6.1光电效应及其解释同步练习（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

6.1 光电效应及其解释 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．已知普朗克常量，真空中的光速。极紫外线是光刻机用来制造先进芯片的光源，某金属板的极限波长为，若用波长为11nm的极紫外线照射该金属板，则金属板逸出光电子的最大初动能为（　　）
A． B． C． D．
2．如图所示为一研究光电效应的电路图，用一定频率的光照射阴极K，电流表有示数，则下列判断正确的是（ ）
A．将滑动变阻器的滑片向右移动，电流表的示数一定会越来越大
B．将滑动变阻器的滑片移到最左端时，电流表的示数一定为零
C．将照射光强度减弱，光电子从阴极K逸出的最大初动能不变
D．将照射光强度减弱，光电子从阴极K逸出需要的时间变长
3．用a、b两种不同的金属做光电效应实验，a的逸出功大于b的逸出功。在同一坐标系中作出它们的遏止电压Uc随入射光频率v变化的图像。下列选项中可能正确的是（ ）
A． B．
C． D．
4．地铁靠站时，列车车体和屏蔽门之间安装有光电传感器。如图甲所示的光电传感器，若光线被挡住，电流发生变化，工作电路立即报警。如图乙所示，光线发射器内大量处于n = 3激发态的氢原子向低能级跃迁时，辐射出的光只有a、b两种可以使该光电管阴极逸出光电子，图丙所示为a、b光单独照射光电管时产生的光电流I与光电管两端电压U的关系图线。已知光电管阴极材料的逸出功为2.55eV，可见光光子的能量范围是1.62 ~ 3.11eV，下列说法不正确的是（ ）
A．由题述可知光电管中光电子飞出阴极时的最大初动能为9.54eV
B．由题述可知，a光为氢原子从n = 3能级跃迁到n = 1能级时发出的光
C．光线发射器中发出的光有一种可见光
D．若部分光线被遮挡，光电子飞出阴极时的最大初动能不变，但光电流减小
5．如图所示，等腰直角三角形为一棱镜的横截面，。由甲、乙两种单色光组成的一细光束，从AB边射入三棱镜，调整入射方向发现，当入射光束垂直AB边入射时，恰好只有甲光从BC边射出，且出射光线和BC边的夹角为，则下列判断正确的是（ ）
A．甲光的全反射临界角小于乙光的全反射临界角
B．甲、乙两光的折射率之比为
C．用完全相同的杨氏双缝干涉仪做双缝干涉实验，甲光的条纹要比乙光的条纹宽
D．若甲、乙两光均能使某金属发生光电效应，则由甲光照射产生的光电子最大初动能更大
6．电磁波为信息的传播“插上了翅膀”。广播、电视、移动通信等通信方式，使古代人“顺风耳、千里眼”的梦想变成了现实，下列说法正确的是（　　）
A．麦克斯韦提出，变化的磁场一定产生变化的电场
B．电磁波是一种物质，具有能量，且能量是量子化的
C．赫兹提出能量量子化假说，认为光是由一个个不可分割的能量子组成的
D．电磁波的频率越高，其能量子的能量越大，在真空中传播的速度越大
7．原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂。如图甲，XX代表激发态1，X代表激发态2，G代表基态，由于能级劈裂，如图乙，X态劈裂为两支，分别为、两个能级。原子劈裂前辐射出光谱线①和②，劈裂后辐射出光谱线③、④、⑤和⑥，下列说法正确的是（ ）
A．①和③的能量相等
B．③的频率大于⑤的频率
C．③和④的频率之和等于⑤和⑥的频率之和
D．若用④照射某种金属能发生光电效应，则用⑥照射也一定能发生
8．如图所示为氢原子的发射光谱和氢原子能级图，、、、是其中的四条光谱线及其波长，分别对应能级图中从量子数为n=3、4、5、6的能级向量子数为n=2的能级跃迁时发出的光谱线。已知可见光波长在400nm~700nm之间，下列说法正确的是（　　）
A．谱线对应的光是可见光中的紫光
B．四条光谱线中，谱线对应的光子能量最大
C．谱线对应的是从n=5的能级向n=2的能级跃迁时发出的光谱线
D．谱线对应的光，照射逸出功为3.20eV的金属，可使该金属发生光电效应
二、多选题
