人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第4章 第2节　光电效应学案

第2节　光电效应
核心 素养 物理观念 科学思维
1.知道光电效应、光电子的概念。
2.掌握光电效应的实验规律。
3.知道光子说、光电效应方程及其意义。
4.了解康普顿效应及其意义。
5.了解光的波粒二象性。 体会并感受科学家在面对光电效应问题和疑难时的创新精神。
知识点一　光电效应及其实验规律
[观图助学]
把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。
这个现象说明了什么问题？
引入光电效应
1.光电效应
照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应。
2.光电子：光电效应中发射出来的电子。
3.光电效应的实验规律
(1)存在截止频率：当入射光的频率减小到某一数值νc时，已经没有光电子了。
νc称为截止频率或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。
(2)存在着饱和电流：在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这表明对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。
遏止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度。同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。
(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。
4.逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。
不同金属的逸出功不同。
[思考判断]
(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。(×)
(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。(×)
(3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。(√)
知识点二　爱因斯坦的光子说与光电效应方程
1.光的波动说的困难：按照光的波动说，当光照射到金属表面时，金属中的电子会从入射光中吸收能量，只有当能量积累到一定量时，电子才能从金属表面逃逸出来，这无法解释光电效应的实验现象。
2.光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子被称为光子。
3.爱因斯坦的光电效应方程
(1)表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0。
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能Ek。
[思考判断]
(1)“光子”就是“光电子”的简称。(×)
(2)光电子的最大初动能与入射光的频率成正比。(×)
(3)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多。(√)
知识点三　康普顿效应和光的波粒二象性
[思考助学]
太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的，为什么？
提示　在地球上存在着大气，太阳光经微粒散射后传向各个方向，而在太空中的真空环境下光不再散射只向前传播。
1.康普顿效应
(1)光的散射
光子在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射。
(2)康普顿效应
美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
(3)康普顿效应的意义
康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面。
(4)光子的动量
①表达式：p＝。
②说明：在康普顿效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小。因此，有些光子散射后波长变大。
2.光的波粒二象粒
(1)光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。
(2)光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝。
(3)光子既有粒子的特征，又有波的特征；即光具有波粒二象性。
[思考判断]
(1)光子的动量与波长成反比。(√)
(2)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。(×)
(3)有些光子发生散射后，其波长变大。(√)
(1)赫兹最早发现光电效应现象。
(2)光电效应的实质：
光现象电现象。
(3)定义中光包括不可见光和可见光。
(4)使锌板发射出电子的光是弧光灯发出的紫外线。
光电子是金属表面受到光的照射时发射出来的电子，其本质是电子，光是光电效应的“因”光电子是“果”。
光电效应发生的条件是：入射光的频率大于截止频率。
光电流和饱和电流
金属板逸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，这个饱和值叫饱和电流。
遏止电压与光电子初速度的关系：由动能定理得出mv＝eUc。
光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电。光电子是金属表面受到光照射时吸收了光子能量后发射出来的电子，其本质是电子。
光电子的动能与光电子的最大初动能
光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收光子的能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余能量为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。
光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系。
爱因斯坦提出了光子说，成功地解释了光电效应现象，康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。
