2025人教版高中物理选择性必修第三册强化练习题（有解析）--2　光电效应

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2025人教版高中物理选择性必修第三册
2　光电效应
基础过关练
题组一　光电效应的实验规律
1.(经典题)(2024江苏南通阶段测试)如图所示,在演示光电效应的实验中,将一带电锌板与灵敏验电器相连,验电器指针张开。用弧光灯发出的紫外线照射锌板后,观察到验电器的指针张角减小,下列说法中正确的是 (　　)
A.锌板原来带正电
B.若仅减弱照射光的强度,仍能观察到指针张角减小
C.若用可见光照射锌板,一定也能观察到指针张角减小
D.无论用什么光照射,只要时间够长,锌板都能发生光电效应
2.(2024江西模拟预测)用黄光照射某种金属时,能发生光电效应。如图所示,用该金属制成光电管,并将光电管与微安表连接成闭合回路。现用蓝光照射该光电管,下列说法正确的是(　　)
A.微安表中没有电流通过,因为电路中没有电源
B.微安表中不一定有电流通过,因为蓝光的频率有可能小于该金属的截止频率
C.微安表中一定有电流通过,且用蓝光照射时微安表中的电流一定比用黄光照射时的大
D.微安表中一定有电流通过,且增加光的强度时微安表中的电流变大
3.(2024辽宁三模)如图甲所示的光电管是基于光电效应的一种光电转换器件,光电管可将光信号转换成电信号,在自动控制电路中有广泛应用。光电管的基本工作原理如图乙所示,当有光照在金属极K上,电路导通;无光照射时,电路不通。下列说法正确的是 (　　)
　　
A.只要照射到金属极K上的光足够强电路就能导通
B.只有入射光的频率小于某一定值,电路才能导通
C.电路导通情况下,通过电阻的电流方向是从上向下
D.电路导通情况下,光照越强,电阻R上的电压越小
4.(经典题)(2024重庆阶段测试)用如图所示电路进行光电效应实验:用频率为ν的单色光照射金属K,滑动变阻器的滑片P与固定端O都在中央位置时,灵敏电流计G中有电流通过。电压表可视为理想电表,下列说法正确的是 (　　)
A.滑片P向a端移动可测遏止电压U
B.滑片P向a端移动过程中,灵敏电流计G示数一定不断增大
C.仅增大该单色光的强度,灵敏电流计G示数一定增大
D.换用频率更大的单色光照射金属K,灵敏电流计G示数一定增大
题组二　爱因斯坦的光电效应理论
5.(教材习题改编)某金属在频率为ν的入射光照射下发生光电效应,如果在增加入射光的频率的同时减小入射光的强度,下列说法中正确的是 (　　)
A.不发生光电效应
B.光电子的最大初动能增大,单位时间内逸出的光电子数减少
C.光电子的最大初动能减小,单位时间内逸出的光电子数增加
D.以上都不对
6.(2024山东威海期末)下列对光电效应规律的理解正确的是 (　　)
A.遏止电压与入射光频率成正比
B.当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应
C.饱和电流大小由入射光频率决定,与光照强度无关
D.所有光电子的初动能都等于光电子的最大初动能
7.(经典题)(2024四川遂宁三模)分别用甲、乙两束单色光照射同一金属做光电效应实验,发现光电流与电压的关系如图所示。已知普朗克常量为h,被照射金属的逸出功为W0,遏止电压为Uc,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是 (　　)
A.甲光的强度小于乙光的强度
B.甲光的频率大于乙光的频率
C.乙光的频率为
D.甲光照射时产生的光电子初动能均为eUc
8.(2024四川成都三模)某金属的Uc-ν图像如图所示,图线的斜率和纵截距的绝对值分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量h可表示为 (　　)
A.k　　　　B.ek　　　　C.b　　　　D.eb
9.(2024河北石家庄一模)用波长λ=200 nm的紫外线照射铜板,有电子从铜板表面逸出。现在铜板所在空间加一方向垂直于板面、电场强度大小为18 V/m的匀强电场,电子最远能运动到距板面5 cm处。已知光在真空中传播速度c与普朗克常量h的乘积为1.24×10-6 eV·m,可知该铜板的截止波长约为(　　)
A.230 nm　　　　B.260 nm　　　　C.290 nm　　　　D.320 nm
题组三　康普顿效应和光子的动量