9．如图甲所示为演示光电效应的实验装置，如图乙所示为a、b、c三种光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图丙所示为氢原子的能级图，丁图给出了几种金属的逸出功和极限频率关系。则（　　）
A．图甲所示的光电效应实验装置所加的是反向电压，能测得，
B．若b光为绿光，c光可能是蓝光
C．若b光光子能量为0.66eV，照射某一个处于激发态的氢原子，最多可以产生3种不同频率的光
D．若用能使金属铷发生光电效应的光，用它直接照射处于激发态的氢原子，可以直接使该氢原子电离
10．如图所示，有一玻璃直角三棱镜，。由两种单色光甲和乙组成的一细光束，从边射入三棱镜，调整入射方向发现，当入射光束垂直边入射时，单色光甲从边射出，且出射光线和边的夹角为30°，单色光乙恰好在边发生全反射，则下列判断正确的是（　　）

A．甲、乙两种单色光的折射率分别为和
B．甲、乙两种单色光在该玻璃中的传播速度之比为
C．若用单色光甲照射某金属表面，能使该金属发射光电子，则用单色光乙照射该金属表面，也一定能使该金属发射光电子
D．用完全相同的杨氏双缝干涉仪做双缝干涉实验，单色光甲的条纹宽度要比单色光乙的条纹宽度窄
11．如图，某种太阳能电池的主体部分由P型半导体和N型半导体结合而成。当太阳光照射到该材料上时，材料吸收光子发生内光电效应，电子从材料内部由P型向N型一侧移动，从而在两端形成电势差。已知该材料中的电子至少需要吸收一个能量为E的光子才能发生内光电效应，普朗克常量为h，光速为c，则（　　）
A．太阳光的强度越弱，则通过负载的电流越小
B．通过负载的电流方向从下至上
C．能使该材料发生内光电效应的最长波长为
D．改用紫外线照射该材料，则不能发生光电效应
12．下列说法中正确的是（　　）
A．图甲检测玻璃面是否平整的原理是光的衍射现象，若a光能使某金属发生光电效应，则采用b光照射也一定能发生光电效应
B．图乙是铀核裂变图，其核反应方程为，若该过程质量亏损为，则铀核的结合能为
C．图丙表示LC振荡电路充放电过程的某瞬间，根据电场线和磁感线的方向可知电路中电流强度正在减小
D．图丁中的P、Q是偏振片，当P固定不动缓慢转动Q时，光屏上的光亮度将会发生变化，此现象表明光波是横波
三、实验题
13．二十世纪初期对于光电效应有许多不同的解释，密立根通过实验证实爱因斯坦的光量子论，从而奠定了现代光电科技的基础，现代生活中常见的太阳能板，能将太阳能转换为电能，即是应用了此效应。令h代表普朗克常数，e代表一个电子电量。
(1)假设为光的频率，为光波长，c为光速，E为光量子能量，则下列表达式正确的是（　　）
A． B． C． D．
(2)为了测量普朗克常数h，同学设计了如图所示的实验电路图，其中电源 端为正极（填“a”或“b”）。
(3)若对同一金属实验，取某一入射光频率，并调节电源电压，当电路的光电流为 时，记录此时电压和对应频率的实验数据，然后改变入射光频率，重复以上步骤，得到多组数据。
(4)作出遏止电压U随入射光频率变化的图像，其斜率为k，可求得普朗克常数 。
14．如图甲所示，一验电器与锌板相连，在O处用的紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角。现使验电器指针回到零，再用相同强度的黄光照射锌板，验电器指针无偏转。
（1）甲图中锌板带 电，指针带 电（“正”、“负”、“无”）；若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针 （填“有”或“无”）偏转。
（2）某同学设计了如图乙所示的电路，图中A和K为光电管的两极，K为阴极，A为阳极。现接通电源，用光子能量为6.4eV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，电流计的示数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的示数恰好为零，读出此时电压表的示数为2.1V，则光电管阴极材料的逸出功为 eV，该阴极材料的截止频率为 Hz。（普朗克常量，结果保留两位有效数字）
（3）如图丙中Uc为反向遏止电压，v为入射光频率，改变入射光频率（都大于该光电管的截止频率）测得如图丙直线。若用逸出功更小的光电管作阴极材料，在图丙中画出可能的图像 。
