6.1光电效应及其解释综合训练 （word版含答案）

6.1光电效应及其解释
一、选择题（共15题）
1．爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年的诺贝尔物理学奖．某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率．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
C．ν<ν0时，会逸出光电子
D．图中直线的斜率与普朗克常量有关
2．如图所示，分别用频率为 、 的光照射某光电管，对应的遏止电压之比为1:3，普朗克常量用 表示，则（　　）
A．用频率为 的光照射该光电管时有光电子逸出
B．该光电管的逸出功为
C．用 的光照射时逸出光电子的初动能一定大
D．加正向电压时，用 的光照射时饱和光电流一定大
3．在同一电路装置所做的光电效应实验中，得到了如图所示的三条光电流与电压之间的关系曲线，关于甲、乙、丙三种光，下列叙述正确的有（　　）
A．甲光的频率等于丙光的频率 B．甲光的频率大于乙光的频率
C．乙光的频率小于丙光的频率 D．甲光与丙光的光照强度相同
4．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
5．用不同频率的光照射某种金属时，逸出光电子的最大初动能随入射光频率变化的图线如图所示，图线的反向延长线与纵轴交点纵坐标为 ，与横轴交点横坐标为b，电子的电荷量大小为e，则由图获取的信息，正确的是（　　）
A．该金属的截止频率为a
B．该金属的逸出功为b
C．普朗克常量为
D．入射光的频率为2b时，遏止电压为
6．一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列描述中正确的是（　　）
A．只增大入射光的频率，金属逸出功将减小
B．只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将增大
C．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大
D．只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间将缩短
7．关于下列四幅图片说法正确的是（　　）
A．图甲说明发生光电效应时，频率大的光对应的饱和光电流一定大
B．图乙是α粒子散射图景，散射后绝大多数α粒子基本沿原方向前进
C．图丙中显示的是β粒子在威尔逊云室中又粗又直的径迹
D．图丁说明原子核的质量数越大，比结合能就越大
8．用两种不同金属材料a、b做光电效应实验得到光电子最大初动能 与入射光频率v的关系如图所示，则下列说法正确的是（　　）
A．a的逸出功比b的大 B．a的截止频率比b的小
C．直线一定会相交 D．a发生光电效应时间较短
9．金属钾的逸出功为2.0eV，氢原子的能级图如图所示。一群氢原子处于量子数为n＝4的能级状态，下列说法中正确的是（　　）
A．这群氢原子跃迁时，只能辐射5种频率的光子
B．这群氢原子跃迁时，只有3种频率的光子能使钾发生光电效应
C．用能量为10.2eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D．用能量为12.75eV的光子照射，可使处于基态的氢原子电离
10．人们利用光电效应原理制作了紫外光电管，来对油库等重要场所进行火灾报警，其工作电路如图。只有当明火中的紫外线照射到K极时，电流表有示数同时报警装置启动。已知太阳光中紫外线波长在3.0×10-7~4.0×10-7m之间，而明火中的紫外线波长在2.0×10-7~2.7×10-7m之间，下列说法正确的是（　　）
A．通过电流表的电流是由c到d
B．只有明火照射时间足够长，电流表才会有示数
C．可以通过图中电流表示数的变化监测火情的变化
D．为避免太阳光中紫外线干扰，K极材料的极限频率应大于1.5×1015HZ
11．2021年1月21日，科研人员利用冷冻电镜断层扫描技术首次“拍摄”到新冠病毒的3D影像，如图所示。冷冻电镜（全称：冷冻透射电子显微镜）是目前结构生物学广泛使用的科研利器，它以高速电子束为“光源”穿透样品，以获得样品内部的结构信息。光学显微镜由于受光的衍射现象限制，最高分辩率仅为 ，而冷冻电镜的分辨率比光学显微镜高1000倍以上，可达 。已知电子的质量为 ，电子的电荷量为 ，普朗克常量为 ，不考虑相对论效应，下列说法正确的是（　　）
