第十六章第1讲　光电效应　波粒二象性-2025版高考总复习物理

[基础落实练]1．(2021·辽宁卷)赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接收电路的电极如果受到光照，就更容易产生电火花。此后许多物理学家相继证实了这一现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是()A．玻尔 B．康普顿C．爱因斯坦 D．德布罗意解析：玻尔引入量子化的观念解释了氢原子光谱，A错误；康普顿提出康普顿效应，发现了光子不仅具有能量，还具有动量，证明了光具有粒子性，B错误；爱因斯坦提出光子说，从理论上解释了光电效应的实验现象，C正确；德布罗意提出一切物质都具有波粒二象性，D错误。答案：C2．利用如图所示的装置观察光电效应现象，将光束照射在金属板上，发现验电器指针没有张开。欲使验电器指针张开，可()A．改用逸出功更大的金属板材料B．改用频率更大的入射光束C．增加该光束的照射时间D．增大该光束的强度解析：改用逸出功更大的金属板材料，更不可能发生光电效应现象，验电器指针不能张开，故A错误；发生光电效应现象的条件是入射光的频率要大于或等于金属的极限频率，与入射光的强度和入射光的照射时间无关，则改用频率更大的入射光束，可以使验电器指针张开，故B正确，C、D错误。答案：B3.如图所示，分别用波长为λ、2λ的光照射光电管的阴极K，对应的遏止电压之比为3∶1，则光电管的极限波长是()A．2λ B．3λC．4λ D．6λ解析：根据Uce＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝eq\f(hc,λ)－eq\f(hc,λ0)，则Uc1e＝eq\f(hc,λ)－eq\f(hc,λ0)，Uc2e＝eq\f(hc,2λ)－eq\f(hc,λ0)，其中eq\f(Uc1,Uc2)＝eq\f(3,1)，解得λ0＝4λ。答案：C4．(2022·全国乙卷)一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10-7m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量为h＝6.63×10-34J·s。R约为()A．1×102m B．3×102mC．6×102m D．9×102m解析：根据题述，点光源向所有方向均匀辐射，即距离点光源为R的球面上单位时间所接收的光的能量等于点光源单位时间所辐射的光的能量。点光源辐射功率P＝4πR2×nE0，其中E0＝eq\f(hc,λ)，联立解得R≈3×102m，选项B正确。答案：B5.用如图所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零，移动滑动变阻器的触点c，发现当电压表的示数大于或等于1.7V时，电流表示数为零，则在该实验中()A．光电子的最大初动能为1.05eVB．光电管阴极的逸出功为1.7eVC．开关S断开，电流表G示数为零D．当触点c向a端滑动时，电压表示数增大解析：由题可知，遏止电压Uc＝1.7V，最大初动能Ek＝eUc＝1.7eV，A错误；根据光电效应方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05eV，B错误；断开开关S，光电效应依然发生，有光电流，光电管、电流表、滑动变阻器构成闭合回路，电流表中电流不为零，C错误；电源电压为反向电压，当触点c向a端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，电流表示数减小，D正确。答案：D6．某光源发出的光由不同频率的光组成，不同频率的光的强度如图所示，表中给出了某些材料的极限频率，用该光源发出的光照射表中材料，下列说法正确的是()材料钾钙钨极限频率/(×1014Hz)5.447.7310.95A.仅钾能产生光电子B．仅钨、钙能产生光电子C．仅钙、钾能产生光电子D．钨、钙、钾都能产生光电子解析：由题图可知，该光源发出的光的频率大约在6×1014Hz到14×1014Hz之间，而三种材料中，极限频率最高的钨的极限频率是10.95×1014Hz，小于14×1014Hz，所以该光源能使三种材料都产生光电子。答案：D7．(多选)根据下列图像所反映的物理现象进行分析判断，说法正确的是()A．图甲中对应的三种光中“黄光(强)”的光子能量最强B．根据图甲分析可知，若用橙光照射同一实验装置可能没有光电流产生C．图乙中现象说明光子不仅具有能量也具有动量D．图丙中现象说明电子具有粒子性解析：因为蓝光的遏止电压最大，根据hν－W0＝eUc，则题图甲中对应的三种光中“蓝光”的光子能量最强，所以A错误；因为橙光的频率比上面两种光的小，根据题图甲分析可知，若用橙光照射同一实验装置可能没有光电流产生，所以B正确；题图乙中现象说明光子不仅具有能量也具有动量，所以C正确；题图丙中现象说明电子具有波动性，所以D错误。答案：BC8．(1)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的，能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高，则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是________。A．I增大，λ增大 B．I增大，λ减小C．I减小，λ增大 D．