第2课时 光电效应的图像和应用
[物理观念] 1.(1)金属的极限频率νc=ν0;(2)金属的逸出功W=|-E|=E;(3)普朗克常量等于图线的斜率,即h=k=.
2.(1)eUc=hν-W,则Uc=-;金属的极限频率νc=ν0;(2)普朗克常量h等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke.
3.由图甲可得:(1)在一定的光照情况下,光电流随着所加电压的增大会存在一个饱和值,即饱和电流;(2)光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大.由图乙可得:遏止电压随着光照频率的增大而增大.
例1 D [解析] 根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-hνc,结合图像,当Ek=0时,b=νc,即该金属的极限频率为b;当ν=0时,Ek=-hνc=-a,即该金属的逸出功为a,普朗克常量为h=k=,则选项A、B、C错误.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Ek=hν'-hνc=·2b-a=a,而Uce=Ek,则Uc=,故D正确.
例2 CD [解析] 入射光的频率增大,光电子的最大初动能增大,则遏止电压增大,测遏止电压时,应使滑动变阻器的滑片P向N端移动,故A错误;根据光电效应方程Ek=hν-W知,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,故B错误;根据Ek=hν-W=eUc,解得Uc=-,图线的斜率k==,则h=,当遏止电压为零时,ν=νc,故C、D正确.
例3 b a
[解析] 根据光电效应方程Ek=hν-W,Ek=eUc,得ν=,由题图知b光的遏止电压最大,则b光频率最大,a、c两光频率相等,a光饱和电流大则a光较强;b光频率为ν=.
[教材链接] 1.光信号 电信号 光电效应 电流 断开 闭合
2.光信号 电信号 电信号 光信号
例4 C [解析] 硅光电池是把光能转化为电能的一种装置,故A错误;硅光电池中吸收了光子能量的电子只有光子的能量大于逸出功才能逸出,故B错误;由Ek=hν-W0,可知光电子的最大初动能与入射光的频率有关,随着入射光的频率增大而增大,故C正确;光电效应现象说明光具有粒子性,故D错误.
[教材链接] 1.粒子 波
2.随机 无规律 多 亮 少 暗
3.(1)波动性 (2)波动性 (3)粒子 波动
[物理观念] 当光很弱时,光是作为一个个粒子落在感光底片上的,显示出了光的粒子性;当光很强时,光与感光底片量子化的作用积累起来形成明暗相间的条纹,显示出了光的波动性.
例5 BD 光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,比如光在传播过程发生衍射和干涉时,波动性表现明显,在另外某种场合下,与物质作用时,例如光电效应和康普顿效应时,光的粒子性表现明显,故D正确;大量光子表现为波动性,曝光时间不太长时,底片上只能出现一些不规则的点,说明了少量光子表现不出波动性,故A错误,B正确;在光的双缝干涉实验中,减小光的强度,让光子通过双缝后,光子只能一个接一个地到达光屏,经过足够长时间,仍然发现相同的干涉条纹,这表明光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的,故C错误.
例6 BD [解析] 一切光都具有波粒二象性,光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显,选项B、D正确.
随堂巩固
1.CD [解析] 图甲中,当紫外线照射锌板时,锌板失去电子而带正电,验电器与锌板相连,所以也带正电,故A错误;图乙中,从光电流与电压的关系图像中可以看出,电压相同时,光照越强,光电流越大,只能说明光电流与光强的关系,而遏止电压和光的强度无关,和入射光的频率有关,故B错误;光电子的最大初动能为Ek=eU1=h(ν1-νc),解得h=,故C正确;根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0,当ν=0时,有E=W0,当Ek=0时,有hν0=W0,故D正确.
2.C [解析] 太阳光中的紫外线频率主要在7.5×1014~9.5×1014 Hz,为避免太阳光中的紫外线干扰,K极材料的极限频率应大于9.5×1014 Hz,故A错误;明火中紫外线的强度越大,产生的光电流越大,由欧姆定律知,电压表的示数越大,故电压表的示数与明火中紫外线的强度大小有关,故B错误;电源左边接负极时,光电管上被施加正向电压,发生光电效应时到达阳极的光电子数增加,因此会提高报警装置的灵敏度,故C正确;根据爱因斯坦光电效应方程可知,只要明火中的紫外线照射到K极,就会发生光电效应,跟明火照射时间无关,故D错误.第2课时 光电效应的图像和应用
1.CD [解析] 一切光都具有波粒二象性,光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性,有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性,A错误;电子是实物粒子,有静止质量,光子不是实物粒子,没有静止质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,B错误;光的波长越长,波动性越显著,光的波长越短,粒子性越显著,C正确;光在与电子等物质作用时,更多地表现为粒子性,在传播过程中更多地表现为波动性,D正确.
