人教版高中物理（选择性必修三）同步讲义+练习4.2光电效应（含解析）

4.2光电效应知识点一、光电效应的实验规律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的现象．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：当入射光的频率低于截止频率时不(填“能”或“不”)发生光电效应．(2)存在饱和电流：在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大．(3)存在遏止电压：使光电流减小到0的反向电压Uc，且满足eq\f(1,2)mevc2＝eUc.(4)光电效应具有瞬时性：光电效应几乎是瞬时发生的．知识点二、爱因斯坦的光电效应理论光子：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，其中h为普朗克常量．这些能量子后来称为光子．2．逸出功：使电子脱离某种金属，外界对它做功的最小值，用W0表示．不同种类的金属，其逸出功的大小不相同(填“相同”或“不相同”)．3．爱因斯坦光电效应方程(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，在这些能量中，一部分大小为W0的能量被电子用来脱离金属，剩下的是逸出后电子的初动能Ek.(3)Uc与ν、W0的关系①表达式：Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e).②图像：Uc－ν图像是一条斜率为eq\f(h,e)的直线．光电效应现象和光电效应方程的应用(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率.(2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光.(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关.(4)光电子不是光子，而是电子.2.两条对应关系(1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大.3.三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0.(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc.(3)逸出功与极限频率的关系W0＝hνc.光电效应图象四类图象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νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值的绝对值W0＝|－E|＝E③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：光电流的最大值③最大初动能：Ek＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②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极限频率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荷量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)知识点三、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＝eq\f(h,λ)。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。知识点四、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＝eq\f(h,λ)。如图，将洁净的锌板用导线连接在验电器上，用紫外线灯照射锌板时，观察到验电器指针发生偏转。此时（）A．有光电子从锌板表面逸出，验电器带正电 B．有光电子从锌板表面逸出，验电器带负电 C．有正离子从锌板表面逸出，验电器带正电 D．有正离子从锌板表面逸出，验电器带负电【解答】解：用紫外线照射锌板，观察到验电器指针发生偏转，说明发生了光电效应，由光电子从锌板逸出，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故A正确，BCD错误；故选：A。（2022春•肇庆月考）如图甲所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。现分别用蓝光、弱黄光、强黄光照射阴极K，形成的光电流与电压的关系图像如图乙示，图中a、b、c光依次为（）A．蓝光、弱黄光、强黄光 B．弱黄光、蓝光、强黄光 C．强黄光、蓝光、弱黄光 D．蓝光、强黄光、弱黄光【解答】解：设遏止电压为Uc，由动能定理eUc＝Ek＝hν﹣W0可知，对于同一种金属W0不变，遏止电压与入射光的频率有关。对于一定频率的光，无论光的强弱如何，截止电压都是一样的，故a、c是同种颜色的光，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，a为强黄光，c为弱黄光。b的遏止电压最大，故b光的频率最大，为蓝光。故ABD错误，C正确；故选：C。（2023•洪山区校级三模）如图所示为研究光电效应实验的电路图。初始时刻，滑动触头P在O点左侧靠近a点某位置；用一定强度的绿光照射光电管K极，当闭合开关后，微安表的示数不为0，则在P向b端移动的过程中（）A．微安表的示数不断增大 B．微安表的示数可能为零 C．到达A端的光电子动能不断增大 D．