I减小，λ减小(2)大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线，其中最长和最短波长分别为λ1和λ2，则该激发态与基态的能量差为________，波长为λ1的光子的动量为________。(已知普朗克常量为h，光速为c)解析：(1)若人体温度升高，则人体的热辐射强度I变大，由E＝hν可知对应的频率变大，由c＝λν知对应的波长变小，选项B正确。(2)该激发态与基态的能量差ΔE对应着辐射最短波长的光子，故能量差为ΔE＝hν＝heq\f(c,λ2)；波长为λ1的光子动量p＝eq\f(h,λ1)。答案：(1)B(2)heq\f(c,λ2)eq\f(h,λ1)[能力提升练]9.(多选)如图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，由图像可知()A．该金属的逸出功为EB．入射光频率为eq\f(ν0,2)时，产生的光电子的最大初动能为eq\f(E,2)C．入射光频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2ED．该图线的斜率表示普朗克常量h解析：根据爱因斯坦的光电效应方程hν－W＝Ek，由图像可知，纵坐标的截距表示W，该图线的斜率表示普朗克常量h，所以该金属的逸出功为E，则A、D正确；由图像可知，金属的极限频率为ν0，所以入射光频率为eq\f(ν0,2)时，不能发生光电效应，则B错误；由于hν0＝W＝E，入射光频率为2ν0时，代入公式解得Ek＝h·2ν0－W＝h·ν0＝E，则产生的光电子的最大初动能为E，所以C错误。答案：AD10．科学探究小组使用图甲所示的电路图研究光电效应，图乙为光电管发生光电效应时遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像，已知光电子的电荷为e。下列说法正确的是()A．单刀双掷开关S空掷时，即使能发生光电效应，电流传感器的示数仍然为零B．为得到图乙的图像，单刀双掷开关S应掷于1处C．光电管中金属材料的逸出功为eaD．普朗克常量h＝eq\f(a,b)解析：单刀双掷开关S空掷时，光电管两端无电压，若能发生光电效应，则光电子也能从K极到达A极形成光电流，即电流传感器的示数不为零，A错误；若单刀双掷开关S掷于1，则光电管两端的电压为正向电压，不会得到题图乙的图像，B错误；根据Uce＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝hν－W0可得Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，由图像可知eq\f(h,e)＝eq\f(a,b)，eq\f(W0,e)＝a，即光电管中金属材料的逸出功W0＝ae，普朗克常量h＝eq\f(ae,b)，C正确，D错误。答案：C11．(多选)(2023·浙江6月卷)有一种新型光电效应量子材料，其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时，只产生动能和动量单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝，在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹，测得条纹间距为Δx，已知电子质量为m，普朗克常量为h，光速为c，则()A．电子的动量pe＝eq\f(hL,dΔx)B．电子的动能Ek＝eq\f(hL2,2md2Δx2)C．光子的能量E＝W0＋eq\f(chL,dΔx)D．光子的动量p＝eq\f(W0,c)＋eq\f(h2L2,2cmd2Δx2)解析：由条纹间距Δx＝eq\f(L,d)λ、电子动量pe＝eq\f(h,λ)联立解得eq\a\vs4\al(pe)＝eq\f(hL,dΔx)，A对；电子的动能Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(peq\o\al(2,e),2m)，解得Ek＝eq\f(1,2m)(eq\f(hL,dΔx))2，B错；光子的能量E＝W0＋Ek，故E＝W0＋eq\f(1,2m)(eq\f(hL,dΔx))2，C错；光子的动量p＝eq\f(h,λ)＝eq\f(hν,c)＝eq\f(E,c)，解得p＝eq\f(W0,c)＋eq\f(h2L2,2cmd2Δx2)，D对。答案：AD12．某光电管的阴极在某单色光照射下恰好发生光电效应。阴极与阳极之间所加电压大小为U，光电流为I。已知电子的质量为m、电荷量为e，假设光电子垂直碰撞阳极且碰撞后即被吸收，则光电子对阳极板的平均作用力F的大小为()A．eq\f(I,e)eq\r(2meU) B．eq\f(I,e)eq\r(meU)C．eq\f(e,I)eq\r(2meU) D．eq\f(e,I)eq\r(meU)解析：根据题意，阴极金属恰好发生光电效应，则说明光电子离开阴极的速度为0，根据动能定理有eU＝eq\f(1,2)mv2，可得v＝eq\r(\f(2eU,m))，每个光电子到达阳极板时的动量变化量大小为Δp0＝mv＝eq\r(2meU)，设时间Δt内有n个电子打在阳极板上，则有I＝eq\f(q,Δt)＝eq\f(ne,Δt)，由动量定理可得平均作用力为F＝neq\f(Δp0,Δt)，由以上整理得F＝eq\f(I,e)eq\r(2meU)，A正确，B、C、D错误。答案：A13．(2023·江苏卷)“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：(1)每个光子的动量p和能量E；(2)太阳辐射硬X射线的总功率P。解析：(1)根据德布罗意波长公式可得，每个光子的动量为p＝e