
2．在光电效应实验中，用频率为的光照射光电管阴极，发生了光电效应.下列说法正确的是（ ）
A．仅增大入射光的强度，光电流大小不变
B．入射光的强度必须足够大，才能发生光电效应
C．改用频率小于的光照射，可能不发生光电效应
D．改用频率小于的光照射，光电子的最大初动能变大
3．用某种频率的光照射锌板，使其发射出光电子。为了增大光电子的最大初动能，下列措施可行的是（　　）
A．增大入射光的强度 B．增加入射光的照射时间
C．换用频率更高的入射光照射锌板 D．换用波长更长的入射光照射锌板
4．如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在验电器上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现验电器指针偏转一定角度，下列说法正确的是（　　）
A．锌板带正电，验电器带正电
B．锌板带负电，验电器带负电
C．若改用蓝光照射锌板，验电器的指针一定不会偏转
D．若改用红外线照射锌板，只要照射时间足够长，验电器的指针一定也会偏转
5．下列有关物理史实的说法中，正确的是（　　）
A．安培发现了电流的磁效应
B．库仑利用油滴实验测定了元电荷的数值
C．玻尔基于α粒子散射实验的事实，提出了原子的“核式结构模型”
D．爱因斯坦引入了光量子概念，建立了光电效应方程，成功解释了光电效应现象
6．若能力为E0的光子射到某金属表面时，从金属表面逸出的电子的最大初动能为E，则能量为2E0的光子射到该金属表面时，逸出的电子的最大初动能为
A．E0+E B．E0-E C．2E D．2E0-E
7．2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图象传感器．他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理．如图所示电路可研究光电效应规律．图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极．理想电压表用来指示光电管两端的电压．现对调电源正负极并接通电源，用光子能量为10.5 eV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，电流计的读数逐渐减小，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6.0 V；现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是（ ）
A．光电管阴极材料的逸出功为4.6 eV
B．若增大入射光的强度，电流计的读数不为零
C．若用光子能量为12 eV的光照射阴极A，光电子的最大初动能一定变大
D．若用光子能量为9.5 eV的光照射阴极A，同时把滑片P向左移动少许，电流计的读数一定不为零
8．关于光电效应，下列说法正确的是（　　）
A．极限频率越大的金属材料逸出功越大
B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应
C．入射光的波长越长，从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大
D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多
9．如图所示是氢原子的能级示意图，一群处于能级的氢原子在自发跃迁时会辐射一些光子，普朗克常量。则下列说法正确的是（　　）
A．波长为的紫外线能使处于基态的氢原子电离
B．用这些光子照射逸出功为的金属钙，其表面所发出的光电子的最大初动能为
C．这群氢原子能发出三种频率的光
D．跃迁到能级辐射的光子能量比跃迁到能级的小
10．下列说法不正确的是（　　）
A．普朗克的假设认为微观粒子的能量是量子化的 B．爱因斯坦认为电磁场本身是连续的
C．奥斯特发现了电流的磁效应 D．法拉第发现了电磁感应现象
11．光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 饱和光电流大小/mA 逸出光电子的最大动能/eV
第一组 1 2 3 4.0 4.0 4.0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0.9 0.9
第二组 4 5 6 6.0 6.0 6.0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2.9 2.9
由表中数据得出的论断中不正确的是（　　）
A．两组实验采用了不同频率的入射光
B．两组实验所用的金属板材质不同
C．逸出光电子的最大动能与相对光强无关
D．入射光子的能量相同时，相对光强越强饱和光电流越大
12．某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像如图所示。则由图像可知（　　）
A．该金属的逸出功等于hν0
B．该金属的逸出功等于eU
C．若已知电子电量e，则普朗克常量
D．当入射光频率为2ν0时遏止电压是2U
13．演示光电效应的实验中，把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用光源照射锌板时，验电器张开的指针夹角会变小。已知锌板的逸出功是。下列说法正确的是（　　）
A．要使电子脱离锌板，外界需对电子做功的最小值为
B．保持入射光频率一定，增大入射光强度，从锌板飞出的光电子初动能也增大
C．保持入射光频率一定，增大入射光强度，从锌板飞出的光电子数目增多
D．若入射光的光子能量小于，适当延长照射时间也可以使指针夹角变小
14．用某单色光照射金属钛表面，发生光电效应。从钛表面放出光电子的最大初动能与入射光频率的关系图线如图。则下列说法正确的是（　　）
A．钛的逸出功为6.67×10-19J
B．钛的极限频率为1.0×1015Hz
C．由图线可知光电子的最大初动能和入射光频率成正比
D．由图线可求得普朗克常量为6.67×10-34J s
二、填空题
15．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的_______从表面逸出的现象。
16．如图“光电效应”实验，将一块擦得很亮的锌板连 接在不带电的灵敏验电器上，用紫外灯照射锌板，发现验电器指针的张角_______（选填“张开”、“闭合”），这说明锌板_______（选填“带电”、“不带电”）。
17．如图所示为氢原子的能级图．让一束单色光照射到大量处于基态（量子数n＝1）的氢原子上，被激发的氢原子能自发地发出3种不同频率的色光，则照射氢原子的单色光的光子能量为________eV.用这种光照射逸出功为4.54eV的金属表面时，逸出的光电子的最大初动能是________eV.
