专题17.2光的粒子性-2017-2018学年高二物理人教版（选修3-5）Word版含解析

第十七章 波粒二象性
第2节 光的粒子性
1．光电效应现象
光电效应：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做__________，发射出来的电子叫做光电子。
2．光电效应规
（1）每种金属都有一个极限________。
（2）光子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的________增大而增大。
（3）光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是__________的。
（4）光电流的强度与入射光的________成正比。
3．爱因斯坦光电效应方程
（1）光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是_________的，每一份叫做一个光子。光子的能量为ε=hν，其中h是普朗克常量，其值为__________。
（2）光电效应方程：Ek=hν–W0。
其中hν为入射光的能量，Ek为光电子的最大初动能，W0是金属的________。
4．遏止电压与截止频率
（1）遏止电压：使光电流减小到_________的反向电压Uc。
（2）截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的_________（又叫极限频率）。不同的金属对应着不同的极限频率。
（3）逸出功：电子从金属中逸出所需做功的最小值，叫做该金属的__________。
光电效应
频率 频率 瞬时 强度
一份一份 6.63×10–34 J·s 逸出功
零 截止频率 逸出功
两条线索
（1）通过频率分析：光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。
（2）通过光的强度分析：入射光强度大→光子数目多→产生的光电子多→光电流大。
图象名称
图线形状
由图线直接（间接） 得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0=|–E|=E
③普朗克常量：图线的斜率k=h
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：图线与横轴的交点
②饱和光电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm=eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1=eUc1，Ek2=eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率νc：图线与横轴的交点
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h=ke。（注：此时两极之间接反向电压）
【例题】如图是光电管的原理图，已知当有频率为ν0的光照射到阴极 K上时，电路中有光电流，则
A．当换用频率为ν1（ν1<ν0）的光照射阴极 K时，电路中一定没有光电流
B．当换用频率为ν2（ν2>ν0）的光照射阴极K时，电路中一定有光电流
C．当增大电路中电的电压时，电路中的光电流一定增大
D．当将电极性反接时，电路中一定没有光电流产生
参考答案：B
1．某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图所示。表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料
A．仅钠能产生光电子B．仅钠、铜能产生光电子C．仅铜、铂能产生光电子D．都能产生光电子
2．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则
A．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变B．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小C．逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小D．光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了
3．运用光子说对光电效应现象进行解释，可以得出的正确结论是
A．当光照时间增大为原来的2倍时，光电流的强度也增大为原来的2倍B．当入射光频率增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍C．当入射光波长增大为原来的2倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的2倍D．当入射光强度增大为原来的2倍时，单位时间内产生的光电子数目也增大为原来的2倍
4．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是
A．改用红光照射B．改用X射线照射C．改用强度更大的原紫外线照射D．延长原紫外线的照射时间
5．关于光的本性，下列说法正确的是
A．光电效应反应光的波动性B．光子的能量由光的强度所决定C．光的波粒二象性是将牛顿的波动说和惠更斯的粒子说有机地统一起来D．光在空间传播时，是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子
6．下列说法正确的是
A．汤姆孙发现电子，提出原子的核式结构模型B．金属的逸出功随入射光的频率增大而增大C．核力存在于原子核内所有核子之间D．核电站是利用重核裂变反应所释放的核能转化为电能
7．爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，下列说法正确的是
A．a的绝对值表示逸出功，与入射光频率ν有关B．Ekm与入射光强度成正比C．ν0是该金属极限频率，当入射光频率ν<ν0时，会逸出光电子D．图中直线的斜率表示普朗克常量
8．关于光电效应，下列说法正确的是