四、解答题
15．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的光全部照射在K上，回路中形成电流。已知光电子到达A时的最大动能为Ekm，普朗克常量为h， 电子电荷量为e。
（1）若对调电源正、负极，则光电管两端电压至少调为多少， 才可使电流表G示数为零；
（2）若电流表G的示数为I， 则平均每入射多少个光子会产生1个光电子，设所有的光电子都能到达 A。
16．发生衰变过程中产生的原子核处于激发态，跃迁辐射出能量为2.64eV和7.56eV的光照射阴极K，测得这两种光照下的遏止电压之比为1：3，求：
（1）两种光照下逸出的光电子的最大初动能之比；
（2）该金属的逸出功。
17．可利用如图1所示的电路可以研究光电效应中电子的发射情况与光照的强弱、光的频率间的关系，以及光电流与电压等物理量间的关系。K、A是密封在真空玻璃管中的两个电极。K受到光照时能够发射电子，K与A之间的电压大小可以调整，电源的正负极也可以对调。
（1）电源按图1所示的方式连接，且将滑动变阻器中的滑片置于中央位置附近。已知阴极K金属的逸出功是W，普朗克常量为h，元电荷为e。
a.求阴极K的截止频率；
b.若用频率为v的光照射阴极，有电子从K极板逸出，电子经电压U加速后到达A极板，求电子到达A极板时的最大动能。
（2）美国物理学家密立根为了检验爱因斯坦光电效应方程的正确性，设计实验并测量了某金属的遏止电压与入射光的频率。某同学根据他的方法进行实验，将获得的实验数据绘制成如图2所示的图线，元电荷。
a.请根据实验图像和数据，求普朗克常量h的数值（结果保留1位有效数字）：并说明如何检验爱因斯坦光电效应方程的正确性（说明方法即可）。
b.某次实验，用光照强度一定的光照射阴极，假设阴极K单位时间发射出的电子数为N，元电荷为e。请分析通过灵敏电流计的电流I。
18．某同学用研究光电效应的装置实验测定普朗克常量，在不同光照下得到同一光电管两条光电流与电压之间的关系曲线如图所示。图线甲、乙与U轴交点坐标绝对值分别为，对应入射光频率分别为，电子的电荷量为e。求：
（1）入射光频率为时，出射光电子的最大初动能；
（2）普朗克常量。
19．在玻尔的原子结构理论中，氢原子由高能级向低能级跃迁时能发出一系列不同频率的光，波长可以用巴尔末一里德伯公式来计算，式中为波长，为里德伯常量，分别表示氢原子跃迁前和跃迁后所处状态的量子数，对于每一个，有，。其中，赖曼系谱线是电子由的轨道跃迁到的轨道时向外辐射光子形成的，巴尔末系谱线是电子由的轨道跃迁到的轨道时向外辐射光子形成的。现用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验。若用赖曼系中波长最长的光照射时，遏止电压的大小为；若用巴尔末系中的光照射金属时，遏止电压的大小为。已知电子电荷量的大小为，真空中的光速为，里德伯常量为。试求:普朗克常量和该金属的逸出功。
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参考答案：
1．B
【分析】本题考查光电效应，目的是考查学生的创新能力。
【详解】设金属板的极限波长为，逸出功为，则有
解得
根据光电效应方程有
解得
故选B。
2．C
【详解】A．将滑动变阻器的滑片向右移动，电压表示数不断增大，电流表的示数可能先增大，然后如果电流表示数达到饱和电流大小后就保持不变，故A错误；
B．由于能发生光电效应，因此滑动变阻器的滑片移到最左端时，电压表示数为零、但是仍有光电子能到达A极，即电流表的示数不为零，故B错误；
C．根据爱因斯坦光电效应方程，光电子从阴极逸出的最大初动能与光照频率有关，跟照射光强度无关，因此光电子从阴极逸出的最大初动能不变，故C正确；
D．当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流，光电效应具有瞬时性，故D错误。
故选C。
3．D
【详解】根据爱因斯坦光电效应方程有
hv－W0 = eUc
整理有
由题知a的逸出功大于b的逸出功，则两图像的斜率相同，a的纵截距大于b的纵截距。