波长较短的X射线或γ射线与物质微粒相互作用时产生的康普顿效应较明显。
在光的散射中，光子与其他粒子作用过程中遵循动量守恒定律与能量守恒定律。
核心要点 　光电效应现象及其实验规律
[观察探究]
如图甲是研究光电效应现象的装置图，图乙是研究光电效应的电路图，请结合装置图及产生的现象回答下列问题：
(1)在甲图中发现，利用紫外线照射锌板无论光的强度如何变化，验电器都有张角，而用红光照射锌板，无论光的强度如何变化，验电器总无张角，这说明了什么？
(2)在乙图中光电管两端加正向电压，用一定强度的光照射时，若增加电压，电流表示数不变，而光强增加时，同样电压，电流表示数会增大，这说明了什么？
(3)在乙图中若加反向电压，当光强增大时，遏止电压(使光电流减小到0的反向电压)不变，而入射光的频率增加时，遏止电压却增加，这一现象说明了什么？
(4)光电效应实验表明，发射电子的能量与入射光的强度无关，而与光的频率有关，试用光子说分析其原因。
答案　(1)金属能否发生光电效应，决定于入射光的频率，与入射光的强度无关。
(2)发生光电效应时，当入射光频率不变时，单位时间飞出的光电子个数只与光的强度有关。
(3)光电子的能量与入射光频率有关，与光的强度无关。
(4)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且传递能量的过程只能是一个光子对应一个电子的行为。如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原来的束缚，就不能发生光电效应。而当光的频率高于截止频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在。
[探究归纳]
1.光电效应的实质：光现象电现象。
2.光电效应中的光包括不可见光和可见光。
3.光电子：光电效应中发射出来的电子，其本质还是电子。
4.能不能发生光电效应由入射光的频率决定，与入射光的强度无关。
5.发生光电效应时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，单位时间内发出的光电子数越多。
6.光的强度与饱和电流：饱和电流与光强有关，与所加的正向电压大小无关。饱和电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的。对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和电流与入射光强度之间不是简单的正比关系。
[试题案例]
[例1] (多选)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，饱和电流变大
B.入射光的频率变高，饱和电流变大
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
解析　保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子变多，饱和电流变大，A正确；据爱因斯坦光电效应方程hν＝mv2＋W0可知，入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，饱和电流不变，B错误，C正确；当hν答案　AC
[针对训练1] (多选)用某种色光照射到金属表面时，金属表面有光电子飞出，如果光的强度减弱而频率不变，则(　　)
A.光的强度减弱到某一最低数值时，仍有光电子飞出
B.光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光电子飞出
C.单位时间内飞出的光电子数目减少
D.单位时间内飞出的光电子数目不变
解析　发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，若入射光的频率不变，仍然能发生光电效应，故A正确，B错误；光的强弱只影响单位时间内发出光电子的数目，光的强度减弱，则单位时间内飞出的光电子数目减少，故C正确，D错误。
答案　AC
核心要点 　光电效应方程的理解和应用
[问题探究]
用如图所示的装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表的示数不为零；移动滑动变阻器的滑片，发现当电压表的示数大于或等于1.7 V时，电流表示数为0。
(1)光电子的最大初动能是多少？遏止电压为多少？
(2)光电管阴极的逸出功又是多少？
(3)当滑片向a端滑动时，光电流变大还是变小？
(4)当入射光的频率增大时，光电子最大初动能如何变化？遏止电压呢？
答案　(1)1.7 eV　1.7 V
(2)W0＝hν－mv2＝2.75 eV－1.7 eV＝1.05 eV
(3)变大　(4)变大　变大
[探究归纳]
1.三个关系
(1)爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。
(2)光电子的最大初动能Ek可以利用光电管实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止电压，即光电流刚好为0时的反向电压。
(3)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。
2.四类图像
图像名称 图线形状 读取信息
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①截止频率(极限频率)：横轴截距
②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率νc：横轴截距
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荷量的乘积，即h＝ke
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：横轴截距
②饱和电流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饱和电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
[试题案例]
[例2] (2019·北京卷，19)光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
组 次 入射光子
的能量/eV 相对
光强 光电流大
小/mA 逸出光电子的最大动能/eV
第 一
组 1
2
3 4.0
4.0
4.0 弱
