人教版 (2019)选择性必修 第三册2 光电效应综合训练题

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TOC \ "1-3" \t "正文,1" \h
\l "_Tc2094" 【题型1 光子】
\l "_Tc1161" 【题型2 I-U图像】
\l "_Tc25206" 【题型3 Ek-ν 图像】
\l "_Tc9103" 【题型4 Uc-ν 图像】
\l "_Tc24590" 【题型5 图像中的对比问题】
\l "_Tc24590" 【题型6 图像综合】
【题型1 光子】
【例1】在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ=6.4×10-7m，每个激光脉冲的能量E=1.5×10-2J．求每个脉冲中的光子数目．（已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s，光速c=3×108m/s．计算结果保留一位有效数字）
【答案】光子能量，光子数目n=，代入数据得n=5×1016
【详解】每个光子的能量为 ，每个激光脉冲的能量为E，所以每个脉冲中的光子个数为： ，联立且代入数据解得：．
【变式1-1】2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm（1 nm=10–9 m）附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲．大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用．一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎．据此判断，能够电离一个分子的能量约为（取普朗克常量h=6.6×10–34 J·s，真空光速c=3×108 m/s）
A．10–21 JB．10–18 JC．10–15 JD．10–12 J
【答案】B
【详解】一个处于极紫外波段的光子的能量约为，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同，故选B．
【变式1-2】光刻机是制造芯片的核心装备，利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片。为提高光刻机清晰投影最小图像的能力，在透镜组和硅片之间充有液体。紫外线进入液体后与其在真空中相比（ ）
A．波长变短B．光子能量增加C．频率降低D．传播速度增大
【答案】A
【详解】紫外线进入液体后与真空相比，频率不变，传播速度减小，根据可知波长变短；根据
可知，光子能量不变。 故选A。
【变式1-3】（多选）某半导体激光器发射波长为1.5×10-6m，功率为5.0×10-3W的连续激光．已知可见光波长的数量级为10-7m，普朗克常量h＝6.63×10-34J·s，该激光器发出的
A．是紫外线B．是红外线
C．光子能量约为1.3×10-18JD．光子数约为每秒3.8×1016个
【答案】BD
【详解】波长的大小大于可见光的波长，属于红外线．故A错误，B正确．光子能量．故C错误．每秒钟发出的光子数．故D正确．故选BD．
【题型2 I-U图像】
【例2】如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，实验测得流过表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h＝6.63×10－34 J·s。结合图像，求：(结果保留两位有效数字)
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能。
(2)该阴极材料的极限波长。
解析：(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数
n＝eq \f(Im,e)＝eq \f(0.64×10－6,1.6×10－19)(个)＝4.0×1012(个)
光电子的最大初动能为：
Ekm＝eU0＝1.6×10－19 C×0.6 V＝9.6×10－20 J。
(2)设阴极材料的极限波长为λ0，根据爱因斯坦光电效应方程：Ekm＝heq \f(c,λ)－heq \f(c,λ0)，代入数据得λ0＝0.66 μm。
答案：(1)4.0×1012个 9.6×10－20 J (2)0.66 μm
【变式2-1】为防范新冠病毒蔓延，额温枪成为重要的防疫装备。有一种红外测温仪的原理是：任何物体的温度在高于绝对零度(－273 ℃)时都会向外发出红外线，额温枪通过红外线照射到温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为电信号，计算出温度数据。已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线，如图甲所示，用该红外线照射光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，实验得到的电流随电压变化的图像如图乙所示，已知h＝6.63×10－34 J·s，e＝1.6×10－19 C，则( )
A．波长为10 μm的红外线在真空中的频率为3×1014 Hz