A．冷冻电镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长非常长
B．冷冻电镜的分辨率与加速电压有关：加速电压越高，则分辨率越低
C．德布罗意波长为 的电子，可由静止电子通过 的电压加速而得到
D．若用相同动能的质子代替电子，也能“拍摄”到新冠病毒的3D影像
12．在光电效应实验中，某同学按如图a方式连接电路，利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流与A、K两极之间电压UAK的关系曲线（甲光、乙光、丙光）如图b所示，则下列说法正确的是
A．甲、乙两光的光照强度相同
B．甲、乙两光的频率相同
C．丙光照射阴极时，极板的逸出功最小
D．乙光的波长大于丙光的波长
13．研究光电效应的电路图如图所示，单色光a照在阴极K，将滑片位置从左移到右的过程中，滑片移至中点时电流表A刚好示数为零。而用另一束单色光b照射，当滑片移到最右端时电流表A刚好示数为零，则（　　）
A．a光的光子能量比较大
B．a光照射K，当电流表示数为零时，将电源反向后，电流表一定有示数
C．a光在水珠中传播的速度一定大于b光在水珠中传播的速度
D．两束光以相同的入射角从水中斜射入空气，若出射光线只有一束，则一定是b光
14．波长为λ1和λ2的两束可见光入射到双缝，在光屏上观察到干涉条纹，其中波长为λ1的光的条纹间距大于波长为λ2的条纹间距。则（下列表述中，脚标“1”和“2”分别代表波长为λ1和λ2的光所对应的物理量）
A．这两束光的光子的动量p1＞p2
B．这两束光从玻璃射向真空时，其临界角C1＞C2
C．这两束光都能使某种金属发生光电效应，则遏止电压U1＞U2
D．这两束光由氢原子从不同激发态跃迁到n＝2能级时产生，则相应激发态的电离能△E1＞△E2
15．真空中有一平行板电容器，两极板分别由铂和钾（其极限波长分别为λ1和λ2）制成，板面积为S，间距为d。现用波长为λ（λ1<λ>2）的单色光持续照射两板内表面，则（　　）
A．电容器电容将增加
B．钾板带正电
C．电容器极板最终带电量正比于
D．若将电容器视为电源，其电动势最大值为
二、填空题
16．用甲、乙两种光做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示，由图可知，两种光的频率 　 　 （填“<”，“>”或“=”），　 　（选填“甲”或“乙”）光的强度大．已知普朗克常量为 ，被照射金属的逸出功为 ，则甲光对应的遏止电压为　 　．（频率用 ，元电荷用e表示）
17．如图所示，在演示光电效应的实验中，用弧光灯发出的紫外光照射锌板，发现与锌板导线相连接的验电器的指针张开一个角度，此时锌板带　 　（选填“正电”、“负电”），若用下列电磁波照射锌板也一定能使验电器指针张开的是　 　（选填“红外光”、“γ射线”、“无线电波”）。
18．在光电效应实验中，某金属的截止频率对应的波长为λ0，该金属的逸出功为　 　．若用波长为λ（λ<λ0）的单色光做该实验，则其遏止电压为　 　．已知电子的电荷量、真空中的光速和普朗克常量分别为e、c和h．
19．真空中有不带电的金属铂板和钾板，其极限波长分别为λ和λ2，用波长为λ(λ1＜λ＜λ2)的单色光持续照射两板面，则带上正电的金属板是　 　( 选填"铂板"或"钾板")。已知真空中光速为c，普朗克常量为h，从金属板表面飞出的电子的最大初动能为　 　
三、综合题
20．如图所示是使用光电管的原理图，当频率为 的可见光照射到阴极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增大。
（2）当电流表电流刚减小到零时，电压表的读数为U，则光电子的最大初动能为　 　（已知电子电荷量为e）。
（3）如果不改变入射光的频率，而增加入射光的强度，则光电子的最大初动能将　 　（填“增加”、“减小”或“不变”）。
21．如图所示是研究光电效应的实验电路示意图，M、N 为两正对的半径为 R 的金属圆形板，板间距为 d。当一细束频率为v的光照 N 极板圆心时，产生沿不同方向运动的光电子。调节滑片P 改变两板间电压，发现当电压表示数为Uc 时，检流计示数恰好为零。假设光电子只从极板圆心处发出，忽略场的边界效应（已知普朗克常量为 h，电子电量为 e，电子质量为m，）