中
强 29
43
60 0.9
0.9
0.9
第 二
组 4
5
6 6.0
6.0
6.0 弱
中
强 27
40
55 2.9
2.9
2.9
由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)
A.两组实验采用了不同频率的入射光
B.两组实验所用的金属板材质不同
C.若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV
D.若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
解析　由题表格中数据可知，两组实验所用的入射光的能量不同，由公式E＝hν可知，两组实验中所用的入射光的频率不同，故A正确；设金属的逸出功为W0，由爱因斯坦质能方程Ek＝hν－W0可得，第一组实验：0.9 eV＝4.0 eV－W01，第二组实验：2.9 eV＝6.0 eV－W02，解得，W01＝W02＝3.1 eV，即两种材料的逸出功相同，故材料相同，故B错误；由爱因斯坦质能方程Ek＝hν－W0可得Ek＝(5.0－3.1) eV＝1.9 eV，故C正确；由题表格中数据可知，入射光能量相同时，相对光强越强，光电流越大，故D正确。
答案　B
[例3] 用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν 的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a，0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)，下列说法中正确的是(　　)
A.普朗克常量为h＝
B.断开开关S后，电流表G的示数不为零
C.仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大
D.保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变
解析　由hν＝W0＋Ek，变形得Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h＝，故A错误；断开开关S后，初动能大的光电子，也可能达到阳极，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么单位时间内的光子数一定减少，发出的光电子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。
答案　B
[针对训练2] (多选)如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，由图像可知(　　)
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为ν0时，产生的光电子的最大初动能为E
D.入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E
解析　题中图像反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0，知当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hν0＝W0，即该金属的逸出功等于hν0，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，C、D错误。
答案　AB
核心要点 　对康普顿效应的理解
[要点归纳]
1.光的散射：光在介质中与物质粒子相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫作光的散射。
2.康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
3.经典物理的理论无法解释康普顿效应
按照经典物理的理论，由于光是电磁振动的传播，入射光将引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光。散射光的频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射光的频率。因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不会出现λ>λ0的散射光。
4.用光子说解释康普顿效应
康普顿认为X射线的光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量，X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律，求解这些方程，可以得出散射光波长的变化量Δλ，理论结果与实验符合得很好。
如图为X射线的光子与石墨中电子碰撞前后状态的示意图。
5.光子的动量
狭义相对论告诉我们，质量m和能量E有简单的对应关系：E＝mc2, 一个光子的能量是hν，所以它的质量是m＝，借用质子、电子等粒子动量的定义：动量＝质量×速度，可得光子的动量。
温馨提示　光子的静质量为零，这里所说光子质量是光子的相对质量。p＝mc＝·c＝＝。在康普顿
效应中，入射光子与晶体中电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，光子的动量变小。由p＝知动量减小意味着波长变大。
[试题案例]
[例4] 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量，如图给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿________(填“1”“2”或“3”)方向运动，并且波长________(填“不变”“变短”或“变长”)。
解析　因为光子与电子碰撞过程中动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前的方向一致，可见碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由E＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长。
答案　1　变长
[针对训练3] A、B两种光子的能量之比为2∶1，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EA、EB。求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功。