10.(2024江西宜春期末)如图所示,美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现散射后有的射线波长发生了改变,这个现象称为康普顿效应。康普顿的学生,中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射,证实了该效应的普遍性。以下说法正确的是 (　　)
A.散射后,射线的频率变大,光子的能量也变大
B.光子与电子碰撞时,不遵守动量守恒定律
C.如果两个光子的动量相等,则这两个光子的能量也相等
D.康普顿效应揭示了光的粒子性,否定了光是电磁波
题组四　光的波粒二象性
11.(2024北京西城二模)下列现象可以说明光具有粒子性的是 (　　)
A.光电效应　　　　B.光的偏振
C.光的衍射　　　　D.光的干涉
12.(教材习题改编)(多选题)已知A、B两种光子的动量之比为1∶2,它们都能使某种金属发生光电效应,且所产生的光电子最大初动能分别为EkA、EkB,则 (　　)
A.A、B两种光子的波长之比为1∶2
B.A、B两种光子的能量之比为2∶1
C.该金属的逸出功为EkB-2EkA
D.若A、B两种光分别通过同一双缝干涉装置,则相邻亮条纹的间距之比为2∶1
能力提升练
题组一　光电效应中的电路问题
1.(2024四川宜宾三模)某科技小组用如图所示的电路研究“光电效应”现象,现用频率为ν的红光照射光电管,有光电子从K极逸出。下列说法正确的是 (　　)
A.使用蓝光照射比红光照射需要克服的逸出功更大
B.仅增大入射光的强度,从K极逸出的电子的最大初动能可能增大
C.当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时,电流表示数可能先增大后保持不变
D.将电源正负极调换方向后接入电路,当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时,电流表示数不变
2.(经典题)(2024北京海淀一模)同学们设计的一种光电烟雾报警器的结构和原理如图1和图2所示。光源S向外发射某一特定频率的光,发生火情时有烟雾进入报警器内,由于烟雾对光的散射作用,会使部分光改变方向进入光电管C从而发生光电效应,于是有电流输入报警系统,电流达到I0就会触发报警系统报警。某次实验中,当滑动变阻器的滑片P处于图2所示位置、烟雾浓度增大到n时恰好报警。假设烟雾浓度越大,单位时间内光电管接收到的光子个数越多。已知元电荷为e,下列说法正确的是 (　　)
　
A.仅将图2中电源的正负极调换方向,在烟雾浓度为n时也可能触发报警
B.为使烟雾浓度达到1.2n时才触发报警,可以仅将滑片P向左移动到合适的位置
C.单位时间内进入光电管的光子个数为时,一定会触发报警
D.报警器恰好报警时,将图2中的滑片P向右移动后,警报有可能会被解除
3.(2023湖北十堰部分重点中学联考)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,真空中的光速为c,电子的电荷量为e。
(1)求光电子逸出时的最大初动能Ekm1和到达A极时的最大动能Ekm2;
(2)遏止电压Uc;
(3)若每入射N个光子会产生1个光电子,求紫外线照射阴极时产生饱和电流I需要的照射功率P。
题组二　光电效应中的图像问题
4.(2024浙江湖州二模)用各种频率的光照射两种金属材料得到遏止电压Uc随光的频率ν变化的两条图线1、2,图线上有P和Q两点。下列说法正确的是 (　　)
A.图线1、2一定平行
B.图线1对应金属材料的逸出功大
C.照射同一金属材料,用Q对应的光比P对应的光产生的饱和电流大
D.照射同一金属材料,用P对应的光比Q对应的光逸出的光电子最大初动能大
5.(2023北京海淀月考)用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应,可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图像。已知钨的逸出功是4.54 eV,锌的逸出功是3.34 eV,若将二者的图像画在同一个Ek-ν坐标系中,如图所示,实线对应钨,虚线对应锌,则能正确反映这一过程的是(　　)
6.(经典题)(多选题)(2024福建福州一模)某同学用如图甲所示的电路进行光电效应实验。用波长为λ的光照射阴极K,保持滑动变阻器的下滑片不动,调节滑动变阻器的上滑片P,测得灵敏电流计的示数I与电压表的示数U满足如图乙所示的规律,已知电子的电荷量大小为e,阴极材料的逸出功为W0,下列说法正确的是 (　　)
　
A.将滑动变阻器的上滑片P由最左端向右移动的过程中电流I逐渐增大
