高中物理：6.1 光电效应及其解释 课后限时训练（含答案）

光电效应及其解释
(建议用时：40分钟)
基础练
?题组一　对光电效应现象的理解
1．下列关于光电效应现象的表述中，错误的是(　　)
A．光电效应是指照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象
B．光电效应存在极限频率
C．入射光光强太弱时不可能发生光电效应
D．光电效应几乎是瞬时发生的
2．如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在静电计上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现静电计指针偏转一定角度，下列说法正确的是(　　)
A．静电计带正电，锌板带负电
B．静电计带负电，锌板也带负电
C．若改用红光照射锌板，静电计的指针一定也会偏转
D．若改用同等强度、频率更高的紫外线照射锌板，静电计的指针也会偏转
3．如图所示为一含光电管的电路图，滑动变阻器滑动触头P位于AB上某点，用光照射光电管阴极，电流计无偏转，要使电流计指针偏转，可采取的措施有(　　)
A．加大入射光强度
B．换用频率高的光照射
C．将P向A滑动
D．将电源正负极对调
4．如图所示，把一块带负电的锌板连接在静电计上，静电计指针张开一定的角度。用紫外线灯照射锌板，发现静电计指针的张角发生变化。下列推断合理的是(　　)
A．静电计指针的张角会不断变大
B．静电计指针的张角会先变小后变大
C．静电计指针的张角发生变化是因为锌板获得了电子
D．若改用红外线灯照射锌板，也一定会使静电计指针的张角发生变化
?题组二　对光电效应方程的理解与应用
5．用某色光照射金属表面时，有光电子从金属表面飞出，如果改用频率更大的光照射该金属表面，则(　　)
A．金属的逸出功增大
B．金属的逸出功减小
C．光电子的最大初动能增大
D．光电子的最大初动能不变
6．用红光照射光电管阴极发生光电效应时，光电子的最大初动能为Ek，饱和光电流为I，若改用强度相同的紫光照射同一光电管，产生光电子最大初动能和饱和光电流分别为Ek′和I′，则下面正确的是(　　)
A．Ek′＜Ek，I′＞I B．Ek′＞Ek，I′＞I
C．Ek′＜Ek，I′＝I D．Ek′＞Ek，I′＜I
?题组三　光的波粒二象性
7．关于光的本性，下列说法正确的是(　　)
A．光具有波动性，又具有粒子性，这是相互矛盾和对立的
B．光表现出波动性时与机械波性质相同，光表现出粒子性时光子可看作质点
C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性
D．由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去解释光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性
8．物理学家做了一个有趣的双缝干涉实验：在光屏处放上照相用的底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹。对这个实验结果有下列认识，其中正确的是 (　　)
A．曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点可以预测
C．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D．干涉条纹中明亮的部分是光子到达概率较大的地方
9．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ν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。
提升练
10．(多选)在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置，如图(a)所示，在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图(b)所示。则正确的是(　　)
A．乙光的频率大于甲光的频率
B．甲光的波长小于丙光的波长
C．丙光的光子能量小于甲光的光子能量
D．乙光对应的光电子最大初动能等于丙光的光电子最大初动能
11．(多选)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，由表中数据得出的论断中正确的是(　　)
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电子的最大动能/eV
甲 123 4.04.04.0 弱中强 294360 1.21.21.2
乙 456 6.06.06.0 弱中强 274055 2.92.92.9
A．甲、乙两组实验中所用的金属板材质相同
B．甲组实验所采用的入射光波长更长
C．甲组实验若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为2.2 eV
D．乙组实验若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
12．小明用阴极为金属铷的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。(计算结果保留3位有效数字)
(1)图甲中电极A为光电管的什么极？
(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc和逸出功W0分别是多少？
(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek是多少？
13．光电管是应用光电效应实现光信号与电信号之间相互转换的装置，其广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。如图所示，C为光电管，B极由金属钠制成(钠的极限波长为5.0×10－7 m)。现用波长为4.8×10－7 m的某单色光照射B极。
