2019届高考物理一轮复习课时规范练37《光电效应　波粒二象性》(含解析)

课时规范练37　光电效应　波粒二象性

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基础巩固组

1.(光电效应)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.从金属表面逸出的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小

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

答案A

解析逸出功W0=hν0,W0∝ν0,A正确;只有照射光的频率ν大于金属极限频率ν0,才能产生光电效应现象,B错误;由光电效应方程Ekm=hν-W0知,光电子的最大初动能与入射光的频率和金属材料的逸出功都有关系,所以C错误;光强E=nhν,E一定,ν越大,则光子数n越小,单位时间内逸出的光电子数就越少,D错误。

2.

(光电效应)(2017·广东阳东模拟)用如图所示的光电管研究光电效应,用某种频率的单色光a照射光电管阴极K,电流计G的指针发生偏转,而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时,电流计G的指针不发生偏转。那么(　　)

A.a光的频率不一定大于b光的频率

B.只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大

C.增加b光的强度可能使电流计G的指针发生偏转

D.用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电流是由d到c

答案B

解析由于用单色光a照射光电管阴极K,电流计G的指针发生偏转,说明发生了光电效应,而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时,电流计G的指针不发生偏转,说明b光不能发生光电效应,即a光的频率一定大于b光的频率,选项A错误;增加a光的强度可使单位时间内逸出光电子的数量增加,则通过电流计G的电流增大,选项B正确;因为b光不能发生光电效应,所以即使增加b光的强度也不可能使电流计G的指针发生偏转,选项C错误;用a光照射光电管阴极K时通过电流计G的电子的方向是由d到c,所以电流方向是由c到d,选项D错误。

3.(光电效应图象)(2017·北京朝阳区期末)

爱因斯坦因提出了光量子概念,并成功地解释了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。则可以确定的是(　　)

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.图中直线的斜率与普朗克常量有关

答案D

解析由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0和W0=hν0(W0为金属的逸出功)可得,Ek=hν-hν0,可见图象的斜率就表示普朗克常量,D正确;只有ν≥ν0时才会发生光电效应,C错误;金属的逸出功只与金属本身有关,与入射光的频率无关,A错误;最大初动能取决于入射光的频率和金属的逸出功,而与入射光的强度无关,B错误。

4.(多选)(波粒二象性)物理学家做了一个有趣的实验:在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片,若减弱光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些不规则的点;如果曝光时间足够长,底片上就会出现规则的干涉条纹。对这个实验结果的认识,下列正确的是(　　)

A.曝光时间不长时,光的能量太小,底片上的条纹看不清楚,故出现不规则的点

B.单个光子的运动没有确定的轨道

C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方

D.只有大量光子的行为才表现出波动性

答案BCD

解析单个光子通过双缝后的落点无法预测,大量光子的落点出现一定的规律性,落在某些区域的可能性较大,这些区域正是波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域。光具有波粒二象性,少数光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性。所以正确选项为B、C、D。

5.(多选)(波粒二象性)下列说法正确的是(　　)

A.普朗克为了解释黑体辐射现象,第一次提出了能量量子化理论

B.大量的电子通过双缝后在屏上能形成明暗相间的条纹,这表明所有的电子都落在明条纹处

C.电子和其他微观粒子都具有波粒二象性

D.光波是一种概率波,光的波动性是由于光子之间的相互作用引起的,这是光子自身的固有性质

答案AC

解析普朗克为了解释黑体辐射现象,第一次提出了能量量子化理论,A正确;不可能所有的电子都落在明条纹处,只是电子落到该处的概率大,B错误;所有粒子都具有波粒二象性,C正确;波粒二象性是光的根本属性,与光子之间的相互作用无关,D错误。

6.(爱因斯坦光电效应方程)已知钙和钾的截止频率分别为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光电效应,比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子,钙逸出的光电子具有较大的(　　)

A.波长 B.频率 C.能量 D.动量

答案A

解析由爱因斯坦光电效应方程hν=W0+,又由W0=hν0,可得光电子的最大初动能=hν-hν0,由于钙的截止频率大于钾的截止频率,所以钙逸出的光电子的最大初动能较小,因此它具有较小的能量、频率和动量,B、C、D错;又由c=λν可知光电子频率较小时,波长较大,A对。