故选D。
4．B
【详解】AC．光线发射器中发出的光子的能量分别为
可见光光子的能量范围是，光线发射器中发出的光有一种为可见光，再根据光电效应方程
光电管中光电子飞出阴极时的最大初动能为
故AC正确；
B．由图丙可知，a光遏止电压小于b光遏止电压，由光电效应方程
遏止电压公式
得a光能量小于b光能量，则题述a光为氢原子从能级跃迁到能级时发出的光，故B错误；
D．部分光线被遮挡，不改变光子能量，则光电子飞出阴极时的最大初动能不变。因为光子数量减少，则光电子数量减小，光电流变小，故D正确。
本题选错误的，故选B。
5．C
【详解】B．根据折射定律，甲、乙两种单色光的折射率分别为
甲、乙两光的折射率之比
故B错误；
A．全反射临界角
甲单色光的折射率小于乙单色光的折射率，甲单色光的全反射临界角大于乙单色光的全反射临界角，故A错误；
C．甲单色光的折射率小于乙单色光的折射率，则甲单色光的频率小于乙单色光的频率，单色光在真空中的波长为
则甲单色光的波长大于乙单色光的波长，根据双缝干涉条纹间距公式
则单色光甲的条纹宽度要比单色光乙的条纹宽度宽，故C正确；
D．甲单色光的折射率小于乙单色光的折射率，则甲单色光的频率小于乙单色光的频率，根据光电效应方程
若甲、乙两光均能使某金属发生光电效应，则由甲光照射产生的光电子最大初动能更小，故D错误。
故选C。
6．B
【详解】A．根据麦克斯韦电磁理论正弦式交变的磁场产生同频率的交变电场，均匀变化的磁场产生恒定的电场，即变化的磁场不一定产生变化的电场，故A错误；
B．电磁波是物质的一种特殊的形态，电磁波具有能量，且能量是量子化的，故B正确；
C．普朗克提出能量量子化假说，爱因斯坦认为光是由一个个不可分割的能量子组成的，故C错误；
D．根据
可知，电磁波的频率越高，其能量子的能量越大，但在真空中传播的速度一定，始终等于光速c，故D错误。
故选B。
7．C
【详解】A．因原子能级跃迁放出的光子的能量等于原子的能级差，由题图可知光子①、③对应的能量关系为
故A错误；
B．由题图可知光子③、⑤对应的能量关系为
由光子能量，③的频率小于⑤的频率，故B错误；
C．XX态能级与基态能级差保持不变，故③和④的频率之和等于⑤和⑥的频率之和，故C正确；
D．由光子能量和，知用④照射某金属表面时能发生光电效应，可知大于此金属的逸出功，因，则无法比较与的大小关系，故用⑥照射该金属不一定能发生光电效应，故D错误。
故选C。
8．B
【详解】A．四条光谱线中，谱线对应的光子波长最大，频率最小，而紫光频率最大，故A错误；
B．四条光谱线中，谱线对应的光子波长最小，频率最大，能量最大，故B正确；
C．谱线对应的光子能量为
从n=5的能级向n=2的能级跃迁时的能量
故C错误；
D．谱线对应的光子能量为
由此可知，光子能量小于金属的逸出功，所以该金属不能发生光电效应，故D错误。
故选B。
9．BCD
【详解】A．图甲所示的光电效应实验装置所加的是正向电压，不能测得，，故A错误；
B．根据光电效应方程
遏止电压方程为
联立可得
可知频率越大，遏止电压越大，由图可知
故若b光为绿光，c光可能是蓝光，故B正确；
C．若b光光子能量为0.66eV，照射某一个处于激发态的氢原子，根据
氢原子吸收b光光子的能量，跃迁至激发态，再逐级跃迁至基态可最多产生3种不同频率的光，故C正确；
D．若用能使金属铷发生光电效应的光，根据光电效应方程有
则光子的能量大于2.13eV，处于激发态的氢原子，该氢原子发生电离的能量为1.51eV，故用能使金属铷发生光电效应的光直接照射处于激发态的氢原子，可以直接使该氢原子电离，故D正确。
故选BCD。
10．BC
【详解】根据题意，由折射定律和反射定律画出光路图，如图所示

A．根据题意，由几何关系可知，甲光在边的入射角为，折射角为
则甲光的折射率为
乙光恰好发生全反射，则临界角为，则乙光的折射率为
故A错误；
B．根据题意，由公式可得
则甲、乙两种单色光在该玻璃中的传播速度之比为
故B正确；
C．由于甲光的折射率小于乙光的折射率，则甲光的频率小于乙光的频率，由光电效应方程可知，若用单色光甲照射某金属表面，能使该金属发射光电子，则用单色光乙照射该金属表面，也一定能使该金属发射光电子，故C正确；
