2022-2023学年高二物理粤教版（2019）选择必修三4.1 光电效应 课时作业 解析版

4.1 光电效应
一、单选题
1．在下列各组所说的现象中，表现出光具有粒子性的是（　　）
A．光电效应现象 B．光的干涉现象 C．光的衍射现象 D．光的折射现象
2．做光电效应实验时，用黄光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增大，应（　　）
A．改用红光照射 B．增大黄光的强度
C．增大光电管上的加速电压 D．改用紫光照射
3．用如图所示的电路研究光电效应，当用某种频率的光照射到光电管上时，电流表A 的示数为I ，若改用更高频率的光照射，则 （　　）
A．将开关S 断开，则没有电流流过电流表A
B．将滑动变阻器的滑片P 向A 端滑动，光电子到达阳极时的速度必将变小
C．只要电源的电压足够大，将滑动变阻器的滑片P向B端滑动，电流表示数可能为 0
D．只要电源的电压足够大，将滑动变阻器的滑片P向A端滑动，光电管中可能没有光电子
4．1916年，美国著名实验物理学家密立根，完全肯定了爱因斯坦光电效应方程，并且测出了当时最精确的普朗克常量h的值，从而赢得1923年度诺贝尔物理学奖．若用如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压与入射光频率，作出如图乙所示的的图象，电子电荷量，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
C．该金属的遏止频率为
D．该金属的逸出功约为
5．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
6．如图所示，1887年德国物理学家赫兹利用紫外线照射锌板后，发现与锌板连接的验电器箔片张开。关于这一现象，下列说法中正确的是（　　）
A．验电器箔片张开，是因为箔片带负电
B．验电器箔片张开，是因为锌板得到了正电荷
C．紫外线灯功率增大，箔片张角也增大
D．若换用红外线灯照射锌板，箔片张角增大
7．如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能与入射光频率的关系图像，由图像可知（　　）
A．当入射光的频率为时，有光电子逸出
B．该金属的逸出功等于
C．入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为
D．入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为
8．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
二、多选题
9．下面表格中给出了一些金属材料的逸出功：
材料 铯 铍 钙 钛
逸出功（10﹣19J） 3.0 6.2 4.3 6.6
现用波长为330-400nm（1nm=10-9m）的紫外线光照射上述材料，能产生光电效应的材料（普 朗克常量，光速c=3.0×108m/s）A．铯 B．铍 C．钙 D．钛
10．用紫光照射某金属恰可发生光电效应，现改用较弱的太阳光照射某金属，则
A．可能不发生光电效应
B．逸出光电子的时间明显变长
C．逸出光电子的最大初动能不变
D．单位时间逸出光电子的数目变小
11．如图所示为氢原子能级示意图，从能级分别跃迁到能级，和过程产生a、b、c三种光子，已知可见光的光子能量范围为，则下列说法正确的是（　　）
A．a、b、c三种光分别为紫外线、可见光、红外线
B．a、b、c三种光分别为红外线、可见光、紫外线
C．若b光照射某一金属能发生光电效应，a光一定能发生
D．b光在同一介质中的传播速度比c光传播速度大
12．一束光照射到某金属表面上发生了光电效应。若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么（　　）
A．从光照至金属表面到有光电子射出的时间间隔将缩短
B．光电子的最大初动能将保持不变
C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D．有可能不发生光电效应
三、解答题
13．用光子说解释入射光的频率必须大于截止频率才能产生光电效应的原因。
14．如图所示，一光电管的阴极用极限频率为ν0的钠制成。用波长为λ的紫外线照射阴极，光电管阳极A和阴极K之间的电势差为U，光电流的饱和值为I，普朗克常量为h，真空中光速为c，电子的电荷量为e。
（1）求电子到达A极时的最大动能Ekm；
（2）若每入射N个光子会产生1个光电子，求紫外线照射阴极功率P。
15．(1)有一条横截面积S=1mm2的铜导线，通过的电流I=1A，已知铜的密度=8.9×103kg/m3、摩尔质量M=6.4×10－2kg/mol，阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol－1，电子的电量e=1.6×10－19C。在这个问题中可以认为导线中每个铜原子贡献一个自由电子。求铜导线中自由电子定向移动的速率 （保留1位有效数字）
(2)由上述计算结果可知：自由电子靠定向移动通过一条1m长的导线需要很长时间。可是电灯开关闭合时，电灯瞬间就亮了，感觉不到延迟。如何解释这个现象？
(3)进一步研究表明：金属内自由电子在常温下热运动的速率为105m/s这个量级，其动能用Ek0表示。考虑这个动能之后，光电效应方程应该是Ek0+h=W0+Ekm，可是教材上光电效应方程并没有Ek0这一项。试通过定量计算说明其原因。（已知电子质量m=9.1×10－31kg，铜的截止频率为1.061015Hz，普朗克常量h=6.6310－34Js，某次实验中单个光子能量约75eV=1.210－17J）
参考答案：
1．A
【详解】A．光电效应现象表现出光有粒子性，A正确；
BCD．光的干涉、衍射、折射现象说明光的波动性，不能说明光的粒子性，BCD错误。
故选A。
2．D
【详解】A．红光的能量低于黄光，可能导致不能发生光电效应或者减小最大初动能，A错误；
B．单纯增加黄光强度，会增加逸出粒子数目，但不会改变粒子的最大初始动能，B错误；
C．光电管的加速电压与粒子逸出时的最大初始动能无关，C错误；
D．紫光的能量高于黄光，改用紫光可以增大粒子逸出时的最大初始动能，D正确。
故选D。
3．C
【详解】A．即使开关S断开，由于入射光的频率更高，则导致光电子的最大初动能更大，能到达另一极，则有电流流过电流表A，A错误；
B．由电路可知，P向A端移动，导致阳极与阴极电压增大，电场力也增大，所以电子加速度增大，故光电子到阳极的速度增大， B错误；
C．若电源的电压足够大，P向B端移动，使得光电流减小，可能为零，C正确；
D．若电源的电压足够大，P向A端移动因反向电压增大，光电流更大，改用高频率的光照射，一定有光电子产生，D错误。
故选C。
4．C
【详解】A、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；
B、由爱因斯坦光电效应方程得：，粒子在电场中做减速，由动能定理可得： ，
解得： 由题图可知，金属的极限频率等于 ，图像的斜率代表了 ，结合数据解得： ，故B错误；C对
D、金属的逸出功 ,故D错误；
故选C
5．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.