7.(光电效应图象)(2017·北京东城期末)实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ekmax与入射光频率ν的关系如图所示。下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功,参照下表可以确定的是(　　)

A.如用金属钨做实验得到的Ekmax-ν图线也是一条直线,其斜率比图中直线的斜率大

B.如用金属钠做实验得到的Ekmax-ν图线也是一条直线,其斜率比图中直线的斜率大

C.如用金属钠做实验得到的Ekmax-ν图线也是一条直线,设其延长线与纵轴交点的坐标为(0,-Ek2),则Ek2<Ek1

D.如用金属钨做实验,当入射光的频率ν<ν1时,可能会有光电子逸出

答案C

解析由光电效应方程Ekmax=hν-W可知Ekmax-ν图线是直线,且斜率相同,选项A、B错;由表中所列的截止频率和逸出功数据可知选项C正确,选项D错误。

8.(光电效应图象)(2017·江苏南京、盐城二模)用如图甲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乙所示,则光电子的最大初动能为　　　　 J,金属的逸出功为　　　　 J。 

答案3.2×10-19　4.8×10-19

解析由题图乙可知,当该装置所加的电压为反向电压-2 V时,电流计示数为0,故光电子的最大初动能为Ekm=2 eV=3.2×10-19 J,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,可得W0=3 eV=4.8×10-19 J。〚导学号06400492〛

能力提升组

9.(多选)在X射线管中,由阴极发射的电子(不计初速度)被加速后打到阳极,会产生包括X光在内的各种能量的光子,其中光子能量的最大值等于电子的动能。已知阳极与阴极之间的电势差U、普朗克常量h、电子电荷量e和光速c,则可知该X射线管发出的X光的(　　)

A.最短波长为 B.最长波长为

C.最小频率为 D.最大频率为

答案AD

解析根据动能定理eU=mv2、光速与波长和频率的关系公式c=λν、光子能量E=hν,依题意有eU≥E,则可得λ≥,ν≤,所以A、D正确。

10.

(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的关系图象。由图象可知(　　)

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2ν0时,产生的光电子的最大初动能为E

D.由该图象可得出普朗克常量h=

答案ABC

解析由爱因斯坦的光电效应方程可知,Ek=hν-W,对应图线可得该金属的逸出功W=E=hν0,A、B均正确;若入射光的频率为2ν0,则产生的光电子的最大初动能Ek'=2hν0-W=hν0=E,故C正确;由E=hν0可得h=,D错误。

11.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

答案D

解析根据爱因斯坦光电效应方程可知,只有光源的波长小于某金属的极限波长,就有光电子逸出,该光源发出的光的波长小于100 nm,小于钠、铜、铂三个的极限波长,都能产生光电子,故D正确,A、B、C错误。

12.(2017·河南洛阳二模)一个德布罗意波波长为λ1的中子和另一个德布罗意波波长为λ2的氘核同向正碰后结合成一个氚核,该氚核的德布罗意波波长为(　　)

A. B. C. D.

答案A

解析中子的动量p1=,氘核的动量p2=,同向正碰后形成的氚核的动量p3=p2+p1,所以氚核的德布罗意波波长λ3=,A正确。

13.现有a、b、c三束单色光,其波长关系为λa∶λb∶λc=1∶2∶3。当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为Ek,若改用b光束照射该金属板,飞出的光电子最大动能为Ek,当改用c光束照射该金属板时(　　)

A.能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为Ek

B.能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为Ek

C.能发生光电效应,飞出的光电子最大动能为Ek

D.由于c光束光子能量较小,该金属板不会发生光电效应

答案B

解析对a光,由光电效应方程有-W=Ek,对b光有-W=Ek,由以上两式可得Ek,则W=Ek。当改用c光束照射该金属板时,有-W=Ek'得Ek'=Ek,故B正确。

14.