2.C [解析] 光子说的确立,没有完全否定波动说,使人们对光的本性认识更完善,光既有波动性,又有粒子性,光具有波粒二象性,故A、B错误;波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象,故C正确;光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性,光电效应说明光子具有能量,而康普顿效应说明光子具有动量,能量和动量都是粒子性的特征,频率和波长才是波动性的特征,故D错误.
3.D [解析] 弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性;验电器箔片有张角,说明锌板发生了光电效应,则证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,故选D.
4.B [解析] 根据光电效应方程Ek=hν-W0,可知Ek-ν图像的斜率为普朗克常量h,因此图中两图线应平行,C、D错误;横轴的截距表示恰能发生光电效应(光电子最大初动能为零)时的入射光的频率即极限频率,由光电效应方程可知,逸出功越大的金属对应的极限频率越大,则可知能使钨板发生光电效应的极限频率较大,B正确,A错误.
5.D [解析] 由光电效应方程可得,由题图可知甲、乙的遏止电压相同,则甲、乙的频率相同,A错误;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,B错误;甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eUc,C错误;根据光电效应方程有Ekm=hν-W,hν0=W,Ekm=eUc,解得ν=ν0+,D正确.
6.BC [解析] 由光电效应方程有Ek=hν-W,可知光电子的最大初动能与光照强度无关,故A错误;由动能定理有eUc=Ek,则可得Uc=ν-,由题图乙可得Uc=0时,νc=,可得νc=,即这种金属的极限频率为νc,由题图乙可得=,可得h=,故B、C正确;入射光的频率增大,遏止电压变大,为了测遏止电压,则滑动变阻器的滑片P应向N端移动,故D错误.
7.AD [解析] 根据光电效应方程及动能定理可得Ekm=hν-W0,eUc=Ekm,即Uc=ν-,当Uc=0时,对应的频率为极限频率,由题图可知,金属A的极限频率小于金属B的极限频率,B错误;金属的逸出功为W0=hν0,ν0是极限频率,所以金属A的逸出功小于金属B的逸出功,A正确;由B解析中的表达式可知,Uc-ν图线斜率表示,C错误;入射光的频率大于两种金属的极限频率,两者均会发生光电效应,根据爱因斯坦光电效应方程可知,由于A的逸出功较小,故从金属A逸出的光电子的最大初动能较大,D正确.
8.BC [解析] 由题图可知,b光的遏止电压大,所以b光照射光电管时使其逸出的光电子最大初动能大,故A错误,B正确;根据光电效应方程,可得Ekm=hν-W,易知,a光的频率小,波长大,发生双缝干涉时,a光的相邻条纹间距大,故C正确,D错误.
9.C [解析] 由爱因斯坦光电效应方程hν=W+mv2及Ek=mv2可知Ek=hν-W,由题图可知,该金属的逸出功W=hν0=E,故A、B正确;由题图可知,该金属的极限频率是ν0,当入射光的频率为0.5ν0时不能产生光电效应,故C错误;当入射光的频率为2ν0时,由Ek=hν-W可知,产生的光电子的最大初动能Ek=2hν0-W=2E-E=E,故D正确.
10.C [解析] 根据Uce=m=hν-W,可得Uc=ν-,则=,即h=,=a,则W=ae,νc=b,选项A、B错误,C正确;若入射光频率为3b,则光电子最大初动能一定为m=h·3b-W=2ae,选项D错误.
11.B [解析] 由动能定理和爱因斯坦光电效应方程可知eU=Ek=hν-W,遏止电压越大,频率越大,可知三束光的频率关系为νb>νc>νa,光电子逸出时最大初动能的关系为Ekb>Ekc>Eka,在某种光的照射下逸出的光电子的动能介于0与最大初动能之间,A、C、D错误;饱和电流越大,说明单位时间内产生的光电子数越多,即na>nb>nc,B正确.
12.(1)5.4 eV (2)8.0 eV
[解析] (1)由题图乙可知,用光子能量E=11.2 eV的光持续照射光电管的极板K时,遏止电压为Uc=5.8 V,根据动能定理以及爱因斯坦光电效应方程可得
eUc=Ekm=E-W
解得光电管K极材料的逸出功为W=5.4 eV
(2)由题图乙可知,恰达到饱和电流3.1 μA时,在A、K间有正向电压U=2.2 V,电子在两极间加速,设到达A极板的光电子的最大动能为Ekm1
则由动能定理有eU=Ekm1-Ekm=Ekm1-eUc
解得Ekm1=8.0 eV第2课时 光电效应的图像和应用
学习任务一 光电效应图像
[物理观念] 1.如图为某金属光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,结合爱因斯坦光电效应方程,说明从图像上可以获取哪些信息
2.如图为某金属遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像,图像的斜率为k.试写出Uc-ν关系式,从图像上可以获取哪些信息
3.图甲、乙为光电流大小与电压关系的图像,从图像上可以得出什么结论
例1 [2024·厦门期末] 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-a(a>0),与横轴交点横坐标为b,电子的电荷量大小为e,则由图像获取的信息,正确的是 ( )
A.该金属的极限频率为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
例2 (多选)美国物理学家密立根利用图甲所示的电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系,描绘出图乙中的图像,由此算出普朗克常量h,电子电荷量的绝对值用e表示,下列说法正确的是( )
A.入射光的频率增大,测遏止电压时,应使滑动变阻器的滑片P向M端移动
B.增大入射光的强度,光电子的最大初动能也增大
C.由Uc-ν图像可知,这种金属的极限频率为νc
D.由Uc-ν图像可得普朗克常量的表达式为h=
例3 [2024·泉州期末] 在光电效应实验中,用a、b、c三束光照射同一金属的表面时,形成的光电流大小随外加电压的变化关系如图所示,三束光中频率最大的为 光;a、c两光相比入射光较强的是 光;若该金属的逸出功为W,电子的电荷量为e,普朗克常量为h,b光的遏止电压为U0,结合图像中的条件,可以表示出b光频率为 .