（1）求金属板的逸出功；
（2）若交换电源正负极，调节滑片P逐渐增大两板间电压，求电流达到饱和时的最小电压；
（3）断开开关，在两板间半径为 R 的柱形区域内加上方向垂直纸面的匀强磁场。若板间距离d 可以在 R 到 3R之间变化，求电流为零时B的最小值与d 的关系式。
22．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，A和K分别是光电管的阳极和阴极，加在A、K之间的电压为U。现用发光功率为P的激光器发出频率为v的光全部照射在K上，回路中形成电流。已知阴极K材料的逸出功为W0，普朗克常量为h，电子电荷量为e。
（1）求光电子到达A时的最大动能Ekm；
（2）若每入射N个光子会产生1个光电子，所有的光电子都能到达A，求回路的电流强度I。
23．真空中一组间距为 2R，长度为 R 的平行金属板P、Q 可以用作光电转换装置，放置在 X 轴的正上方，如图所示，在X 轴的正下方放置同样间距，长度为 R的平行金属板M、N，两组金属板间绝缘，M 板接地，且在两板间加有电压UMN，大小、方向均连续可调．P、Q 间有垂直平面的匀强磁场，光照前 P 不带电．当以频率为 f 的光照射P 板时，板中的电子吸收光的能量而逸出．假设所有逸出的电子都垂直于 P 板飞出，在磁力作用下电子会聚于坐标为(R，0)的 S 点，且 P 板最上端的电子从 S 点飞出的方向垂直 X 轴竖直向下，进入 M、N 极板间的电场区域．忽略电子之间的相互作用，保持光照条件不变时，单位时间内从 P 板持续地飞出的电子数为 N，且沿 P 板均匀分布，电子逸出时的初动能均为 EKm，元电荷量为 e，电子的质量为 m．
（1）求金属板P 的逸出功；
（2）求磁感应强度B 的大小和所需磁场区域的最小面积；
（3）到达 N 板的电子全部被收集，导出形成电流 i．计算一些关键参数，在图上面画出 i-UMN的关系曲线．
答案部分
1．D
【解答】光电子的最大初动能与入射光频率的关系是Ekm=hv－W，结合图象易判断；D符合题意．
故答案为：D
2．B
【解答】AB．根据光电效应方程
联立解得
频率为 的单色光光子能量
故用频率为 的光照射该光电管时不能发生光电效应，即无光电子逸出，A不符合题意，B符合题意；
C．根据光电效应方程
可知，光子频率越大，光电子的最大初动能越大，但是逸出光电子的初动能小于等于最大初动能，所以用 的光照射时逸出光电子的初动能不一定大，C不符合题意；
D．在发生光电效应的前提下，饱和光电流的强度只与光照强度有关，电压只是提高光电子的动能，增大电流。到达一定程度之后肯定要受到光电子数量的约束，电流不再增大，D不符合题意。
故答案为：B。
3．A
【解答】A．甲光与丙光遏制电压相同，说明甲光与丙光的频率相同，所以A符合题意；
BC．乙光的遏止电压更大，说明乙光的频率吏大，所以BC不符合题意；
D．甲光与丙光是同种频率的光，但甲光的饱和电流大于丙光的饱和电流，所以甲光的光照强度大于丙光的光照强度，D不符合题意；
故答案为：A。
4．B
【解答】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，A不符合题意；
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，B符合题意，D不符合题意；
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，C不符合题意。
故答案为：B。
5．D
【解答】ABC．根据爱因斯坦光电效应方程
结合图像，当Ekm=0时， ；即该金属的截止频率为b；当 时
即该金属的逸出功为a；普朗克常量为
则ABC不符合题意；
D．根据爱因斯坦光电效应方程可得，当入射光的频率为2b时，光电子最大初动能为
而
则
D符合题意。
故答案为：D。
6．C
【解答】金属逸出功由金属材料决定，与入射光无关．A不符合题意．根据爱因斯坦光电效应方程得知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光照射时间无关．B不符合题意，C符合题意．只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间不变．D不符合题意．
故答案为：C.