解析　光子能量ε＝hν，动量p＝，且ν＝，
得p＝，则pA∶pB＝2∶1。
A照射时，光电子的最大初动能EA＝εA－W0。
同理，EB＝εB－W0，解得W0＝EA－2EB。
答案　2∶1　EA－2EB
核心要点 　光的波粒二象性
[要点归纳]
对光的波粒二象性的理解
实验基础 表现 说明
光的波动性 干涉和衍射 (1)光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)足够能量的光在传播时，表现出波的性质
(1)光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的
(2)光的波动性不同于宏观观念的波
光的粒子性 光电效应、康普顿效应 (1)当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性 (1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
(2)光子不同于宏观观念的粒子
[试题案例]
[例5] (多选)关于光的波粒二象性，下列理解正确的是(　　)
A.高频光是粒子，低频光是波
B.大量的光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性
C.波粒二象性是光的属性，只是有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著
D.光在传播时是波，而与物质发生相互作用时转变成粒子
解析　波粒二象性是光所具有的性质，在不同的情况下有不同的表现：大量的光子往往表现出波动性，个别光子往往表现出粒子性；光在传播过程中通常表现为波动性，在与物质发生相互作用时通常表现为粒子性。
答案　BC
[针对训练4] 关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是(　　)
A.光子说完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光和经典的波与粒子很相似
C.光的波动说和光子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有不能解释的实验现象
D.光的波粒二象性是指光要么具有波动性，要么具有粒子性，而不是同时具有波动性和粒子性
解析　光子说的确立，没有完全否定了波动说，使人们对光的本性认识更完善，光既具有波动性，又同时具有粒子性，光具有波粒二象性，故A、D错误；光的波粒二象性，与宏观概念中的波不同，与微观概念中的粒子也不相同，故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。
答案　C
1.(对光电效应现象的理解)(多选)如图所示，用弧光灯照射擦得很亮的锌板，验电器指针张开一个角度，则下列说法中正确的是(　　)
A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转
B.用红光照射锌板，验电器指针一定会发生偏转
C.锌板带的是负电荷
D.使验电器指针发生偏转的是正电荷
解析　将擦得很亮的锌板与验电器连接，用弧光灯照射锌板(弧光灯可以发出紫外线)，验电器指针张开一个角度，说明锌板带了电，进一步研究表明锌板带正电。这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出，锌板带正电，选项A、D正确，C错误；红光的频率低于紫外线的频率，不一定能使锌板发生光电效应，B错误。
答案　AD
2.(光电效应的实验及规律)入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么(　　)
A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加
B.逸出的光电子的最大初动能将减小
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
解析　发生光电效应几乎是瞬时的，选项A错误；入射光的强度减弱，说明单位时间内的入射光子数目减少，频率不变，说明光子能量不变，逸出的光电子的最大初动能也就不变，选项B错误；入射光子的数目减少，逸出的光电子数目也就减少，故选项C正确；入射光照射到某金属上发生光电效应，说明入射光频率不低于这种金属的极限频率，入射光的强度减弱而频率不变，同样能发生光电效应，故选项D错误。
答案　C
3.(光电效应的图像)爱因斯坦因提出了光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，其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是(　　)
A.逸出功与ν有关
B.Ekm与入射光强度成正比
C.当ν<ν0时，会逸出光电子
D.图中直线的斜率为普朗克常量
解析　金属的逸出功是由金属自身决定的，与入射光频率无关，其大小W0＝hν0，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0，可知光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只要入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变，故B错误；要有光电子逸出，则光电子的最大初动能Ekm>0，即只有入射光的频率ν>ν0时才会有光电子逸出，故C错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W0。可知该图像的斜率＝h。故D项正确。
答案　D
4.(光电效应方程的应用)如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。闭合开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零。当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为
(　　)
A.1.9 eV B.0.6 eV
C.2.5 eV D.3.1 eV
解析　由题意知光电子的最大初动能为Ek＝eUc＝0.6 eV，所以根据光电效应方程Ek＝hν－W0可得W0＝hν－Ek＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV。
答案　A