D．根据题意，由公式可知，由于甲光的频率小，则甲光的波长长，由公式可知，用完全相同的杨氏双缝干涉仪做双缝干涉实验，单色光甲的条纹宽度要比单色光乙的条纹宽度宽，故D错误。
故选BC。
11．AB
【详解】A．太阳光强度越弱，内光电效应释放的电子越少，向N型一侧移动的自由电子越少，两端电势差越小，电路中的电流越小，故太阳光的强度越弱，则通过负载的电流越小，A正确；
B．自由电子向N型一侧移动，N型一侧电势更低，故电流从P型一侧流出，回到N型一侧，故电流应该从下至上通过负载，B正确；
C．发生光电效应的极限波长满足
解得
C错误；
D．太阳光中紫外线的频率最高，太阳光能让该材料发生内光电效应，则该材料的极限频率应小于等于紫外线的频率，故改用紫外线照射该材料，能发生内光电效应，D错误。
故选AB。
12．CD
【详解】A．图甲检测玻璃面是否平整的原理是光的干涉现象，不是衍射，由干涉图样可知，a光的波长比b光的大，故a光的频率比b光的小，若a光能使某金属发生光电效应，则采用b光照射也一定能发生光电效应，故A错误；
B．在核反应的过程中，质量亏损为，核反应的过程释放的能量为，不是结合能，故B错误；
C．由图示磁场由安培定则可知，电路电流沿顺时针方向，由电容器极板间电场方向可知，电容器上极板带正电，则此时正处于充电过程，电路电流逐渐减小，故C正确；
D．只有横波才能产生偏振现象，所以光的偏振现象表明光是一种横波，故D正确。
故选CD。
13．(1)AD
(2)b
(3)0
(4)ke
【详解】（1）根据
得
故选AD。
（2）[1]根据电路图，结合逸出电子受到电场阻力时，微安表示数才可能为零，因只有b点电势高于a点，才能实现微安表示数为零。所以电源b端为正极。
（3）[1]若对同一金属实验，取某一入射光频率，并调节电源电压，当电路的光电流为0时，记录此时电压和对应频率的实验数据，然后改变入射光频率，重复以上步骤，得到多组数据。
（4）[1]根据
得
则
14． 正 正 无 4.3
【详解】（1）[1][2][3]在处用一紫外线灯照射锌板，锌板发生光电效应，光电子射出后，锌板带正电，验电器与锌板连接，所以指针带正电，改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针无偏转，因为红外线不能使锌板发生光电效应。
（2）[4][5] 当滑至某一位置时电流计的示数恰好为零，读出此时电压表的示数为2.1V，可知，遏止电压
根据
解得电管阴极材料的逸出功为
该阴极材料的截止频率为
（3）[6]根据
整理得
所以用逸出功更小的光电管作阴极材料，图像斜率不变，相互平行，但纵截距不同，如下
15．（1）；（2）
【详解】（1）根据光电效应方程和动能定理
设遏止电压为Ue，根据动能定理得
解得
（2）设t时间内通过的电荷量为q，根据电流强度的定义
设产生光电子总数为N，平均每入射n个光子会产生1个光电子
解得
16．（1）；（2）eV
【详解】（1）根据动能定理可知最大初动能为
解得
（2）根据光电效应方程有
故有
解得
eV
17．（1）a．，b．； （2）a．，只需将与普朗克常量h进行比较，若在误差许可的范围内二者相等，则证明“光电效应方程”是正确的，b．
【详解】
（1）a．根据，阴极K的截止频率
b．根据动能定理
（2）a．爱因斯坦光电效应方程
遏止电压对应为具有最大初动能的光电子由K极板运动到A极板动能减为0，根据动能定理有
联立以上各式得
斜率为普朗克常量与元电荷常量之比，由图像求得斜率
代入数据得
只需将与普朗克常量h进行比较，若在误差许可的范围内二者相等，则证明“光电效应方程”是正确的。
b．通过灵敏电流计的电流
18．（1）；（2）
【详解】
（1）由图知
（2）图线甲，由光电效应方程有
图线乙，由光电效应方程有
联立解得
19．，
【详解】
在赖曼系中，氢原子由跃到，对应的波长最长设为，则
所以
所以
在巴尔末系中，氢原子由跃迁到，对应的波长为，频率为，则
设、对应的最大动能分别为、，根据光电效应方程有
根据动能定理有
答案第1页，共2页
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