A．极限频率越大的金属材料逸出功越大B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应C．发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的强度有关D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多
9．在演示光电效应的实验中，把某种金同板连在验电器上。第一次，用弧光灯直接照射金属板，验电器的指针就张开一个角度。第二次，在弧光灯和金属板之间，插入一块普通的玻璃板，再用弧光灯照射，验电器指针不张开。由此可以判定，使金属板产生光电效应的是弧光中的
A．可见光成份B．紫外光成份C．红外光成份D．无线电波成份
10．光电效应的实验结论是：对于某种金属
A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应C．超过极限频率的入射光频率越大，所产生的光电子的最大初动能就越大D．发生光电效应所产生的光电子最大初动能，与入射光的频率成正比
11．关于光电效应，下列说法中正确的是
A．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大B．不同金属产生光电效应的入射光的最低频率是相同的C．金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能发生光电效应
D．如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应
12．如图所示，用可见光照射金属板，发现与该金属板相连的验电器指针张开一定角度，下列说法中不正确的有
A．验电器指针带正电B．有一部分电子从金属板表面逸出C．如果改用相同强度的红外线照射，验电器指针也一定会张开一定角度D．如果改用相同强度的紫外线照射，验电器指针也一定会张开一定角度
13．如图，用一定频率的单色光照射光电管时，电流表指针会发生偏转，则
A．电源右端应为正极B．流过电流表G的电流大小取决于照射光的频率C．流过电流表G的电流方向是a流向bD．普朗克解释了光电效应并提出光子能量E=hν
14．用如图所示装置做光电效应实验，下述正确的是
A．光电效应现象是由爱因斯坦首先发现的B．实验现象揭示了光具有波动性C．实验中，光电子从锌板逸出，验电器带正电D．实验中，若用可见光照射锌板，也能发生光电效应
15．用某单色光照射金属表面，金属表面有光电子飞出．若照射光的频率增大，强度减弱，则单位时间内飞出金属表面的光电子的
A．能量增大，数量增多B．能量减小，数量减少C．能量增大，数量减小D．能量减小，数量增多
16．如图1所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为5 eV的光照射到光电管上时，测得电流计上的示数随电压变化的图象如图2所示。则光电子的最大初动能为________J，金属的逸出功为________J。
17．用频率为v但强度不同的甲乙两种光做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示，由图可知，________（选填甲或乙）光的强度大，已知普朗克常量为h，被照射金属的逸出功为W0则光电子的最大初动能为________。
18．已知钙和钾的截止（极限）频率分别为7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某种单色光的照射下两种金属均发生了光电效应。用W表示金属中的电子克服金属的逸出功，则有W钙________W钾；用Ek表示从金属表面逸出的光电子的最大初动能，则有Ek钙________Ek钾。（选填“>”、“<”或“=”）
19．在某次光电效应实验中，得到的遏制电压u0与入射光的频率v的关系如图所示，若该直线的斜率为k、横截距为b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出功可表示为________。
20．如图所示，一静电计与锌板相连，在A处用一紫外灯照射锌板，关灯后，指针保持一定偏角。a此时锌板带正电，静电计带________电（填“正”或“负”）；b使静电计指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，静电计指针无偏转。此时如果增大入射黄光的照射强度，则可观察到静电计指针________（填“有”或“无”）偏转。
21．根据玻尔原子结构理论，氦离子（He+）的能级图如图所示。当大量He+处在n=4的激发态向基态跃迁时，产生的光子照射到某种金属上，其中n=3向n=2跃迁产生的光子刚好能使该金属发生光电效。求：
（1）该金属的逸出功；
（2）光电子的最大初动能。
22．如图所示是做光电效应实验的装置简图．在抽成真空的玻璃管内，K为阴极（用金属铯制成，发生光电效应的逸出功为1.9 eV），A为阳极。在a、b间不接任何电源，用频率为ν（高于铯的极限频率）的单色光照射阴极K，会发现电流表指针有偏转。这时，若在a、b间接入直流电源，a接正极，b接负极，并使a、b间电压从零开始逐渐增大，发现当电压表的示数增大到2.1 V时，电流表的示数刚好减小到零。求：
（1）a、b间未接直流电源时，通过电流表的电流方向；
（2）从阴极K发出的光电子的最大初动能Ek是多少焦？
（3）入射单色光的频率是多少？
23．（2017·新课标全国Ⅲ卷）在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是
A．若νa>νb，则一定有UaB．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb
C．若UaD．若νa>νb，则一定有hνa–Eka>hνb–Ekb
24．（2016·全国新课标Ⅰ卷）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B．入射光的频率变高，饱和光电流变大
C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关
25．（2016·江苏卷）几种金属的溢出功W0见下表：
用一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应。已知该可见光的波长范围为4.0×10-7~7.6×10-7 m，普朗克常数h=6.63×10–34J·s。