如图所示,相距为d的两平行金属板A、B足够大,板间电压恒为U,有一波长为λ的细激光束照射到B板表面,使B板发生光电效应,已知普朗克常量为h,金属板B的逸出功为W,电子质量为m,电荷量为e,求:

(1)从B板运动到A板所需时间最短的光电子到达A板时的动能;

(2)光电子从B板运动到A板所需的最长时间。

答案(1)eU+-W　(2)d

解析(1)由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W和光子的频率为ν=,可得到光电子的最大初动能为Ek=-W。

能以最短时间到达A板的光电子是初动能最大且垂直于板面离开B板的电子。设光电子到达A板的动能为Ek1,则由动能定理得,eU=Ek1-Ek,所以Ek1=eU+-W。

(2)能以最长时间到达A板的光电子是离开B板时的初速度为零或初速度方向平行于B板的光电子。根据牛顿第二定律和匀变速直线运动规律,有d=at2=得t=d。              〚导学号06400493〛

15.(2017·北京海淀区二模)光电效应现象逸出的光电子的最大初动能不容易直接测量,也可以利用类似转换的方法。

(1)如图1是研究某光电管发生光电效应的电路图,当用频率为ν的光照射金属K时,通过调节光电管两端电压U,测量对应的光电流I,绘制了如图2的I-U图象。求当用频率为2ν的光照射金属K时,光电子的最大初动能Ek的大小。已知电子所带电荷量为e,图象中Uc、Im及普朗克常量h均为已知量。

(2)有研究者设计了如下的测量光电子最大初动能的方式。研究装置如图3,真空中放置的平行正对金属板可以作为光电转换装置。用一定频率的激光照射A板中心O点,O点附近将有大量的电子吸收光子的能量而逸出。B板上涂有特殊材料,当电子打在B板上时会在落点处留有可观察的痕迹。可以认为所有逸出的电子都从O点以相同大小的速度逸出,其初速度沿各个方向均匀分布,金属板的正对面积足够大(保证所有的光电子都不会射出两极板所围的区域),光照条件保持不变。已知A、B两极板间的距离为d,电子所带电荷量为e,质量为m,其所受重力及它们之间的相互作用力均可忽略不计。

①通过外接可调稳压电源使A、B两极板有一定的电势差,A板接电源的负极,由O点逸出的电子打在B板上的最大区域范围为一个圆形,且圆形的面积随A、B两极板间的电压变化而改变。已知电子逸出时的速度大小为v0,试通过计算,推导电子打在B板上的最大范围圆形半径r与两极板间电压U的关系式。

②通过外接电源给A、B两极板间加上一定的电压U0,若第一次A板接电源的负极,电子打在B板上的最大区域为一个圆形;第二次A板接电源的正极,保持极板间所加电压U0不变,电子打在B板上的最大区域范围仍为一个圆形,只是这个圆形半径恰好是第一次的一半。为使B板上没有电子落点的痕迹,则两金属板间的电压满足什么条件?

图1

图2

图3

答案见解析

解析(1)由题图2可知,当该装置所加的电压为反向电压,当电压是Uc时,电流表示数为0,知道光电子点的最大初动能为Ekm=e·Uc,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,则:W0=hν-eUc。当用频率为2ν的光照射金属K时,Ek=2hν-W0=hν+eUc

(2)①打在最边缘处的电子,将是类平抛运动的电子,在垂直电场方向做匀速运动,即r=v0t

在平行电场方向做初速度为零的匀加速运动,即d=at2

其中,a=,则t=d

将r=v0t代入得:r=v0·d

②第一次A板接电源的负极,电子向B板做加速运动,最大区域为一个圆形的半径:r1=v0d·

第二次A板接电源的正极,电子向B板做减速运动,打在B板上的最大区域范围边缘的电子沿垂直于极板方向的速度恰好等于0,此时电子只剩下沿平行于极板方向的分速度,设该分速度为v,则电子运动过程的逆过程可以看作是类平抛运动,此时对应的半径:r2=vd·

由于r2=r1

所以:v=v0

电子向B板做减速运动,根据动能定理可得:

-eU0=mv2-

若电子恰好能到达B板,则:-eU=0-

联立以上方程得:U=U0

则为使B板上没有电子落点的痕迹,则两金属板间的电压满足U≥U0〚导学号06400494〛