7．B
【解答】A．甲图反应的是同种频率的色光，强度越大，光子数越多，饱和电流越大，不同频率的色光，强度相同情况下，频率越大，光子越少，饱和电流越小，A不符合题意；
B．乙图是卢瑟福α粒子散射图景，散射后绝大多数α粒子基本沿原方向前进，只有少数粒子发生了较大的偏转，B符合题意；
C．α粒子的质量大，不易改变方向，电离本领大，产生的粒子多，故径迹直而粗短，丙中显示的是α径迹，C不符合题意；
D．丁图说明原子核数比较大或比较小时，比结合能比较小，原子核数处于中间部分比结合能比较大，D不符合题意；
故答案为：B。
8．B
【解答】AB．由光电效应方程Ekm=hν-W0
由图可知，当最大动能为零时，a的截止频率更小，A的逸出功比b的小，A不符合题意，B符合题意；
C．图象斜率都为普朗克常量h，图像不会相交，C不符合题意；
D．无法判断发生光电效应时间，D不符合题意。
故答案为：B。
9．C
【解答】A．这群氢原子跃迁时，能辐射 种频率的光子，A不符合题意；
B．这群氢原子跃迁时，能级差大于2eV的跃迁有4→1，3→1，2→1，4→2，则有4种频率的光子能使钾发生光电效应，B不符合题意；
C．用能量为10.2eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到n=2的激发态，C符合题意；
D．只有用大于13.6eV的光子照射，才可使处于基态的氢原子电离，D不符合题意。
故答案为：C。
10．C
【解答】A．光电子是从c到d通过电流表，而电流方向与电子定向移动方向相反，则通过电流表的电流是由d到c，A不符合题意；
B．光电效应具有瞬时性，只要明火中的紫外线照射到K极，电流表就有示数，B不符合题意；
C．若火情变大，则明火中会有更多且更高频率的紫外线照射到K极上，将有更多的光电子运动到A极板，形成更大的光电流，电压表示数变大，反之，则电压表示数变小，所以可以通过图中电流表示数的变化监测火情的变化，C符合题意；
D．当发生明火时，需要启动报警装置，根据 可知，明火中的紫外线频率主要在1.1×1015~1.5×1015Hz之间，则K极材料的极限频率应大于1.1×1015Hz，D不符合题意。
故答案为：C。
11．D
【解答】A．冷冻电镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长非常短，A不符合题意；
B．根据德布罗意波长公式
而
对电子加速过程应用动能定理得
联立可得
由此可知，加速电压U越高，则波长越短，分辨率越高，B不符合题意；
C．由公式
得
C不符合题意；
D．根据公式，因为 动能相同时，波长与质量的二次方根成反比，而 ，所以 ，由此可知，加速电压U越高，则波长越短，分辨率越高，能“拍摄”到新冠病毒的3D影像， D符合题意。
故答案为：D。
12．B,D
【解答】B.根据eUc=Ek=hv-W0，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大。甲光、乙光的遏止电压相等，所以甲光、乙光的频率相等，B符合题意；
A. 甲光、乙光的频率相等，由图可知，甲光饱和光电流大于乙光，因此甲光的光强大于乙光的光强，A不符合题意；
C.极板的逸出功只与极板金属的材料有关，与入射光无关，C不符合题意；
D. 丙光的遏止电压大于乙光的遏止电压，所以丙光的频率大于乙光的频率，则乙光的波长大于丙光的波长，D符合题意；
故答案为：BD
13．B,C
【解答】A．由题意可知a光的遏止电压小于b光的遏止电压，所以a光的光子能量较小，A不符合题意；
B．a光照射K，当电流表示数为零时，K已经发生了光电效应，只是在反向电压作用下使得光电子无法到达阳极，此时将电源反向后，光电子可以到达阳极，电流表一定有示数，B符合题意；
C．由于a光的光子能量比b光的光子能量小，所以a光的频率比b光的频率小，则水珠对b光的折射率比对a光的折射率大，根据
可知a光在水珠中传播的速度一定大于b光在水珠中传播的速度，C符合题意；
D．根据
可知a光的全反射临界角比b光的全反射临界角大，所以两束光以相同的入射角从水中斜射入空气，若出射光线只有一束，则一定是a光，D不符合题意。
故答案为：BC。
14．B,D
【解答】A．根据双峰干涉的条纹间距的表达式 可知λ1>λ2，由 可知p1B．光1的折射率n1小于光2的折射率n2，则根据sinC=1/n可知这两束光从玻璃射向真空时，其临界角C1＞C2，B符合题意；
C．光1的频率f1小于光2的频率f2，则这两束光都能使某种金属发生光电效应，则根据 可知，遏止电压U1D．这两束光由氢原子从不同激发态跃迁到n＝2能级时产生，可知1光所处的激发态的能级较低，相应激发态的电离能较大，即△E1＞△E2，D符合题意.