学习任务二 光电效应的应用
[教材链接] 阅读教材“光电效应的应用”相关内容,完成下列填空:
光电效应在自动化控制和光电成像等领域有着广泛应用.
1.光电开关
光电管是利用光电效应使 转换成 的基本光电转换器件,应用光电管可控制电路接通或断开.如图是光电控制报警电路,正常情况下,光束照射到光电管,光电管产生 ,与光电管连接的电路有 ,电磁铁产生磁场,吸引报警电路中的开关,使报警电路 ;当有物体从光源和光电管间通过时,挡住光束,光电管不再产生光电效应,与光电管连接的电路没有电流,电磁铁对报警电路的开关没有吸引力,在弹簧弹力作用下,开关 ,警铃发出警报.
2.光电成像
光电成像的原理是利用光电效应先将 转换成 ,然后将 转换成 .
电荷耦合器件(简称CCD)是光电成像系统中将光信号转换为电信号的器件,由众多的微小光敏元件、电荷转移电路、电荷读取电路组成.CCD广泛应用于数码相机、扫描仪、数字摄像机等设备中.
例4 [2024·广东惠州期末] 硅光电池是利用光电效应原理制成的器件,下列表述正确的是 ( )
A.硅光电池是把电能转化为光能的一种装置
B.硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出
C.逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率有关
D.光电效应现象说明光具有波动性
[反思感悟]
学习任务三 光的波粒二象性
[教材链接] 阅读教材“光的波粒二象性”相关内容,完成下列填空:
1.光具有波粒二象性:光子既有 的特征,又有 的特征.
2.光波是一种概率波
通过双缝实验理解:通过双缝后,光子出现在哪个位置,受概率支配.单个光子出现在哪个位置是 的,因此少量光子形成的光点是 的.当有大量光子时,概率大的位置出现的光子 ,形成 条纹;概率小的位置出现的光子 ,形成 条纹.
3.光的波动性和粒子性不是均衡表现的
(1)个别光子的分布体现出粒子性特点,大量光子的集体行为, 比较明显
(2)波长越长, 越明显.
(3)光在与电子等物质相互作用时更多地表现为 性,在传播过程中更多地表现为 性.
[物理观念] 为了对光的本性做进一步的考察与分析,物理学家把屏换成感光底片,在不断变化光强的情况下,用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示).
不同光强下光的双缝干涉实验结果
光很弱时,感光底片上的图像与我们通常观察到光的双缝干涉的图像相差很远如图甲;增强光的强度,光的双缝干涉的图像变得清晰起来如图乙;当光较强时,得到的图像与我们通常观察到的光的双缝干涉图像一样如图丙.这个实验说明了什么
例5 (多选)关于光的认识,下列说法正确的是 ( )
A.少量光子通过狭缝后落在感光底片上表现出光的波动性
B.延长曝光时间,大量光子通过狭缝后落在感光底片上遵循统计规律,表现出光的波动性
C.光的波动性是光子之间的相互作用引起的
D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
例6 (多选)对于光的认识,以下说法正确的是 ( )
A.有的光是波,有的光是粒子
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下,光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
1.(光电效应的图像)(多选)1905年,爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广,成功地解释了光电效应现象,提出了光子说.在与光电效应有关的四个图像中,下列说法正确的是 ( )
A.图甲中,当紫外线照射锌板时,发现验电器指针发生了偏转,说明锌板带正电,验电器带负电
B.图乙中,从光电流与电压的关系图像中可以看出,电压相同时,光照越强,光电流越大,说明遏止电压和光的强度有关
C.图丙中,若电子电荷量用e表示,ν1、νc、U1已知,由Uc-ν图像可求得普朗克常量的表达式为h=
D.图丁中,由光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像可知该金属的逸出功为E或hν0
2.(光电效应的应用)[2024·泉州期末] 紫外光电管是利用光电效应原理对油库等重要场所进行火灾报警的装置,其工作电路如图所示,A为阳极,K为阴极,只有当明火中的紫外线照射到阴极K时,电压表才有示数且启动报警装置.已知太阳光中紫外线频率主要在7.5×1014~9.5×1014 Hz,而明火中紫外线电源频率主要在1.1×1015~1.5×1015 Hz.下列说法正确的是 ( )
A.为避免太阳光中紫外线干扰,K极材料的极限频率应大于1.5×1015 Hz
B.电压表的示数与明火中紫外线的强度大小无关
C.电源左边为负极有利于提高报警装置的灵敏度
D.只有明火照射到K极的时间足够长,电压表才会有示数(共49张PPT)
第1节 光电效应及其解释
第2课时 光电效应的图像和应用
学习任务一 光电效应图像
学习任务二 光电效应的应用
学习任务三 光的波粒二象性
备用习题
随堂巩固
学习任务一 光电效应图像
［物理观念］ 1.如图为某金属光电子的最大初动能与入射光频率的关系图像，结合爱因斯坦光电效应方程，说明从图像上可以获取哪些信息？
[答案] (1)金属的极限频率；(2)金属的逸出功；(3)普朗克常量等于图线的斜率，即.