1．D【解析】由题图可知，该光源发出的光的波长大约在50 nm到440 nm之间，而三种材料中，极限频率最小的铂的极限波长是196 nm，大于50 nm，所以该光源能使三种材料都产生光电效应。
2．A【解析】根据光电效应方程Ekm=hv–W0得，光强度不影响光电子的最大初动能，光电子的最大初动能与入射光的频率有关；光电效应的条件是入射光的频率大于极限频率，与光的强度无关；入射光的强度影响单位时间内发出光电子的数目，光的强度减弱，单位时间内发出光电子数目减少，故BCD错误，A正确。
4．B【解析】根据光电效应的条件γ>γ0，要产生光电效应，必须用能量更大，即频率更高的粒子，能否发生光电效应与光的强度和照射时间无关，X射线的频率大于紫外线的频率，故A、C、D错误，B正确。
5．D【解析】光电效应反映光的粒子性，故A错误；根据E=hv，可知：光子的能量与光的频率成正比，故B错误；牛顿的“微粒说”认为光是一种实物粒子，而爱因斯坦的“光子说”认为光是一种量子化的物质，麦克斯韦的电磁说与爱因斯坦的光子说，光既具有波动性又具有粒子性，故具有波粒二象性，故C错误；由爱因斯坦的光子说：光在空间传播时，是不连续的，是一份一份的，每一份光叫做一个光子，故D正确。
8．A【解析】逸出功W=hv0，知极限频率越大，逸出功越大，故A正确。光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，与入射光的强度无关，故B错误。在光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而入射光越强，光电流的饱和值越大，故C错误。根据光电效应方程Ekm=hv–W0知，光电子的最大初动能随着照射光频率的增大而增大，而光电子数目与光强有关，故D错误。
9．B【解析】第一次能发生光电效应，第二次不能发生光电效应，得知能使金属发生光电效应的光不能透过普通玻璃，使金属板产生光电效应的是弧光灯中的紫外线，因为紫外线不能透过普通玻璃。
10．A【解析】发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，与入射光的强度、光照时间无关，所以光的频率小于极限频率就不能产生光电效应，故A正确，B错误。根据光电效应方程Ekm=hv–W0，可知入射光的频率大于极限频率时，频率越高，光电子的最大初动能越大，与入射光强度无关，故C错误。根据光电效应方程Ekm=hv–W0，可知入射光的频率大于极限频率时，频率越高，光电子的最大初动能越大，但不是成正比，故D错误。
11．D【解析】光子的能量与光照强度无关，只与光的频率有关，光子的最大初动能与光照强度无关，随着入射光的频率增大而增大，故A错误；每种金属都有自己的极限频率，故B错误；金属内的每个电子一次只能吸收一个光子，而且是不能积累的，故C错误；根据光电效应产生的条件可知，当入射光光子的能量小于金属的逸出功时，不能发生光电效应，故D正确。
12．C【解析】验电器的铝箔张开一个角度，说明可见光照射到锌板，有光电子出来，能使锌板带正电，所以验电器指针带正电，故A正确，B正确。红外线的频率小于可见光的频率，如果改用相同强度的红外线照射，不一定发生光电效应，则验电器指针不一定会张开一定角度，故C错误；紫外线的频率大于可见光的频率，如果改用相同强度的紫外线照射，验电器指针也一定会张开一定角度，故D正确。
15．C【解析】根据E=hv知，照射光的频率增大，则光子能量增大，光的强度减弱，单位时间内发出光电子的数目减少，故C正确，ABD错误。
16．3.2×10–19 4.8×10–19【解析】由图2可知，当该装置所加的电压为反向电压，当电压是–2 V时，电流表示数为0，知道光电子点的最大初动能为：2 eV=3.2×10–19 J，根据光电效应方程Ekm=hv–W0，W0=3 eV=4.8×10–19 J。
17．甲 hv–W0【解析】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；由光电效应方程mv2=hv–W0，可知，电子的最大初动能Ekm=hv–W0。
18．> <【解析】根据金属的逸出功W0=hvc，知逸出功与截止频率成正比，则W钙>W钾；根据爱因斯坦光电效应方程得：Ek=hv–W0，又W0=hvc，联立得：Ek=hv–hvc，则得Ek钙19．ek keb【解析】根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hv–W，任何一种金属的逸出功W一定，说明Ek随频率f的变化而变化，且是线性关系（与y=ax+b类似），直线的斜率等于普朗克恒量，由于：Ek=eUe所以：eUe=hv–W，由图可得Ue=kγ–b，整理得：h=ek；Ek=hv–W，Ek=0时有hv0–W=0，所以逸出功W=keb。
20．正 无【解析】（1）用弧光灯照射锌板，发生光电效应，发出光电子，锌板和验电器带正电。
（2）使静电计指针回到零，再用相同光照强度的钠灯发出的黄光照射锌版，静电计指针无偏转，说明了黄色光不能使锌板发生光电效应；当增大入射黄光的照射强度，也不能发生光电效应。故静电计的指针不偏转。
21．（1）7.56 eV （2）43.44 eV
（1）原子从能级n=3向n=2跃迁所放出的光子的能量为13.60–6.04=7.56 eV，当光子能量等于逸出功时，恰好发生光电效应，所以逸出功W0=7.56 eV（2）从能级n=4向n=1跃迁所放出的光子能量为54.4–3.4 eV=51 eV，
根据光电效应方程得，最大初动能Ekm=hv–W0=51–7.56=43.44 eV
23．BC
【解析】由爱因斯坦光电效应方程，又由动能定理有，当时，，，A错误，B正确；若，则有，C正确；同种金属的逸出功不变，则不变，D错误。
24．ACE【解析】根据光电效应实验得出的结论：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，故A正确，B错误；根据爱因斯坦光电效应方程得：入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故C正确；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若低于遏止频率，则没有光电流产生，故D错误，E正确。
25．纳、钾、铷
【解析】光子的能量E=，取λ=4.0×10–7 m，则E≈5.0×10–19 J，根据E>W0判断，纳、钾、铷能发生光电效应。