(1)电阻R上电流的方向是向左还是向右？
(2)求出从B极发出的光电子的最大初动能；
(3)若给予光电管足够大的正向电压时，电路中光电流为10 μA，则每秒射到光电管B极的光子数至少为多少个？
参考答案：
基础练
?题组一　对光电效应现象的理解
1．下列关于光电效应现象的表述中，错误的是(　　)
A．光电效应是指照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象
B．光电效应存在极限频率
C．入射光光强太弱时不可能发生光电效应
D．光电效应几乎是瞬时发生的
C　[根据光电效应的定义及实验规律可知，A、B、D正确；光电效应现象能否发生与入射光的强度无关，当入射光的频率大于或等于极限频率时，就可以发生光电效应，C错误。]
2．如图所示，把一块不带电的锌板用导线连接在静电计上，当用某频率的紫外线照射锌板时，发现静电计指针偏转一定角度，下列说法正确的是(　　)
A．静电计带正电，锌板带负电
B．静电计带负电，锌板也带负电
C．若改用红光照射锌板，静电计的指针一定也会偏转
D．若改用同等强度、频率更高的紫外线照射锌板，静电计的指针也会偏转
D　[用紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，静电计与锌板相连，则静电计的金属球和金属指针也带正电，A、B错误；根据发生光电效应的条件可知，若改用红光照射锌板，不一定能发生光电效应，所以静电计的指针不一定会发生偏转，若改用同等强度、频率更高的紫外线照射锌板，验电器的指针会偏转，C错误，D正确。]
3．如图所示为一含光电管的电路图，滑动变阻器滑动触头P位于AB上某点，用光照射光电管阴极，电流计无偏转，要使电流计指针偏转，可采取的措施有(　　)
A．加大入射光强度
B．换用频率高的光照射
C．将P向A滑动
D．将电源正负极对调
B　[由电路图可知光电管阴极K电势低，阳极A电势高，如果K极有电子飞出，则电子向阳极A加速运动，电流计指针将偏转，而现在电流计指针无偏转，说明没有发生光电效应，能否发生光电效应仅与入射光频率有关，与光强、外加电压的大小及方向均无关。可见要使电流计指针发生偏转，需增大入射光频率，故选项B正确。]
4．如图所示，把一块带负电的锌板连接在静电计上，静电计指针张开一定的角度。用紫外线灯照射锌板，发现静电计指针的张角发生变化。下列推断合理的是(　　)
A．静电计指针的张角会不断变大
B．静电计指针的张角会先变小后变大
C．静电计指针的张角发生变化是因为锌板获得了电子
D．若改用红外线灯照射锌板，也一定会使静电计指针的张角发生变化
B　[发生光电效应时，锌板表面会有光电子逸出，锌板所带负电荷减少，静电计指针的张角发生变化，故C错误；锌板原来带负电，发生光电效应时，电子不断减少，锌板所带电荷量先减小后增大，静电计指针的张角也会先变小后变大，故A错误，B正确；因为红外线的频率小于紫外线的频率，所以用红外线灯照射时，不一定产生光电效应，静电计指针的张角也不一定会发生变化，故D错误。]
?题组二　对光电效应方程的理解与应用
5．用某色光照射金属表面时，有光电子从金属表面飞出，如果改用频率更大的光照射该金属表面，则(　　)
A．金属的逸出功增大
B．金属的逸出功减小
C．光电子的最大初动能增大
D．光电子的最大初动能不变
C　[金属的逸出功只由金属本身决定，与入射光的频率无关，选项A、B错误；根据mv＝hν－W逸出功可知，如果改用频率更大的光照射该金属表面，则光电子的最大初动能增大，选项C正确，D错误。故选C。]
6．用红光照射光电管阴极发生光电效应时，光电子的最大初动能为Ek，饱和光电流为I，若改用强度相同的紫光照射同一光电管，产生光电子最大初动能和饱和光电流分别为Ek′和I′，则下面正确的是(　　)
A．Ek′＜Ek，I′＞I B．Ek′＞Ek，I′＞I
C．Ek′＜Ek，I′＝I D．Ek′＞Ek，I′＜I
D　[因为紫光的频率比红光的频率高，由光电效应方程hν＝W0＋Ek得知Ek′＞Ek。又因为两束光的强度相同，因而N红hν红＝N紫hν紫，所以光子数N红＞N紫，而饱和光电流又由入射的光子数决定，因此I＞I′，故A、B、C错误，D正确。]
?题组三　光的波粒二象性
7．关于光的本性，下列说法正确的是(　　)
A．光具有波动性，又具有粒子性，这是相互矛盾和对立的
B．光表现出波动性时与机械波性质相同，光表现出粒子性时光子可看作质点
C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性
D．由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去解释光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性
D　[光在不同条件下表现出不同的行为，其波动性和粒子性并不矛盾，A错误，D正确；光表现出波动性时不同于机械波，表现出粒子性时也不同于质点，B错误；大量光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性，C错误。]
8．物理学家做了一个有趣的双缝干涉实验：在光屏处放上照相用的底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹。对这个实验结果有下列认识，其中正确的是 (　　)
A．曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点可以预测
C．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D．干涉条纹中明亮的部分是光子到达概率较大的地方