2.如图为某金属遏止电压与入射光频率的关系图像，图像的斜率为.试写出关系式，从图像上可以获取哪些信息？
[答案] (1)，则；金属的极限频率；(2)普朗克常量等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即.
3.图甲、乙为光电流大小与电压关系的图像，从图像上可以得出什么结论？
[答案] 由图甲可得：(1)在一定的光照情况下，光电流随着所加电压的增大会存在一个饱和值，即饱和电流；(2)光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大.由图乙可得：遏止电压随着光照频率的增大而增大.
例1 [2024·厦门期末] 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，电子的电荷量大小为，则由图像获取的信息，正确的是( )
A.该金属的极限频率为
B.该金属的逸出功为
C.普朗克常量为
D.入射光的频率为时，遏止电压为
√
[解析] 根据爱因斯坦光电效应方程有，结合图像，当时，，即该金属的极限频率为；当时，,即该金属的逸出功为，普朗克常量为,则选项A、B、C错误.根据爱因斯坦光电效应方程可得，当入射光的频率为时，光电子最大初动能为,而，则，故D正确.
例2 (多选)美国物理学家密立根利用图甲所示的电路研究金属的遏止电压与入射光频率的关系，描绘出图乙中的图像，由此算出普朗克常量，电子电荷量的绝对值用表示，下列说法正确的是( )
A.入射光的频率增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片向端移动
B.增大入射光的强度，光电子的最大初动能也增大
C.由图像可知，这种金属的极限频率为
D.由图像可得普朗克常量的表达式为
√
√
[解析] 入射光的频率增大，光电子的最大初动能增大，则遏止电压增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片向端移动，故A错误；根据光电效应方程知，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，故B错误；根据，解得，图线的斜率，则，当遏止电压为零时，，故C、D正确.
例3 [2024·泉州期末] 在光电效应实验中，用、、三束光照射同一金属的表面时，形成的光电流大小随外加电压的变化关系如图所示，三束光中频率最大的为___光；、两光相比入射光较强的是___光；若该金属的逸出功为
，电子的电荷量为，普朗克常量为，光的遏止电压为，结合图像中的条件，可以表示出光频率为_______.
[解析] 根据光电效应方程，，得，由题图知光的遏止电压最大，则光频率最大，、两光频率相等，光饱和电流大则光较强；光频率为.
学习任务二 光电效应的应用
［教材链接］ 阅读教材“光电效应的应用”相关内容，完成下列填空：
光电效应在自动化控制和光电成像等领域有着广泛应用.
1.光电开关
光电管是利用光电效应使________转换成________的基本光电转换器件，应用光电管可控制电路接通或断开.如图是光电控制报警电路，正常情况下，光束照射到光电管，光电管产生__________，与光电管连接的电路有______，电磁铁产生磁场，吸引报警电路中的开关，使报警电路______；当有物体从光源和光电管间通过时，挡住光束，光电管不再产生光电效应，与光电管连接的
电路没有电流，电磁铁对报警电路的开关
没有吸引力，在弹簧弹力作用下，开关
______，警铃发出警报.
光信号
电信号
光电效应
电流
断开
闭合
2.光电成像
光电成像的原理是利用光电效应先将________转换成________，然后将________转换成________.
电荷耦合器件(简称是光电成像系统中将光信号转换为电信号的器件，由众多的微小光敏元件、电荷转移电路、电荷读取电路组成广泛应用于数码相机、扫描仪、数字摄像机等设备中.