5.(对康普顿效应的理解)光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，对此下列说法正确的是(　　)
A.两种效应中电子与光子组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律
B.两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程
C.两种效应都属于吸收光子的过程
D.光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应相当于光子和电子弹性碰撞的过程
解析　光电效应吸收光子放出电子，其过程能量守恒，但动量不守恒，康普顿效应相当于光子与电子弹性碰撞的过程，并且遵守动量守恒定律和能量守恒定律，两种效应都说明光具有粒子性，故D正确。
答案　D
基础过关
1.关于光电效应，下列说法正确的是(　　)
A.对于任何一种金属都存在一个极限波长，入射光的波长必须大于这个波长，才能产生光电效应
B.金属材料的逸出功与入射光的频率成正比
C.在发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度有关，且随入射光的强度的增强而增强
D.用不可见光照射某金属，一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大
解析　对于任何一种金属都存在一个极限频率，入射光的频率必须大于这个频率，才能产生光电效应，波长大的光频率小，所以入射光的波长必须小于这个极限频率对应的波长，才能发生光电效应，故A错误；金属材料的逸出功与材料自身有关，与入射光的频率无关，故B错误；发生光电效应时，入射光的强度越大，光电流的强度越强，故C正确；由于不可见光的频率有的比可见光大，有的比可见光小，由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，不可见光产生光电子的最大初动能可能比可见光产生的光电子的最大初动能大，也可能比其小，故D错误。
答案　C
2.关于光电效应的叙述，下列说法中正确的是(　　)
A.饱和电流的强度与入射光的强度无关
B.用频率相同的紫外线照射不同金属时产生的光电子的最大初动能相同
C.某种光照射某金属时不产生光电效应，换用频率较小的光照射时可能产生光电效应
D.某种光照射某金属时不产生光电效应，换用极限频率较小的金属时可能产生光电效应
解析　饱和电流的大小与入射光的强度有关，即入射光的强度越大，饱和电流强度越大，A错误；不同金属的逸出功不同，根据光电效应方程可知，用频率相同的紫外线照射不同金属时，产生的光电子的最大初动能不相同，B错误；用某种光照射某金属时不产生光电效应，说明这种光的频率小于该金属的极限频率，换用频率较小的光照射时不可能产生光电效应，C错误；某种光照射某金属时不产生光电效应，换用极限频率较小的金属时，入射光频率可能大于该金属极限频率，有可能产生光电效应，D正确。
答案　D
3.用红光照射某一光电管发生光电效应时，测得光电子的最大初动能为E1；若改用紫光照射该光电管时，测得光电子的最大初动能为E2，则(　　)
A.E2＝E1 B.E2>E1
C.E2解析　根据Ek＝hν－W0，入射光频率增大，则金属表面逸出的光电子最大初动能增大，即E2>E1，故B正确。
答案　B
4.关于光子说对光电效应的解释，下列说法中正确的是(　　)
A.金属内的每个电子一次只能吸收一个光子
B.只要入射光强度足够大，便一定能发生光电效应
C.当入射光频率一定时，入射光越强，光电子的最大初动能就一定越大
D.光电子的最大初动能与入射光的频率、光强均有关
解析　根据光电效应的规律，一个电子一次只能吸收一个光子，选项A正确；能否发生光电效应与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，只有当入射光的频率大于金属的极限频率时才能发生光电效应，选项B错误；入射光频率越大，光电子的最大初动能就一定越大，与光的强度无关，选项C、D错误。
答案　A
5.频率为ν的光射到某种光电材料表面，所产生的光电子在垂直于磁感应强度为B的匀强磁场中做圆周运动的最大半径为r，则该光电材料的逸出功为(设电子的质量为m，带电荷量为e，普朗克常量为h)(　　)
A.hν－ B.hν＋
C.hν－ D.hν＋
解析　根据光电效应方程得Ekm＝hν－W。根据洛伦兹力提供向心力。有evB＝，则v＝，最大初动能Ekm＝mv2＝。则金属的逸出功W＝hν－Ekm＝hν－，故A正确。
答案　A
6.如图所示是研究光电效应的电路，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照射时能够发射光电子，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。如果用单色光a照射阴极K，电流表的指针发生偏转；用单色光b照射光电管阴极K时，电流表的指针不发生偏转。下列说法正确的是(　　)
A.a光的波长一定大于b光的波长
B.仅增加a光的强度可使通过电流表的电流增大
C.滑动变阻器的滑片从图示位置向右滑动，电流表的示数一定变大
D.阴极材料的逸出功与入射光的频率有关
解析　用a光照射阴极K时，电流表指针会发生偏转，用b光则不会发生偏转，则νa>ν0>νb，由λ＝知a光的波长小于b光的波长，故A错误；只增加a光的强度，单位时间产生的光电子数目增多，光电流增大，使通过电流表的电流增大，故B正确；如果光电流已经到达饱和状态，即使滑动变阻器的滑片从图示位置向右滑动，使光电管两端的正向电压变大，光电流仍然不变，即电流表的示数也不变，故C错误；阴极材料的逸出功由材料本身决定，与入射光的频率无关，故D错误。
答案　B
7.1916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，从而获得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Uc与入射光频率ν，作出如图乙所示的Uc－ν图像，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，则下列说法正确的是(　　)
A.图甲中极板A连接电源的正极
B.普朗克常量约为6.64×10－34 J·s
C.该金属的截止频率为5.0×1014 Hz
D.该金属的逸出功约为6.61×10－19 J