18．如图1是研究某光电管发生光电效应的电路图,当用频率为的光照射金属K时,通过调节光电管两端电压U,测量对应的光电流,绘制了如图2的I-U图象．当用频率为的光照射金属K时,光电子的最大初动能=________________．已知电子所带电荷量为e,图象中、及普朗克常量h均为已知量．
三、综合题
19．光电效应实质上分为内光电效应和外光电效应，分别简述它们的特点。
20．我国中微子探测实验利用光电管把光信号转换为电信号。如图所示，和分别是光电管的阳极和阴极，在、之间加上一可调电压。现用一束频率为的紫外线照射在上，并在回路中形成电流。已知阴极材料的逸出功为，普朗克常量为，电子电荷量为。求：
（1）光电子离开时的最大动能；
（2）使回路中的电流强度减小到0的反向遏止电压。
21．如图所示是利用光电效应现象测定金属极限频率的实验原理图，其中电源电动势为E，内阻为r，R0的总电阻为4r，两块平行金属板相距为d，当N受频率为υ的紫外线照射后，将发射沿不同方向运动的光电子，形成电流，从而引起电流计的指针偏转，若闭合开关S，调节R0逐渐增大极板间电压，可以发现电流逐渐减小．当电压表示数为U时，电流恰好为零．（已知普朗克常量h、电子电荷量e、电子质量m、光速为c）则
⑴金属板N的极限频率为多大？
⑵这时Rpb为多大？
⑶切断开关S，在MN间加垂直于纸面的匀强磁场，逐渐增大磁感应强度，也能使电流为零，当磁感应强度B为多大时，电流恰好为零？
22．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。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．A
【详解】
A．用绿光照射一光电管能产生光电流，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增加，则必须要增加入射光的频率，因紫光的频率大于绿光，则选项A正确；
B．红光的频率小于绿光，则选项B错误；
CD．根据光电效应的规律，增大绿光强度以及延长绿光的照射时间都不能使光电子从阴极逸出时的最大初动能增加，选项CD错误.
2．C
【详解】
光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，能否发生光电效应，与入射光的强度无关，与光照时间也无关，当发生光电效应时，增大入射光的强度，则光电流会增大．故A错误；入射光的频率大于金属的极限频率，才会发生电效应，与入射光的强度无关，故B错误；光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，当改变频率小于ν，若低于极限频率时，则不会发生光电效应，故C正确．在光电效应中，根据光电效应方程知，Ekm=hv-W0，入射光的频率越低，但仍大于极限频率时，光电子最大初动能会越小，故D错误；故选C.
3．C
【详解】
根据光电效应方程
得，光电子的最大初动能与入射光的强度、照射时间无关。入射光的频率越高，或波长越短，光电子的最大初动能越大。
故选C。
4．A
【详解】
AB．用紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电， B错误，A正确；
CD．当入射光的频率达到极限频率，就可以发生光电效应，因为蓝光和红外线的频率小于紫光，所以，不一定发生光电效应，验电器的指针不一定发生偏转，CD错误。
故选A。
5．D
【详解】
A．奥斯特发现了电流的磁效应，选项A错误；
B．密立根利用油滴实验测定了元电荷的数值，选项B错误；
C．卢瑟福于α粒子散射实验的事实，提出了原子的“核式结构模型”，选项C错误；
D．爱因斯坦引入了光量子概念，建立了光电效应方程，成功解释了光电效应现象，选项D正确。
故选D。
6．A
【详解】
设金属的逸出功为W, 若用能量为E0的光照射某金属时，产生光电子的最大初动能为E，根据光电效应方程知，：E=E0-W0；改用能量为2E0的光照射同一金属，金属的逸出功不变，则最大初动能为：Ekm=2E0-W0=E0+E．故选A.