光信号
电信号
电信号
光信号
例4 [2024·广东惠州期末] 硅光电池是利用光电效应原理制成的器件，下列表述正确的是( )
A.硅光电池是把电能转化为光能的一种装置
B.硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出
C.逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率有关
D.光电效应现象说明光具有波动性
√
[解析] 硅光电池是把光能转化为电能的一种装置，故A错误；硅光电池中吸收了光子能量的电子只有光子的能量大于逸出功才能逸出，故B错误；由，可知光电子的最大初动能与入射光的频率有关，随着入射光的频率增大而增大，故C正确；光电效应现象说明光具有粒子性，故D错误.
学习任务三 光的波粒二象性
［教材链接］ 阅读教材“光的波粒二象性”相关内容，完成下列填空：
1.光具有波粒二象性：光子既有______的特征，又有____的特征.
粒子
波
2.光波是一种概率波
通过双缝实验理解：通过双缝后，光子出现在哪个位置，受概率支配.单个光子出现在哪个位置是______的，因此少量光子形成的光点是________的.当有大量光子时，概率大的位置出现的光子____，形成___条纹；概率小的位置出现的光子____，形成____条纹.
随机
无规律
多
亮
少
暗
3.光的波动性和粒子性不是均衡表现的
(1) 个别光子的分布体现出粒子性特点，大量光子的集体行为，_________比较明显
(2) 波长越长，________越明显.
(3) 光在与电子等物质相互作用时更多地表现为______性，在传播过程中更多地表现为______性.
波动性
波动性
粒子
波动
［物理观念］ 为了对光的本性做进一步的考察与分析，物理学家把屏换成感光底片，在不断变化光强的情况下，用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示).
不同光强下光的双缝干涉实验结果
光很弱时，感光底片上的图像与我们通常观察到光的双缝干涉的图像相差很远如图甲；增强光的强度，光的双缝干涉的图像变得清晰起来如图乙；当光较强时，得到的图像与我们通常观察到的光的双缝干涉图像一样如图丙.这个实验说明了什么？
[答案] 当光很弱时，光是作为一个个粒子落在感光底片上的，显示出了光的粒子性；当光很强时，光与感光底片量子化的作用积累起来形成明暗相间的条纹，显示出了光的波动性.
例5 (多选)关于光的认识，下列说法正确的是( )
A.少量光子通过狭缝后落在感光底片上表现出光的波动性
B.延长曝光时间，大量光子通过狭缝后落在感光底片上遵循统计规律，表现出光的波动性
C.光的波动性是光子之间的相互作用引起的
D.光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显
√
√
[解析] 光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，比如光在传播过程发生衍射和干涉时，波动性表现明显，在另外某种场合下，与物质作用时，例如光电效应和康普顿效应时，光的粒子性表现明显，故D正确；大量光子表现为波动性,曝光时间不太长时,底片上只能出现一些不规则的点,说明了少量光子表现不出波动性，故A错误，B正确;在光的双缝干涉实验中，减小光的强度，让光子通过双缝后，光子只能一个接一个地到达光屏，经过足够长时间，仍然发现相同的干涉条纹，这表明光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，故C错误.
例6 (多选)对于光的认识,以下说法正确的是( )
A.有的光是波,有的光是粒子
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下,光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显
[解析] 一切光都具有波粒二象性,光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显,选项B、D正确.
√
√
1.如图所示是某次实验中得到的甲、乙两种金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像,两种金属的逸出功分别为W甲、W乙.若用频率为ν1的光照射两种金属,光电子的最大初动能分别为E甲、E乙,则下列关系正确的是( )
A.W甲>W乙
B.W甲C.E甲>E乙
D.E甲=E乙
√
[解析] 根据爱因斯坦光电效应方程得Ek=hν-W0=hν-hνc,又Ek=eUc,则eUc=hν-hνc,由Uc-ν图线可知,当Uc=0时,ν=νc,金属甲的极限频率大于金属乙的,则金属甲的逸出功大于乙的,即W甲>W乙,选项A正确,B错误.若用频率为ν1的光照射两种金属,根据光电效应方程,可得逸出功越大,则其光电子的最大初动能越小,因此E甲2.氢原子的能级公式为En=E1(n=1,2,3,…),其中n为能量量子数、E1为基态能量,处于n=3能级的氢原子吸收频率为ν的光子后恰好能发生电离.大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时,所发出的光照射到某金属表面,其中波长最长的光恰好使该金属发生光电效应.已知普朗克常量为h,则从该金属逸出光电子的最大初动能等于( )
A.hν B.9hν
C.hν D.8hν
√
[解析] 处于n=3能级的氢原子的能量E3=E1,吸收频率为ν的光子后恰好能发生电离,则-E3=hν,大量氢原子从n=3能级向低能级跃迁时,所发出的光照射到某金属表面,其中波长最长的光恰好能使金属发生光电效应,该金属的逸出功为W=E3-E2,在3条光线中,能量最大的光的能量E=E3-E1,则发出的光电子的最大初动能Ekm=E-W=E2-E1,所以Ekm=-E1=hν,故选A.