K端逸出的光电子的最大初动能不断增大【解答】解：AB．在P向b端移动的过程中，在到达O点之前，A极电势低于B极电势，此时相当于电源反接，随着P靠近O，电压减小，故电场力做的负功越来越少，微安表的示数增大；过了O点之后，A极电势高于B极电势，此时相当于电源正接，电场力对光电子做正功，微安表的示数增大，但微安表的示数增大到一定程度后达到饱和光电流不再增大，故AB错误；C．A极电势逐渐升高，P到达O点前电场力对光电子做的负功减小，过了O点后正功逐渐增大，根据动能定理可知到达A端的光电子动能不断增大，故C正确；D．根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν﹣W0可知K端逸出的光电子的最大初动能不变，故D错误。故选：C。（2022春•徐州期末）在研究石墨对X射线的散射时，康普顿发现在散射的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。这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比（）A．能量增大 B．动量增大 C．波速减小 D．频率减小【解答】解：电磁波在真空中传播速度v不变，X射线光子的能量和动量分别为ε=ℎν=ℎvλ，p=ℎλ，则可知这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比，频率故选：D。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的关系图象，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=bB．断开开关S后，电流表G的示数为零 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【解答】解：A、根据Ekm＝hv﹣W0得，纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，等于b。当最大初动能为零时，入射光的频率等于截止频率，所以金属的截止频率为ν0＝a，那么普朗克常量为h=bB、电键S断开后，因光电效应现象中，光电子存在最大初动能，因此电流表G的示数不为零，故B错误。C、根据光电效应方程可知，入射光的频率与最大初动能有关，与光的强度无关。故C错误。D、若保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，则光子数目减小，那么电流表G的示数变小。故D错误。故选：A。从1907年起，密立根就开始测量金属的遏止电压Uc（即图甲所示的电路中电流表G的读数减小到零时加在电极K、A之间的反向电压）与入射光的频率ν，由此算出普朗克常量h。按照密立根的方法我们利用图示装置进行实验，得到了某金属的Uc﹣ν图像如图乙所示。下列说法正确的是（）A．该金属的截止频率约为4.30×1014Hz B．该金属的截止频率约为5.50×1014Hz C．该图线的斜率为普朗克常量 D．该图线的斜率为这种金属的逸出功【解答】解：CD、设金属的逸出功为W0，根据动能定理，光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系是Ek＝eUc，光电效应方程为Ek＝hν﹣W0，联立可得Uc=ℎeν−W0e，故UAB、当Uc＝0时，ν=W0ℎ=νc，由题图可知，此时ν＝4.30X10故选：A。用如图甲所示的实验装置观测光电效应，已知实验中测得某种金属的遏止电压Uc与入射光的频率ν之间的关系如图乙所示，图像的横纵截距分别为v1、﹣U1，电子电量为e，求：普朗克常量h和该金属的逸出功W0。【解答】解：（1）由爱因斯坦光电效应方程可知hν＝Ekm+W0截止电压与最大初动能的关系eUc＝Ekm联立得：Uc=ℎe可知图像的斜率和纵截距k=b=−从图中可知k=b＝﹣U1普朗克常量h＝eU该金属的逸出功W0＝eU1（2023•东城区模拟）如图所示，电源的电动势均为E，内阻不计，光电管的阴极K用极限波长为λ0的材料制成。将开关S闭合，将波长为λ的激光射向阴极，通过改变光电管A和阴极K之间的电压，可测得相应光电流的饱和值，已知普朗克常量h，电子电荷量e。（1）该金属材料的逸出功W；（2）求由K极发射的光电子的最大初动能Ekm；（3）当阳极A和阴极K之间的电压为U1时，求电子到达A极时的最大动能Ek。【解答】解：（1）金属的逸出功：W＝hγ0=（2）根据爱因斯坦光电效应方程，可知由K极逸出光电子的最大初动能为：Ekm＝hγ﹣W=（3）开关S接1时，为正向电压，当阳极A和阴极K之间的电压为U1时，根据动能定理有：U1e＝Ekm﹣Ek解得：E图中各仪器均完好，有一束单色光照射到光电管的阴极上，闭合开关后，即使将可变电阻R的阻值调为零，检流计中仍无电流通过，电路中没有光电流的原因可能是（）A．入射光线的强度不够 B．照射时间不够长 C．电源的正负极接反了 D．入射光的波长不够短【解答】解：由题目电路图可知，光电管两端是接入的正向电压，当将可变电阻R的阻值调为零，即正向电压达到最大，检流计G中仍无电流通过，说明光电管中没有光电子逸出，即没有发生光电效应现象，只有增大入射光的频率，也可缩短入射光的波长，光电效应现象能否发生与入射光的强弱无关，与光照时间长短无关，但与电源的反向电压有关，故ABC错误，D正确；故选：D。假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子相互碰撞后，电子向某一方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比（）A．频率变大 B．速度变小 C．光子动量变大 D．