B．将图甲的电源反接，一定不会产生电信号
C．由图乙数据可知，该光电管的阴极金属逸出功约为0.1 eV
D．若人体温度升高，则辐射红外线的强度减弱，光电管转换成的光电流减小
解析：选C 波长为10 μm的红外线在真空中的频率为ν＝eq \f(c,λ)＝3×1013 Hz，故A错误；由题图甲可知，当电源反接时，电子受到的力向右，因为电子有一定的初动能，当所加电压小于遏止电压时，就会有电子到达A极板，此时有电信号，故B错误；当加的反向电压大于遏止电压时，没有电信号，由题图乙可知，遏止电压为0.02 V，故最大初动能Ek＝eUc＝0.02 eV，由光电效应方程，有Ek＝hν－W逸，可得W逸≈0.1 eV，故C正确；若人体温度升高，则辐射红外线的强度增强，光电管转换成的光电流增大，故D错误。
【变式2-2】(多选)如图甲为研究光电效应的实验装置，用频率为ν的单色光照射光电管的阴极K，得到光电流I与光电管两端电压U的关系图线如图乙所示，已知电子电荷量的绝对值为e，普朗克常量为h，则( )
A.测量遏止电压Uc时开关S应扳向“1”
B.只增大光照强度时，图乙中Uc的值会增大
C.只增大光照强度时，图乙中I0的值会减小
D.阴极K所用材料的极限频率为eq \f(hν－eUc,h)
答案 AD
解析 测量遏止电压时应在光电管两端加反向电压，即开关S应扳向“1”，故A正确；图乙中I0的值表示饱和光电流，增大光照强度时，饱和光电流增大，故C错误；由动能定理得eUc＝Ek，由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可得W0＝hν－eUc，则阴极K所用材料的极限频率为ν0＝eq \f(W0,h)＝eq \f(hν－eUc,h)，图乙中Uc的值与光照强度无关，故B错误，D正确。如图为a、【变式2-3】(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波动性，可运用波动规律确定电子通过双缝后的具体位置
解析：选BC 因为蓝光的遏止电压最大，根据hν－W＝eUc，则题图甲中对应的三种光中“蓝光”的光子能量最强，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，B正确；题图乙中现象说明光子不仅具有能量也具有动量，C正确；题图丙中现象说明电子具有波动性，不能运用波动规律确定电子通过双缝后的具体位置，因为电子波为概率波，无法确定单个电子的运动位置，D错误。
【题型3 Ek-ν 图像】
【例3】(多选)某同学在研究某金属的光电效应现象时，发现该金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。若图线在横、纵坐标轴上的截距分别为a和－b，已知电子所带电荷量为e，由图线可以得到( )
A.该金属的逸出功为零
B.普朗克常量为eq \f(b,a)，单位为J·Hz
C.当入射光的频率为2a时，逸出光电子的最大初动能为b
D.当入射光的频率为3a时，遏止电压为eq \f(2b,e)
答案 CD
解析 根据光电效应方程Ek＝hν－W0，横截距表示该金属的截止频率，可知该金属的逸出功不为零，故A错误；图线的斜率k＝eq \f(b,a)表示普朗克常量，单位为J/Hz，故B错误；由图可知W0＝b，ha＝W0, 则当入射光的频率为2a时，逸出光电子的最大初动能为Ek＝h·2a－W0＝b，选项C正确；当入射光的频率为3a时，则Ek＝h·3a－W0＝2b，由eU遏＝Ek 可得U遏＝eq \f(2b,e)，选项D正确。
【变式3-1】(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E
B．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2E
D．该图线的斜率表示普朗克常量h
解析：选AD 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，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，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，C错误。
【变式3-2】光电效应实验，得到光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。普朗克常量、金属材料的逸出功分别为( )
A.eq \f(b,a)，b B.eq \f(b,a)，eq \f(1,b)
C.eq \f(a,b)，b D.eq \f(a,b)，eq \f(1,b)
答案 A
解析 根据Ek＝hν－W0得纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功，即W0＝b，图线的斜率k＝h＝eq \f(b,a)，故A正确，B、C、D错误。
【变式3-3】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＝eq \f(a,b)
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：选B 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＝eq \f(b,a)，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。