3.某兴趣小组用如图甲所示的电路探究光电效应的规律.根据实验数据,小刚同学作出了光电子的最大初动能与入射光频率的关系图线如图乙所示,小明同学作出了遏止电压与入射光频率的关系图线如图丙所示.已知光电子的电荷量为e,则下列说法正确的是( )
A.如果图乙、图丙中研究的是同一金属的光电效应规律,则a=
B.如果研究不同金属光电效应的规律,在图乙中将得到经过(b,0)点的一系列直线
C.如果研究不同金属光电效应的规律,在图丙中将得到不平行的倾斜直线
D.普朗克常量h= =
√
[解析] 如果题图乙、题图丙中研究的是同一金属的光电效应规律,则由题图乙可得该金属的逸出功W=a,由题图丙可得该金属的逸出功W=ec,故有a=ec,故A错误;如果研究不同金属光电效应的规律,则根据Ek=hν-W,可判断不同金属的逸出功不同,故当Ek=0时,对应的ν不同,故在题图乙中得不到经过(b,0)点的一系列直线,故B错误;如果研究不同金属光电效应的规律,则根据eUc=hν-W,可判断直线的斜率为k=,故在题图丙中将得到一系列平行的倾斜直线,故C错误;由题图乙可得普朗克常量h=k=,由题图丙可得,直线斜率为k==,得h=,故D正确.
4. 1907年起,美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量,检验爱因斯坦光电效应方程的正确性.按照密立根的方法进行实验时得到了某金属的Uc和ν的几组数据,并作出如图所示的图线,电子的电荷量大小为e=1.6×10-19 C,光在真空中的速度为3×108 m/s.由图线可知,以下说法错误的是( )
A.该金属的极限频率约为4.27×1014 Hz
B.该金属的逸出功约为0.48 eV
C.可以求得普朗克常量约为6.24×10-34 J·s
D.若用波长为500 nm的紫光照射该金属,能使该金属发生光电效应
√
[解析] 根据光电效应方程,有Ekm=hν-W,又eUc=Ekm,解得Uc=ν-,由图像可知该金属的极限频率约为νc=4.27×1014 Hz,故A正确;由图像可知当Uc=0时W=hνc,由图像可知=,解得h≈6.24×10-34 J·s,W≈1.67 eV,故B错误,C正确;波长为500 nm的紫光的能量为E==2.34 eV>1.67 eV,则用波长为500 nm的紫光照射该金属,能使该金属发生光电效应,故D正确.
5. (多选)如图所示,图甲为氢原子的能级图,大量处于n=3激发态的氢原子跃迁时,发出频率不同的大量光子,其中频率最高的光子照射到图乙电路中光电管阴极K上时,电路中电流随电压变化的图像如图丙所示.下列说法正确的是( )
A.光电管阴极K金属材料的逸出功为7.0 eV
B.这些氢原子跃迁时共发出3种频率的光
C.若调节滑动变阻器滑片能使光电流为零,则可判断图乙中电源左侧为正极
D.氢原子跃迁放出的光子中有3种频率的光子可以使阴极K发生光电效应现象
√
√
[解析] 由题图甲可知处于n=3激发态的氢原子跃迁时,发出频率最高的光子的能量E=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,由题图丙可知遏止电压为7 V,所以光电子的最大初动能Ekm=eU=7 eV,所以金属材料的逸出功W=E-Ekm=5.09 eV,故A错误;大量处于n=3激发态的氢原子跃迁时能够发出3种频率的光,故B正确;光电子由阴极K向对面的极板运动,形成的电流在题图乙中逆时针流动,要阻止该电流,需要施加反向电压,即电源左侧应该为正极,故C正确;只要光子的能量大于5.09 eV,就可以使阴极K发生光电效应,由题图甲可知满足要求的有2种频率的光子,分别对应3→1、2→1的跃迁,故D错误.
6.图甲为氢原子能级图,图乙为氢原子光谱,Hα、Hβ、Hγ、Hδ是可见光区的四条谱线,其中Hβ谱线是氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级辐射产生的.下列说法正确的是( )
A.这四条谱线中,Hα谱线光子能量最大
B.Hα谱线是氢原子从n=5能级跃迁到
n=2能级辐射产生的
C.处于n=2能级的氢原子电离至少需要吸收13.6 eV的能量
D.若Hα、Hβ、Hγ、Hδ中只有一种光能使某金属产生光电效应,那一定是Hδ
√
[解析] 由图乙可知Hα谱线对应的波长最长,由E=h可知,波长越长,能量越小,A错误;Hα谱线光子的能量最小,氢原子从n=5能级跃迁到n=2能级辐射的能量比从n=4能级跃迁到n=2能级辐射的能量大,不是最小的,B错误;处于n=2能级的氢原子电离至少需要吸收3.4 eV的能量,C错误;频率越大的光子越容易使金属产生光电效应,图中Hδ谱线波长最小,频率最大,由E=h可知,Hδ光能量最大,若Hα、Hβ、Hγ、Hδ中只有一种光能使某金属产生光电效应,那一定是Hδ,D正确.