7．C
【详解】
A、由电路图可知图中所加电压为反向减速电压，根据题意可知遏止电压为6 V，由得光电管阴极材料的逸出功为，故A错误；
B、当电压达到遏止电压时，所有电子都不能到达A极，无论光强如何变化，电流计示数仍为零，故B错误；
C、若光子能量增大，根据光电效应方程，光电子的最大初动能一定变大，故C正确；
D、若光子能量为9.5 eV的光照射阴极K，则遏止电压为5V，滑片P向左移动少许，电流计的读数仍为零，故D错误；
故选C．
8．A
【详解】
A．根据
可知，极限频率越大的金属材料逸出功越大，选项A正确；
B．能否发生光电效应与照射的时间无关，只与入射光的频率有关，选项B错误；
C．根据
则入射光的波长越长，从金属表面逸出的光电子的最大初动能越小，选项C错误；
D．在光电效应中，光电子数目与光强有关，入射光的光强一定时，当频率越高，则入射光单位时间射出的光子个数少，单位时间内逸出的光电子数就越少，故D错误；
故选A。
9．A
【详解】
A．波长为的紫外线光子的能量为
所以，能使处于基态的氢原子电离，故A正确；
B．用这些光子照射逸出功为的金属钙，其中从能级的氢原子自发跃迁到基态时，释放光子的能量最大，为
根据爱因斯坦光电效应方程，可得金属钙表面所发出的光电子的最大初动能为
故B错误；
C．根据跃迁规律，这群处于能级的氢原子在自发跃迁时会辐射
6种不同频率的光，故C错误；
D．从能级的氢原子自发跃迁到能级时，辐射的光子能量为
从能级的氢原子自发跃迁到能级时，辐射的光子能量为
故D错误。
故选A。
10．B
【详解】
A，普朗克的假设认为微观粒子的能量不是连续性的，是一份一份的，是量子化的，A正确；
B．爱因斯坦根据普朗克的能量子假说提出的光子说，也就是电磁场是不连续的，B错误；
C．奥斯特发现了电流的磁效应，C正确；
D．法拉第发现了电磁感应现象，D正确。
本题选错误的，故选B。
11．B
【详解】
A．入射光子的能量
其中h为普朗克常量，为入射光子的频率，由图表数据可知，两组实验入射光子的能量不同，所以入射光子的频率不相同，故A正确；
B．由爱因斯坦光电效应方程
其中为被照射金属的逸出功，其大小取决于金属的材质。由第一组数据可知
解得
由第二组数据可知
解得
由于
所以两组实验所用的金属板的性质相同，即金属板的材质相同，故B错误；
C．根据爱因斯坦光电效应方程
可知逸出光电子的最大动能与相对光强无关，故C正确；
D．由饱和光电流的决定因素知，入射光子能量相同时，饱和光电流的大小取决于相对光强，相对光强越强，饱和光电流越大，故D正确。
本题选错误项，故选B。
12．ABC
【详解】
A．根据光电效应方程，有
当时，有
故该金属的逸出功等于hν0，故A正确；
B．图像中纵轴截止与公式中的常数项相对应，有
解得
故B正确；
C．图像中斜率与公式中的自变量前面系数相对应，有
解得
故C正确；
D．对当入射光频率为2ν0时，有
解得
故D错误。
故选ABC。
13．AC
【详解】
A．逸出功是使电子脱离锌板，外界需对电子做功的最小值。A正确；
BC．保持入射光频率一定，增大入射光强度，根据光电效应方程，光电子的最大初动能不变，但是光电子数目会增多。B错误，C正确；
D．若入射光的光子能量小于，则不能发生光电效应，所以延长光照时间，指针偏角也不会变小。D错误。
故选AC。
14．ABD
【详解】
ABD．根据光电效应方程知，图线的斜率等于普朗克常量，则有
当最大初动能为零时，入射光的频率等于金属的极限频率，则钛的极限频率为
可知钛的逸出功
故ABD正确；
C．由图可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，不是正比关系，故C错误；
故选ABD。
15．电子
16． 张开 带电
【详解】
紫外灯照射锌板，锌板里的电子吸收光子能量后逸出来光电子，则锌板失去电子后带正电，所以发现验电器指针的张角张开，这说明锌板带电。
17． 12.09 7.55
【详解】
试题分析：单色光照射到大量处于基态的氢原子上，被激发的氢原子能自发地发出3种不同频率，说明基态的氢原子跃迁到n=3的激发态，根据玻尔理论得到：照射氢原子的单色光的光子能量为：
；由爱因斯坦光电效应方程得，逸出的光电子的最大初动能：．
18．
【详解】
由图2可知，当该装置所加的电压为反向电压，当电压是Uc时，电流表示数为0，知道光电子点的最大初动能为：Ekm=e Uc，根据光电效应方程EKm=hv-W0，则：W0=hv-eUc．
当用频率为2ν的光照射金属K时，Ek=2hv-W0=hv+eUc
19．见详解
【详解】
1．外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子吸收光子的能量而逸出物体表面向外发射的现象，根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体表面的逸出功，从光照作用到释放电子不超过，当光照频率低于极限频率时不能发生光电效应，外光电效应多发生于金属和金属氧化物。
2．内光电效应是指当光线作用下，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象，分为光电导现象和光生伏特现象：（1）光电导现象指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化，灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，例如光敏电阻；（2）光生伏特现象指在光的作用下能使物体产生一定方向电动势的现象，无污染，轻便，简单，动态特性好，工作与可见光波段，例如光电池。
20．（1）；（2）
【详解】
（1）根据爱因斯坦光电效应方程可知
（2）使回路中的电流强度减小到0，即没有光电子能够到达光电管阳极，由动能定理可知
解得
21．⑴ ⑵ ⑶
【详解】
（1）当电压为U，电流为零时有，，
解式得；
（2）又因为，所以；
（3）加上磁场后电子做匀速圆周运动，电流为零由题意知，d=2R
解得．
22．（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
答案第1页，共2页