波长变长【解答】解：A、光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据E＝hν，光子的频率减小；故A错误B、碰撞前、后的光子速度不变，故B错误C、当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，故C错误。D、当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，根据λ=ℎ故选：D。（2023•津市市校级开学）用图甲所示电路可以研究光电效应中电子的发射情况与光照强弱、光频率等物理量间的关系（图中电源极性可对调）。图乙所示为a、b、c三种光照下得到的三条光电流I与A极、K极间电压UAK的关系图线。下列说法正确的是（）A．若开关闭合时电流表有示数，则开关断开时电流表示数为0 B．若想测量饱和电流，则图甲中电源极性需要对调 C．若b是黄光，则a可能是蓝光 D．b、c是同种颜色的光，b的光强比c的光强大【解答】解：A．开关闭合时电流表有示数，说明入射光的频率大于阴极K的极限频率，K极有光电子逸出，不加电压时，也有光电子到达A极从而形成光电流，电流表仍有示数，故A错误；B．若想测饱和电流，则需要把K极发射的光电子全部收集到A极上，需要建立方向由A指向K的电场，A极电势高，接电源正极，故图甲中电源极性不需要对调，故B错误；C．根据eUc＝Ekm以及光电效应方程表达式：Ekm＝hν﹣W可得ν=同种K极金属材料的逸出功W一定，可知截止电压越大，入射光的频率ν越大，b对应的截止电压大于a对应的截止电压，则a的频率比b的低，由于蓝光的频率大于黄光的频率，若b是黄光，a不可能是蓝光，故C错误；D．b、c的截止电压相同，证明光的频率相同，故是同种颜色的光，b的饱和电流比c的大，b光照射时单位时间逸出的光电子数目多，说明b光单位时间打到K极的光子数多，所以b的光强比c的光强大，故D正确。故选：D。（2023春•永胜县校级期末）如图所示，分别用功率相同的甲光和乙光照射相同的光电管阴极，甲光的频率为ν1，乙光的频率为ν2，ν1＜ν2，产生的光电流I随阳极与阴极间所加电压U的变化规律正确的是（）A． B． C． D．【解答】解：根据爱因斯坦光电效应方程式得：Ek＝hv﹣W0①根据遏止电压和最大初动能的关系：eUc＝Ek②联立①②得：U由于乙光的频率大于甲光的频率，即v2＞v1，由上式知：乙光对应的遏止电压大于甲光所对应的遏止电压。由于甲光和乙光的功率相同，即在单位时间单位面积上甲光的能量等于乙光的能量，设甲光的光子个数为n1，乙光的光子个数为n2，则有：n1hv1＝n2hv2。由于ν1＜ν2，故n1＞n2，即甲光光子个数大于乙光光子个数，由于光子和光电子是一一对应的关系，所以甲光照射光电管单位时间内产生的光电子个数大于乙光单位时间内产生的光电子个数，故甲光对应的饱和光电流大于乙光对应的饱和光电流。满足此特征的只有C，故选：C。（2021•潍坊二模）如图所示，是某种火灾报警装置的工作电路图，它的核心部件为紫外线光电管，其中A为阳极，K为阴极，发生火灾时c、d端有输出电压实施报警。已知地表附近太阳光中紫外线光子能量介于3.1～3.9eV之间，明火中的紫外线光子能量介于4.4～6.2eV之间。几种金属单质的逸出功如表所示，若光电管阴极材料K选用金属铝，则下列说法正确的是（）金属单质钾钠锌铝逸出功/eV2.252.293.384.21A．太阳光照射时c、d端有输出电压 B．明火照射时c、d端有输出电压 C．若阴极K材料选用金属锌，能实现有效报警 D．明火中紫外线波长越长，光电子的最大初动能越大【解答】解：A、金属铝的逸出功为W0＝4.21eV，太阳光中紫外线光子的最大能量E＝3.9eV，E＜W0，所以太阳光照射光电管的阴极，不会发生光电效应，所以电路中没有光电流，c、d间没有输出电压，故A错误；B、明火中的紫外线光子的最小能量E＝4.4eV，E＞W0，可见，明火照射光电管的阴极，有光电效应发生，电路中有光电流产生，c、d间有输出电压，故B正确；C、若阴极材料选用金属锌，金属锌的逸出功W0＝3.38eV，而太阳光中紫外线的光子能量介于3.1eV～3.9eV，这样太阳光照射光电管的阴极锌，会发生光电效应，电路中有光电流，c、d间有电压输出，实施报警，但这时没有火灾，所以这是无效的报警，故C错误；D、明火中紫外线波长越长，则紫外线的频率越低，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hγ﹣W0，则光电子的最大初动能越小，故D错误。故选：B。（多选）（2023秋•海淀区校级月考）如图是研究光电效应的实验装置，O点是滑动变阻器的中点，变阻器阻值随滑片位置均匀变化。用某单色光照射时，能够发生光电效应。若电源电动势为20V，内阻不计。滑动变阻器长为10cm，当滑片P距离a端4cm时，微安表示数恰为0，则（）A．当滑片P从此位置向左滑动时，微安表有电流 B．当滑片P从此位置向右滑动时，微安表有电流 C．光电子最大初动能为2eV D．光电子最大初动能为8eV【解答】解：当滑片P距离a端4cm时，微安表示数恰为0，可知此时两极板间的电压为遏止电压，且滑片P距离O点1cm；根据电压和电阻之间的关系可得：遏止电压大小为：UA．当划片P从此位置向左滑动时，所加反向电压增大，微安表无电流，故A错误；B．当滑片P从此位置向右滑动时，所加反向电压减小，当滑片P位于O点右端时，所加电压为正向电压，微安表有电流，故B正确；CD．根据动能定理可得：0﹣Ek＝﹣eUc；可得光电子最大初动能为：Ek＝2eV故C正确，D错误。故选：BC。（多选）（2022•南京模拟）如图为某同学设计的一个光电烟雾探测器，光源S发出一束波长为0.8μm的红外线，当有烟雾进入探测器时，来自光源S的红外线会被烟雾散射进入光电管C，当红外线射到光电管中的金属表面时发生光电效应，光电流大于8×10﹣9A时，便会触发报警系统．已知元电荷e＝1.6×10﹣19C，光在真空中的传播速度为3