B.若用波长为0.5λ的光照射阴极K,则遏止电压将变为2Uc+
C.只增加入射光的光照强度,Uc会变大
D.只增加入射光的光照强度,电流I的最大值会变大
7.(2024山东济南一模)用不同波长的光照射光电管阴极探究光电效应的规律时,根据光电管的遏止电压Uc与对应入射光的波长λ作出的Uc-图像如图所示。已知光电子的电荷量大小为e,光速为c,下列说法正确的是 (　　)
A.该光电管阴极材料的极限频率大小为
B.由图像可得普朗克常量h=
C.当用波长λ=的光照射光电管阴极时,光电子的最大初动能为2be
D.当用波长λ≤的光照射光电管的阴极时,光电子的最大初动能随λ的增大而增大
8.(经典题)(2024广东湛江二模)光伏发电是提供清洁能源的方式之一,光伏发电的原理是光电效应。演示光电效应的实验电路如图甲所示,a、b、c三种光照射光电管得到的三条电流表与电压表示数之间的关系曲线如图乙所示,下列说法正确的是 (　　)
　
A.若b光为绿光,则a光可能是紫光
B.a光照射光电管发出光电子的最大初动能一定小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能
C.单位时间内a光照射光电管发出的光电子比c光照射光电管发出的光电子少
D.若用强度相同的a、b光照射该光电管,则单位时间内逸出的光电子数相等
答案与分层梯度式解析
1.B 2.D 3.C 4.C 5.B 6.B
7.C 8.B 9.A 10.C 11.A 12.CD
1.B　用紫外线照射锌板后,观察到验电器的指针张角减小,说明锌板表面有光电子逸出,发生了光电效应,由此可得锌板原来带负电,A错误;若仅减弱照射光的强度,依然可以发生光电效应,仍能观察到指针张角减小,B正确;可见光频率小于紫外线频率,用可见光照射锌板不一定会发生光电效应,则指针张角不一定发生变化,C错误;当照射光的频率小于锌板的截止频率时,无论照射多久,都不会发生光电效应,D错误。故选B。
2.D　因为蓝光的频率高于黄光的频率,用蓝光照射时一定能发生光电效应,微安表中有电流通过,A、B错误;由于光强关系未知,用蓝光照射时微安表中的电流不一定比用黄光照射时的大(易错点),C错误;发生光电效应时,电路中有光电流,若入射光频率一定,光的强度越大,光电流就越大,D正确。故选D。
归纳总结
光电效应中的四个关系
　　(1)光照射某种金属时,入射光的频率决定着能否发生光电效应。
　　(2)入射光的频率一定时,入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。
　　(3)光电流和饱和电流:从金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值就是饱和电流。在一定的光照条件下,饱和电流与所加电压大小无关。
　　(4)光的强度与饱和电流:当入射光频率一定时,入射光越强,饱和电流越大。
3.C　只有入射光的频率大于金属极K的截止频率时,金属极K才能发生光电效应,使电路导通,与光是否足够强无关,A、B错误;电路导通情况下,光电管内的电流方向向右,所以通过电阻的电流方向是从上向下,C正确;电路导通情况下,光照越强,电流越大,电阻R上的电压越大,D错误。故选C。
4.C　
关键点拨
滑动变阻器滑片P与光电管的A极等电势,固定端O与光电管的K极等电势,当滑动变阻器的滑片P与固定端O都在中央位置时,光电管A、K两极板间所加电压为0,灵敏电流计G中有电流通过,表明发生了光电效应。
滑片P向a端移动过程中,光电管正向电压变大,而遏止电压是反向电压,A错误;滑片P向a端移动过程中,光电管正向电压变大,光电流变大,灵敏电流计G示数增大,但达到饱和电流后,灵敏电流计G示数不再变化,B错误;仅增大该单色光的强度,单位时间内照射到金属K上的光子数变多,单位时间内逸出的光电子数也会变多,灵敏电流计G示数一定增大,C正确;换用频率更大的单色光照射金属K,仍然会发生光电效应,但单位时间内照射到金属K上的光子数不一定变多,灵敏电流计G示数不一定增大(破题关键),D错误。故选C。
易混易错
增大入射光频率,单位时间内逸出的光电子数不一定增加,光电流不一定增大。
5.B　由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可知如果增加入射光的频率,一定能发生光电效应,且光电子的最大初动能Ek增大;增加入射光的频率的同时减小入射光的强度,单位时间内照射到金属上的光子数减少,则单位时间内逸出的光电子数减少,故选B。