7.利用如图甲所示的实验装置观测光电效应现象,已知实验中测得某种金属的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示(ν1与U1均已知),电子的电荷量为e=1.6×10-19 C,则电源的右端为 极(选填“正”或“负”),普朗克常量为 ,该金属的逸出功为 ,若电流表的示数为10 μA,则每秒内从阴极发出的光电子数的最小值为 .
正
eU1
6.25×1013个
[解析] 由于测量的是遏止电压,则光电管两端接的电压是反向电压,K极接电源的正极,所以电源的右端为正极.根据爱因斯坦光电效应方程hν-W=Ek,遏止电压为Uc,则有eUc=Ek,整理得Uc=ν-,由金属的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系图像可得k== ,=U1,解得h=,W=eU1,根据电流的定义式I=,可知每秒内从K极发出的光电子所带的总电荷量为q=It=10×10-6×1 C=1.0×10-5 C,光电子数的最小值为n== 个=6.25×1013个.
8.氢原子处于基态时,原子能量E1=-13.6 eV,已知电子电荷量e=1.6×10-19 C,电子质量m=0.91×10-30 kg,氢原子的核外电子的第一条可能轨道的半径为r1=0.53×10-10 m.(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s)
(1)氢原子的核外电子绕核运动,处于n=2的定态与n=4的定态的氢原子的核外电子运动周期之比为多少
[答案] 1∶8
[解析] 处于n=2的定态的氢原子核外电子绕核做匀速圆周运动,库仑力提供向心力,有
k=mr2
则T2=2π,同理T4=2π
又r2=4r1,r4=16r1
故=1∶8
(2)要使处于n=2的激发态的氢原子电离,至少要用频率为多大的电磁波照射氢原子 (En=)
[答案] 8.21×1014 Hz
[解析] 要使处于n=2能级的氢原子电离,照射光光子的能量应能使电子从n=2能级跃迁到无限远处,最小频率的电磁波的光子能量应为hν=0-
解得ν=8.21×1014 Hz
(3)若已知钠的极限频率为6.00×1014 Hz,今用一群处于n=4的激发态的氢原子发射的光谱照射钠,则有几条谱线可使钠发生光电效应
[答案]四条
[解析]由于钠的极限频率为6.00×1014 Hz,则使钠发生光电效应的光子的能量至少为E0=hνc= eV=2.486 eV
一群处于n=4的激发态的氢原子发射的光子要使钠发生光电效应,应使跃迁时两能级的能量差满足ΔE≥E0,所以在六条谱线中有E41、E31、E21、E42四条谱线可使钠发生光电效应
1.(光电效应的图像)(多选)1905年,爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广,成功地解释了光电效应现象,提出了光子说.在与光电效应有关的四个图像中,下列说法正确的是( )
A.图甲中,当紫外线照射锌板时,发现验电器指针发生了偏
转,说明锌板带正电,验电器带负电
B.图乙中,从光电流与电压的关系图像中可以看出,电压
相同时,光照越强,光电流越大,说明遏止电压和光的强度有关
C.图丙中,若电子电荷量用表示,、、已知,由
图像可求得普朗克常量的表达式为
D.图丁中,由光电子最大初动能与入射光频率的关系图
像可知该金属的逸出功为或
√
√
[解析] 图甲中,当紫外线照射锌板时,锌板失去电子而带正电,验电器与锌板相连,所以也带正电,故A错误;图乙中,从光电流与电压的关系图像中可以看出,电压相同时,光照越强,光电流越大,只能说明光电流与光强的关系,而遏止电压和光的强度无关,和入射光的频率有关,故B错误;光电子的最大初动能为,解得,故C正确;根据爱因斯坦光电效应方程有,当时,有,当时,有,故D正确.