【题型4 Uc-ν 图像】
【例4】下表是按照密立根的方法进行光电效应实验时得到的某金属的遏止电压Uc和入射光的频率ν的几组数据。
由以上数据应用Excel描点连线，可得直线方程，如图所示。
则这种金属的截止频率约为( )
A．3.5×1014 Hz B．4.3×1014 Hz
C．5.5×1014 Hz D．6.0×1014 Hz
解析：选B 遏止电压为零时，入射光的频率等于截止频率，根据方程Uc＝0.397 3eq \f(ν,1014)－1.702 4，当Uc＝0解得ν＝4.3×1014 Hz，B正确。
【变式4-1】用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示，实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，图线与横轴交点的横坐标为5.15×1014 Hz。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。则下列说法中正确的是( )
A．欲测遏止电压，应选择电源左端为正极
B．当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大
C．增大照射光的强度，产生的光电子的最大初动能一定增大
D．如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek＝1.2×10－19 J
解析：选D 用题图甲所示的实验装置测量铷的遏止电压Uc与入射光频率ν，光电管左端是阳极，则电源左端为负极，A错误；当电源左端为正极时，将滑动变阻器的滑片向右滑动的过程中，刚开始电压增大，光电流增大，当光电流达到饱和值，不再增大，即电流表读数的变化是先增大，后不变，B错误；光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸出功有关，与入射光的强度无关，C错误；根据题图乙可知，铷的截止频率νc＝5.15×1014 Hz，根据hνc＝W0，该金属的逸出功大小W0＝6.63×10－34×5.15×1014 J≈3.41×10－19 J，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，当入射光的频率为ν＝7.00×1014 Hz时，则最大初动能为Ek＝6.63×10－34×7.0×1014 J－3.41×10－19 J≈1.2×10－19 J，D正确。
【变式4-2】利用如图甲所示的电路完成光电效应实验，金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图乙所示，图乙中U1、ν1、ν0均已知，电子电荷量用e表示。入射光频率为ν1时，下列说法正确的是( )
A.光电子的最大初动能Ek＝eU1－hν0
B.由Uc－ν图像可求得普朗克常量h＝eq \f(eU1,ν1－ν0)
C.滑动变阻器的滑片P向N端移动过程中电流表示数一直增加
D.把电源正负极对调之后，滑动变阻器的滑片P向N端移动过程中电流表示数一直增加
答案 B
解析 依题得，光电子的最大初动能为Ek＝eU1，故A错误；根据光电效应方程hν＝W0＋Ek，其中W0＝hν0，可得普朗克常量为h＝eq \f(eU1,ν1－ν0)，故B正确；无论电源正负极如何，电流表示数不能一直增加，故C、D错误。
【变式4-3】在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示。若该直线的斜率和截距分别为k和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________。
解析：根据光电效应方程Ekm＝hν－W0及Ekm＝eUc得Uc＝eq \f(hν,e)－eq \f(W0,e)，故eq \f(h,e)＝k，b＝－eq \f(W0,e)，得h＝ek，W0＝－eb。
答案：ek －eb
【题型5 图像中的对比问题】
【例5】(多选)对于钠和钙两种金属，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图4所示.用h、e分别表示普朗克常量和电子电荷量，则( )
A.钠的逸出功小于钙的逸出功
B.图中直线的斜率为eq \f(h,e)
C.在得到这两条直线时，必须保证入射光的光强相同
D.若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较高
答案 AB
解析 根据Uce＝Ek＝hν－W0，即Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(W0,e)，则由题图可知钠的逸出功小于钙的逸出功，选项A正确；题图中直线的斜率为eq \f(h,e)，选项B正确；在得到这两条直线时，与入射光的光强无关，选项C错误；根据Ek＝hν－W0，若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较低，选项D错误.
【变式5-1】如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率ν1