6.B　根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,又有Ek=eUc,得Uc=-,可知遏止电压与入射光频率成线性关系,不成正比,A错误;当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应,B正确;光的频率一定时,入射光越强,单位时间内逸出的光电子数越多,饱和电流越大,C错误;所有光电子的初动能并不都相同,有的小于最大初动能(易错点),D错误。故选B。
归纳总结
对遏止电压的理解
　　反向电压使具有最大初速度的光电子恰好无法到达阳极A时,光电流减为0,此时根据动能定理可得Ek=m=eUc。
7.C　由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0和eUc=Ek,得ν=,甲、乙两束光频率相等,B错误,C正确;光的强度越强,单位时间内照射到金属上的光子数目越多,对应的饱和电流越大,可知甲光的强度大于乙光的强度,A错误;甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eUc,D错误。故选C。
易混易错
理解饱和电流概念
　　(1)只有在入射光的频率超过金属的截止频率时,入射光越强,被照射金属单位时间内发射的光电子数越多,饱和电流才越大。
　　(2)回路中光电流没有达到饱和电流时,所加正向电压增大,回路中光电流增加,但饱和电流与所加电压大小无关,只与入射光的强度有关。
8.B　根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,根据动能定理可得-eUc=0-Ek,联立可得Uc=ν-,可知Uc-ν图像的斜率为k=,则普朗克常量为h=ek,故选B。
9.A　由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可得m=-,其中m=Eex,联立解得λ0≈234 nm,故选A。
导师点睛
金属的逸出功、极限频率、极限波长的关系是:W0=hν0=。
10.C　散射后,射线的频率变小,光子的能量也变小,A错误;光子与电子碰撞时,动量守恒,能量守恒,B错误;光子的动量为p=,光子的能量E=hν=h,得E=pc,则如果两个光子的动量相等,能量也相等,C正确;康普顿效应揭示了光的粒子性,并没有否定光是电磁波,D错误。故选C。
11.A　光电效应现象说明光具有粒子性,光的干涉现象、衍射现象和偏振现象说明光具有波动性。故选A。
归纳总结
12.CD　由光子的动量p=,得λ=,可知A、B两种光子的波长之比为==,A错误;由光子的能量ε==pc,可得两种光子的能量之比为==,B错误;由爱因斯坦光电效应方程有EkA=εA-W0,EkB=εB-W0,而=,解得W0=EkB-2EkA,C正确;若A、B两种光分别通过同一双缝干涉装置,由双缝干涉条纹间距公式Δx=λ,可知相邻亮条纹的间距之比==,D正确。故选C、D。
能力提升练
1.C 2.B 4.A 5.B 6.BD 7.C 8.B
1.C　逸出功由金属材料本身决定,使用蓝光照射与使用红光照射需要克服的逸出功相等,A错误;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只由入射光的频率与逸出功共同决定,B错误;若滑动变阻器的滑片从最左端向右滑动,正向电压逐渐增大,电流逐渐增大,当达到饱和电流后,电流保持不变,即电流表示数可能先增大后保持不变,C正确;将电源正负极调换方向后接入电路,若滑动变阻器的滑片从最左端向右滑动,反向电压增大,电流减小,当电压达到遏止电压后,电流为0,即电流表示数可能先减小后不变,D错误。故选C。
归纳总结
光电效应规律应注意以下几个关系:
2.B　图2光电管两端加的是正向电压,仅将图2中电源的正负极调换方向,则光电管两端加反向电压,对光电子的运动起减速作用,所以调换方向后光电流会减小(还有可能为零),在烟雾浓度为n时无法触发报警系统,A错误;烟雾浓度增加时,单位时间内光电管接收到的光子个数增多,光电子数增多,电流会增大,为使烟雾浓度达到1.2n时才触发报警,就要减小一定烟雾浓度时对应的电流,即要减小从K极到达A极的光电子数占产生总光电子数的比例(破题关键),滑片P需要向左滑动到合适位置,减小两极间的电压,B正确;单位时间内进入光电管的光子个数为时,可能受到两端电压的限制,在K极产生的光电子不一定全部到达A极,所以不一定能让报警系统的电流达到I0,不一定能触发报警,C错误;报警器恰好报警时,将滑片P向右移动,会增大两极间的电压,不会解除警报,D错误。故选B。