2.(光电效应的应用)[2024·泉州期末] 紫外光电管是利用光电效应原理对油库等重要场所进行火灾报警的装置，其工作电路如图所示，A为阳极，为阴极，只有当明火中的紫外线照射到阴极时，电压表才有示数且启动报警装置.已知太阳光中紫外线频率主要在，而明火中紫外线电源频率主要在.下列说法正确的是( )
A.为避免太阳光中紫外线干扰，极材料的极限频率应大于
B.电压表的示数与明火中紫外线的强度大小无关
C.电源左边为负极有利于提高报警装置的灵敏度
D.只有明火照射到极的时间足够长，电压表才会有示数
√
[解析] 太阳光中的紫外线频率主要在，为避免太阳光中的紫外线干扰，极材料的极限频率应大于，故A错误；明火中紫外线的强度越大，产生的光电流越大，由欧姆定律知，电压表的示数越大，故电压表的示数与明火中紫外线的强度大小有关，故B错误；电源左边接负极时，光电管上被施加正向电压，发生光电效应时到达阳极的光电子数增加，因此会提高报警装置的灵敏度，故C正确；根据爱因斯坦光电效应方程可知，只要明火中的紫外线照射到极，就会发生光电效应，跟明火照射时间无关，故D错误.第1节 光电效应及其解释
第2课时 光电效应的图像和应用
建议用时:40分钟
◆ 知识点一 光的波粒二象性
1.(多选)下列有关光的波粒二象性的说法正确的是 ( )
A.有的光是波,有的光是粒子
B.光子与电子一样,是一种粒子
C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著
D.光在与物质作用时更多地表现为粒子性,在传播过程中更多地表现为波动性
2.关于光的粒子性、波动性和波粒二象性,下列说法正确的是 ( )
A.光子说的确立完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光要么具有波动性,要么具有粒子性,二者不能同时具有
C.光的波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象
D.光电效应说明光具有粒子性,康普顿效应说明光具有波动性
3.[2024·泉州一中月考] 如图所示,当弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器箔片有张角,则该实验 ( )
A.只能证明光具有波动性
B.只能证明光具有粒子性
C.只能证明光能够发生衍射
D.证明光具有波粒二象性
◆ 知识点二 光电效应图像问题
4.用不同频率的紫外线分别照射钨板和锌板而发生光电效应,可得到光电子的最大初动能Ek随入射光的频率ν变化的Ek-ν图像,已知钨的逸出功为4.54 eV,锌的逸出功为3.34 eV,若将两者的图像分别用实线与虚线画在同一个Ek-ν图上.则图中正确的是 ( )
A B C D
5.[2024·厦门期末] 用甲、乙两种单色光照射同一种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,被照射金属的极限频率为ν0,遏止电压为Uc,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是 ( )
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.甲光的强度等于乙光的强度
C.甲光照射时产生的光电子初动能均为eUc
D.乙光的频率为ν0+
6.(多选)[2024·福州一中月考] 物理学家密立根利用图甲所示的电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系,描绘出图乙中的图像,由此算出普朗克常量h,电子电荷量用e表示,下列说法正确的是 ( )
A.增大入射光的强度,光电子的最大初动能也增大
B.由Uc-ν图像可知,这种金属的极限频率为νc
C.由Uc-ν图像可求普朗克常量表达式为h=
D.入射光的频率增大,为了测遏止电压,则滑动变阻器的滑片P应向M端移动
7.(多选)[2024·山东青岛期中] 如图所示为金属A和B的遏止电压Uc和入射光频率ν的关系图像,由图可知 ( )
A.金属A的逸出功小于金属B的逸出功
B.金属A的极限频率大于金属B的极限频率
C.图线的斜率为普朗克常量
D.如果用频率为5.5×1014 Hz的入射光照射两种金属,从金属A逸出的光电子的最大初动能较大
8.(多选)[2024·泉州期末] 用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图,则这两种光 ( )
A.照射该光电管时a光使其逸出的光电子最大初动能大
B.照射该光电管时b光使其逸出的光电子最大初动能大
C.通过同一装置发生双缝干涉,a光的相邻条纹间距大
D.通过同一装置发生双缝干涉,b光的相邻条纹间距大
9.如图所示是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,普朗克常量为h.下列说法错误的是 ( )
A.该金属的逸出功等于hν0
B.该金属的逸出功等于E
C.入射光的频率为0.5ν0时,产生的光电子的最大初动能为0.5E
D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
10.[2024·三明期中] 如图所示为光电子的遏止电压与入射光频率的关系图线,已知图线的纵、横截距分别为-a、b,电子电荷量为e,下列表达式正确的是 ( )
A.普朗克常量h=
B.金属的逸出功W=a
C.金属的极限频率νc=b
D.若入射光频率为3b,则光电子最大初动能一定为a
11.如图甲所示为研究光电效应的实验装置,电源和电表的正负极可以对调,某同学选用a、b、c三束不同的单色光分别照射同一光电管,发现光电流与电压的关系图像如图乙所示,下列说法正确的是 ( )
A.三束光的频率关系为νa>νb>νc
B.单位时间内产生的光电子数的关系为na>nb>nc
C.用a、b、c三束光照射时,逸出光电子的最大初动能的关系为Ekb>Eka>Ekc
D.用a、b、c三束光照射时,逸出光电子的动能大小一定为Ekb>Ekc>Eka
12.如图甲所示是研究光电效应饱和电流和遏止电压的实验电路,A、K为光电管的两极,调节滑动变阻器滑片P可使光电管两极获得正向或反向电压.现用光子能量E=11.2 eV的光持续照射光电管的极板K.移动滑动变阻器滑片P,获得多组电压表、电流表读数,作出电流与电压关系的图像如图乙所示.求:
(1)光电管K极材料的逸出功;
(2)恰达到饱和电流3.1 μA时,到达A极板的光电子的最大动能.