6．C
【详解】AB．用紫外线照射锌板，电子从锌板表面溢出，锌板失去电子带正电，与锌板连接的验电器箔片张开，是因为箔片带正电，AB错误；
C．紫外线灯功率增大，那么锌板失去的电子越多，锌板带电量越大，因此箔片张角也增大，C正确；
D．红外线的频率小于紫外线的频率，根据光电效应产生条件，若换用红外线灯照射锌板，可能不发生光电效应，则验电器箔片不一定张开，D错误。
故选C。
7．B
【详解】A．由图可知，该金属产生光电效应的极限频率为，当入射光的频率为时，不可能有光电子逸出，故A错误；
B．由图可知，当时，，根据光电方程
可得，该金属的逸出功为
故B正确；
C．由图可知，入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为零，故C错误；
D．由图可知，光电子最大初动能与入射光频率之间的关系为
所以当入射光的频率为时，产生的光电子的最大初动能为，故D错误。
故选B。
8．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。
9．AC
【详解】一个光子的能量
，
根据入射光的能量大于逸出功，才会发生光电效应，所以能发生光电效应的材料有铯和钙，故AC正确，BC错误．
10．CD
【详解】由于太阳光含有紫光，所以照射金属时发生光电效应且逸出光电子的最大初动能不变，又因为光强变弱，所以单位时间逸出光电子的数目变小．
11．AC
【详解】AB．根据能级差则有
a、b、c三种光分别表示紫外线、可见光、红外线，故A正确，B错误；
C．若可见光能发生光电效应，紫外线一定能发生，即b光照射某一金属能发生光电效应，a光一定能发生，故C正确；
D．可见光的折射率比红外线的大，根据可见光在介质中的传播速度小，即b光在同一介质中的传播速度比c光传播速度小，故D错误；
故选AC。
12．BC
【详解】A．光的强度影响的是单位时间内发出光电子的数目，不会影响从光照到金属表面到有光电子射出的时间间隔，故A错误；
B．根据爱因斯坦光电效应方程
可知当入射光频率不变时，逸出的光电子的最大初动能不变，与入射光的强度无关，故B正确；
C．光的强度影响的是单位时间发出光电子的数目，入射光强度减小，单位时间从金属表面逸出的光电子数目将减少，故C正确；
D．根据爱因斯坦光电效应方程
可知当入射光频率不变时，金属板仍能发生光电效应，故D错误。
故选BC。
13．见解析
【详解】当光照射到金属表面上时，金属中的电子每次只能吸收一个光子的能量，当电子吸收的能量不足以克服金属中原子核的束缚脱离金属表面时，电子吸收的能量瞬间扩散，不能累计，当电子吸收的能量能够克服金属中原子核的束缚时，该电子将脱离金属表面，变成光电子，即发生了光电效应现象，由于金属中的电子所处位置不一样，直接从金属表面逸出的光电子克服金属原子核引力做功最少，即为逸出功，若恰好发生光电效应，根据光电效应方程有
则发生光电效应存在截止频率
即当入射光的频率大于截止频率时，金属中的电子吸收一个光子的能量后才能够克服金属中原子核引力的束缚成为光电子，产生光电效应现象。
14．（1）；（2）
【详解】（1）由爱因斯坦光电效应方程可知电子从阴极飞出的最大初动能
再由动能定理有
解得
（2）t时间内由K极发射的光电子数
且有
解得
15．(1)；(2)见解析；(3)见解析
【详解】(1)设自由电子在导线内定向移动的速率为v，单位体积内自由电子数目n，对导线某截面，设时间内通过导体截面的电量为，由电流强度定义有
由题意，自由电子数目为
代入得
代入数据解得
(2)闭合开关的瞬间，电路中的各个位置迅速建立了恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流，所以电灯瞬间就亮，感觉不到延迟；
(3)电子热运动的动能为
铜的逸出功为
自由电子热运动动能与铜的逸出功相比小2个数量级，与入射光子能量相比，小3到4个数量级，故在光电效应方程中可以忽略。