D　[单个光子表现为粒子性，而大量光子表现为波动性，所以曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点，说明了单个光子表现为粒子性，故A错误；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，故B错误；光具有波粒二象性如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出明显的波动性，故C错误；光子到达多的区域表现为亮条纹，而光子到达少的区域表现为暗条纹，故D正确。]
9．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ν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。
[解析]　(1)根据光电效应方程可知hν－W0＝Ek0
逸出的电子在电场中加速向A运动，根据动能定理
Ue＝Ekm－Ek0
联立解得Ekm＝Ue＋hν－W0。
(2)每秒钟到达K极的光子数量为n，则nhν＝P
每秒钟逸出电子个数为a个，则a＝
回路的电流强度I＝＝ae
联立得I＝。
[答案]　(1)Ue＋hν－W0　(2)
提升练
10．(多选)在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置，如图(a)所示，在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图(b)所示。则正确的是(　　)
A．乙光的频率大于甲光的频率
B．甲光的波长小于丙光的波长
C．丙光的光子能量小于甲光的光子能量
D．乙光对应的光电子最大初动能等于丙光的光电子最大初动能
AD　[由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及遏止电压的含义可知，hν－W0＝eUc，结合题意与图像可以判断，W0相同，U1>U2，则三种色光的频率为ν乙＝ν丙>ν甲，故丙光子能量大于甲光子能量，A正确，C错误；同时判断乙光对应光电子的最大初动能等于丙光对应光电子的最大初动能，D正确；由ν＝知，λ乙＝λ丙＜λ甲，B错误。]
11．(多选)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，由表中数据得出的论断中正确的是(　　)
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电子的最大动能/eV
甲 123 4.04.04.0 弱中强 294360 1.21.21.2
乙 456 6.06.06.0 弱中强 274055 2.92.92.9
A．甲、乙两组实验中所用的金属板材质相同
B．甲组实验所采用的入射光波长更长
C．甲组实验若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为2.2 eV
D．乙组实验若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
BCD　[根据光电效应方程Ek＝hν－W，可得第一组实验对应金属板的逸出功为
W＝(4.0－1.2)eV＝2.8 eV
第二实验对应金属板的逸出功为W′＝(6.0－2.9)eV＝3.1 eV
W≠W′
则可知两组实验所用的金属板材质不同，故A错误；
第一组实验时，光子能量为4.0 eV ，第二组实验时，光子能量为6.0 eV ，根据
ε＝hν＝h
可知甲实验采用的入射光的波长较长，故B正确；
若入射光子的能量为5.0 eV，根据光电效应方程Ek＝hν－W，可得甲组实验逸出光电子的最大动能为Ek＝5.0 eV－2.8 eV＝2.2 eV，故C正确；
由表格中的数据可知，在产生光电效应的前提下，对同种频率的入射光而言，入射光的强度越大，光电流越大，所以若入射光子的能量为5.0 eV，大于金属板的逸出功，则相对光强越强，光电流越大，故D正确。故选BCD。]
12．小明用阴极为金属铷的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。(计算结果保留3位有效数字)
(1)图甲中电极A为光电管的什么极？
(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc和逸出功W0分别是多少？
(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek是多少？
[解析]　(1)由光电管的结构知，A为阳极。
(2)Uc ν图像中横轴的截距表示截止频率，则
νc＝5.20×1014 Hz，
逸出功W0＝hνc≈3.45×10－19 J。
(3)由爱因斯坦的光电效应方程得
Ek＝hν－W0≈1.19×10－19 J。
[答案]　(1)阳极　(2)5.20×1014 Hz　3.45×10－19 J　(3)1.19×10－19 J
13．光电管是应用光电效应实现光信号与电信号之间相互转换的装置，其广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。如图所示，C为光电管，B极由金属钠制成(钠的极限波长为5.0×10－7 m)。现用波长为4.8×10－7 m的某单色光照射B极。
(1)电阻R上电流的方向是向左还是向右？
(2)求出从B极发出的光电子的最大初动能；
(3)若给予光电管足够大的正向电压时，电路中光电流为10 μA，则每秒射到光电管B极的光子数至少为多少个？
[解析]　(1)B极板上逸出光电子，相当于电源的正极，A为负极，故流过R的电流向左。
(2)Ekm＝h－h＝6.63×10－34×3×108×(－)J≈1.66×10－20 J。
(3)每秒电路中流过的电子电荷量
q＝It＝10×10－6×1 C＝1×10－5 C
n＝＝个＝6.25×1013个。
[答案]　(1)向左　(2)1.66×10－20 J (3)6.25×1013个