故答案为：BD
15．B,D
【解答】A．电容器的电容是由本身的结构决定的，则用单色光持续照射两板内表面，则电容器电容不变，A不符合题意；
B．因单色光的波长为λ（λ1<λ>2），小于钾的极限波长，可知单色光能使钾极板发生光电效应，打出电子，则钾板带正电，B符合题意；
CD．电子从钾金属板飞出时的动能为
公式中W2为钾金属的逸出功。光电子不断从钾极板发出，又不断到达铂极板，使电容器带电不断增加，电压也不断增大，这个电压是使光电子减速的反向电压。当某时刻，光电子恰好到达铂极板时其速度减为零，则电容器的电量达到最大值Q=CU
（这里的电压U相当于反向截止电压。）
由动能定理可得
若将电容器视为电源，其电动势最大值为
平行板电容器的电容，
C不符合题意，D符合题意。
故答案为：BD。
16．=；甲；
【解答】根据eUc=hv0=hv W0，由于Uc相同，因此两种光的频率相等，
根据光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判定甲光的强度较大；
由光电效应方程Ekm=hv W0，
可知，电子的最大初动能Ekm=hv W0；
那么甲光对应的遏止电压为Uc= ；
17．正电；γ射线
【解答】锌板在弧光灯照射下，发生光电效应，有光电子逸出，锌板失去电子带正电入射光的频率大于金属的极限频率，可以发生光电效应，用紫外线照射锌板，发生光电效应，由于γ射线的频率大于紫外线的频率，用γ射线照射锌板能够使验电器指针张开，红外线、无线电波的频率小于紫外线的，不一定能发生光电效应即不一定能使验电器指针张开
18．；
【解答】金属的逸出功W0＝hν0＝ ．根据光电效应方程知：E km＝ ，又E km=eU，则遏止电压U= ．
19．钾板；
【解答】由公式 ，由于(λ1＜λ＜λ2)，所以单色光的频率大于钾板的极限频率而小于铂板的极限频率，所以单色光照在两板面时，钾板能发生光电效应，所以钾板带正电，
由爱因斯坦光电效应方程：
20．（1）左
（2）eU
（3）不变
【解答】①当变阻器的滑动端P向左移动，反向电压减小，光电子到达右端的速度变大，则通过电流表的电流变大；②当电流表电流刚减小到零时，电压表的读数为U，根据动能定理得 ，则光电子的最大初动能为eU；③光的强度影响单位时间内发出光电子的数目，光照强度增大，光子数目增多，光电流增大．
21．（1）解：当电压为Uc，电流为零时有：
解得逸出功：
（2）解：电子做类平抛运动R=vt，
由牛顿第二定律，则有
解得：
（3）解：由题意知根据洛伦兹力提供向心力：
解得： ，d=2r
解得：
22．（1）解：根据光电效应方程可知
逸出的电子在电场中加速向A运动，根据动能定理
联立解得
（2）解：每秒钟到达K极的光子数量为n，则
每秒钟逸出电子个数为a个，则
回路的电流强度
联立得
23．（1）解：根据光电效应方程可得： ，
解得
（2）解：从P板水平飞出的电子均能过S点，则要求磁场区域半径为R的圆，可知运动半径r=R；由 ，且
解得
所需磁场区域的最小面积
（3）解：①截止电压：OS方向电子刚好不能到达N板： ；
；
②饱和电压：垂直OS方向电子刚好到达N板；竖直方向匀速，水平方向加速； ；
；
；
③不加电压：出射方向与水平成θ角的电子恰好打到N板；
；
；
；
；
电流i=0.5Ne