3.答案　(1)-hν0　-hν0+eU　(2)-　(3)
解析　(1)根据爱因斯坦光电效应方程可知,光电子逸出时的最大初动能为Ekm1=hν-W0=-hν0
电子从阴极K到阳极A过程,根据动能定理可得
eU=Ekm2-Ekm1
可得电子到达A极时的最大动能为Ekm2=Ekm1+eU=-hν0+eU
(2)当具有最大初动能的电子刚好不能到达阳极A时的反向电压为遏止电压Uc,根据动能定理可得-eUc=0-Ekm1
解得Uc==-
(3)根据电流定义式可得I==
可知t时间内产生的光电子数为n=
则t时间内入射的光子数为N总=N
需要的照射功率为P====
方法技巧
光电效应中的五个常用规律
　　(1)爱因斯坦光电效应方程:Ekm=hν-W0。
　　(2)光电子的最大初动能Ekm与遏止电压Uc的关系:Ekm=eUc。
　　(3)逸出功W0与极限频率νc的关系:W0=hνc。
　　(4)光电流与单位时间内到达A板的电子数的关系:I=Ne。
　　(5)饱和电流与单位时间内从K板打出的电子数的关系:Im=Ne。
4.A　根据爱因斯坦光电效应方程,有Ek=hν-W0,由动能定理,有Ek=eUc,可得Uc=ν-,可知图线1、2斜率相同,两图线一定平行,图线2对应金属材料的逸出功大,A正确,B错误;由于两束光的强度无法比较,因此不能确定饱和电流的大小,C错误;由图可知P对应的光频率较小,照射同一金属材料,逸出功相同,所以用P对应的光比Q对应的光逸出的光电子最大初动能小,D错误。故选A。
方法技巧
光电效应的图像问题一般解决方法
5.B　根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0=hν-hνc,分析可知,Ek-ν图像的斜率表示普朗克常量,因此两条图线的斜率相同,而钨的逸出功大于锌的逸出功,即钨的截止频率大于锌的截止频率,而图线与横轴交点的横坐标表示金属的截止频率,则可知选项B正确。
归纳总结
6.BD　滑动变阻器的上滑片P在最左端时,加在光电管两端的电压为正向电压,将滑动变阻器的上滑片P由左端向右移动,电压逐渐减小,电流I可能逐渐减小,也可能先不变后逐渐减小,不可能逐渐增大,A错误;由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0结合eUc=Ek,可得eUc=h-W0,若用波长为0.5λ的光照射阴极K,有eUc'=h-W0,解得遏止电压Uc'=2Uc+,B正确;由以上分析可知Uc=-,可知只增加入射光的光照强度,Uc不变(易错点),C错误;只增加入射光的光照强度,单位时间内产生的光电子数量增多,电流I的最大值会变大,D正确。故选B、D。
归纳总结
光电效应问题中I-U图线的特点
　　如图所示是电流I随光电管两极板间电压U变化的曲线,图中Im为饱和电流,Uc为遏止电压。
7.C　由爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0=h-W0,由动能定理有eUc=Ek,联立可得Uc=·-,对照图像的斜率和截距,有=,-b=-,得普朗克常量为h=,该光电管阴极材料的极限频率大小为ν0=ac,A、B错误;用波长λ=的光照射光电管阴极时,由爱因斯坦光电效应方程,可得光电子的最大初动能为Ek=2be,C正确;波长λ越大,频率越小,光子能量越小,故光电子的最大初动能随λ的增大而减小,D错误。故选C。
8.B　由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0及Uce=Ek,解得Uc=ν-,可知光束照射同一块金属时,遏止电压与入射光的频率成线性关系,因此a光和c光的频率相同,且均小于b光的频率,若b光为绿光,则a光不可能是紫光,A错误;由Ek=eUc可知,a光照射光电管发出光电子的最大初动能小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能,B正确;a、c两束光频率相同,入射光越强,单位时间内发出的光子数越多,光电子数也越多,饱和电流越大,则单位时间内a光照射光电管发出的光电子比c光照射光电管发出的光电子多,C错误;a、b两束光强度相同,由于b光频率较高,每个光子的能量较大,因此单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数较少,则单位时间内逸出的光电子数较少,D错误。故选B。
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