解析　实验需要加反向电压，可知极板A接电源负极，故A错误；由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0，光电子在电场中做减速运动，由动能定理可得－eUc＝0－Ek，解得Uc＝－，由题图可知，该金属的极限频率ν0＝5.0×1014 Hz，图像的斜率k＝，代入数据解得h＝6.61×10－34 J·s，故B错误，C正确；该金属的逸出功W0＝hν0＝6.61×10－34×5.0×1014 J＝3.31×10－19 J，故D错误。
答案　C
8.关于康普顿效应，下列说法中正确的是(　　)
A.石墨对X射线散射时，部分射线的波长变短
B.康普顿效应仅出现在石墨对X射线的散射中
C.康普顿效应证明了光的波动性
D.康普顿效应证明了光子具有动量
解析　在康普顿效应中，当X射线的光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则光子动量减小，根据λ＝，可知部分射线波长变长，故A错误；康普顿效应不仅出现在石墨对X射线的散射中，故B错误；康普顿效应揭示了光具有粒子性，故C错误；康普顿效应进一步表明光子具有动量，故D正确。
答案　D
9.(多选)人类对光的本性的认识经历了曲折的过程，下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是(　　)
A.牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的
B.光的双缝干涉实验显示了光具有波动性
C.麦克斯韦预言了光是一种电磁波
D.光具有波粒二象性
解析　牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，A错误；干涉是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，B正确；麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验证实了光的电磁说，C正确；光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，D正确。
答案　BCD
能力提升
10.(多选)在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能产生光电效应。对于这两种过程，下列四个物理量中，一定不同的是(　　)
A.遏止电压 B.饱和电流
C.光电子的最大初动能 D.逸出功
解析　根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能Ek＝hν－W0，其中W0为所用材料的逸出动，而锌和银这两种材料的逸出功W0一定不同，故可知光电子的最大初动能Ek一定不同；又由于Ek＝eUc，故可知遏止电压Uc一定不同。饱和电流的大小，与入射光的强度有关，故饱和电流不一定不同。
答案　ACD
11.用波长为2.0×10－7 m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子中最大的动能是4.7×10－19 J。由此可知，钨的极限频率是(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s，结果取2位有效数字)(　　)
A.5.5×1014 Hz B.7.9×1014 Hz
C.9.8×1014 Hz D.1.2×1015 Hz
解析　由光电效应可知，入射光子的能量等于逸出功与最大初动能的和，即hν＝W0＋Ek，又有c＝λν，W0＝hν0，由以上三式得钨的极限频率ν0＝－＝7.9×
1014 Hz，故B项正确。
答案　B
12.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实。
光电效应实验装置示意图如图所示。用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应。换用同样频率为ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W0为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量)(　　)
A.U＝－ B.U＝－
C.U＝2hν－W0 D.U＝－
解析　同频率的光照射阴极K，普通光不能使其发生光电效应，而强激光能使其发生光电效应，说明一个电子吸收了多个光子。设吸收的光子个数为n，光电子逸出的最大初动能为Ek，由光电效应方程知：Ek＝nhν－W0(n≥2)；光电子逸出后克服电场力做功，由动能定理知Ek＝eU，联立上述两式得U＝－，当n＝2时，即为B选项，其他选项均不可能。
答案　B
13.研究光电效应规律的实验装置如图所示，以频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生。由于光电管K、A间加的反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动。光电流i由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出，当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为反向遏止电压U0，在下列表示光电效应实验规律的图中，错误的是(　　)
解析　当反向电压U与入射光频率一定时，光电流i与光强成正比，所以A图正确；频率为ν的入射光照射阴极所发射出的光电子的最大初动能为mv＝hν－W0，而遏止电压U0与最大初动能的关系为eU0＝mv，所以遏止电压U0与入射光频率ν的关系是eU0＝hν－W0，其函数图像不过原点，所以B图错误，选项B符合题意；当光强与入射光频率一定时，单位时间内单位面积上逸出的光电子数及其最大初动能是一定的，所形成的光电流强度会随反向电压的增大而减小，所以C图正确；根据光电效应的瞬时性规律，不难确定D图是正确的。
答案　B
14.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出(　　)
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
解析　当光电管两端加上反向遏止电压，光电流为零时，则由动能定理mv－0＝eUc，对同一光电管(逸出功W0相同)使用不同频率的光照射，有hν－W0＝mv，两式联立可得hν－W0＝eUc，丙光的反向遏止电压最大，则丙光的频率最大，A、C错误；又λ＝可见λ丙<λ乙，B正确；又由hν－W0＝mv或由mv－0＝eUc可知丙光对应的光电子最大初动能最大，D错误。
答案　B