2024年高考物理第一轮复习强化练习试题：第1讲　光电效应　波粒二象性

近代物理初步]

【课程标准内容及要求11.了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式

结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。2.了解原子核的组

成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷守恒写出核

反应方程。3.了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性

同位素的应用，知道射线的危害与防护。4.认识原子核的结合能，了解核裂变反

应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。5.通过实验，

了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明

光的波粒二象性。6.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体

会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。

第1讲光电效应波粒二象性

I夯实必备知识

一、光电效应及其规律

1.光电效应现象：照射到金属表面的光，能使金属中的曳壬从表面逸出的现象,

发射出来的电子叫光电子。

2.光电效应的产生条件

入射光的频率大于或等于金属的截止频率。

3.光电效应规律

(1)每种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于或等于这个极限频率才能

产生光电效应。

(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。

(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10-9s。

(4)当入射光的频率大于截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。

二、爱因斯坦光电效应方程

1.光子说：在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，

光子的能量E=hv0

2.逸出功Wo：电子从金属中逸出所需做功的最小值。

3.最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的虹吸收光子后克服原子核的引

力逸出时所具有的动能的最大值。

4.光电效应方程

(1)表达式：6=Ek+Wo或以=近二国。

(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是力丫，这些能量的一部分

用来克服金属的逸出功Wo,剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。

[自测】单色光B的频率为单色光A的两倍，用单色光A照射到某金属表面时,

从金属表面逸出的光电子最大初动能为e。用单色光8照射该金属表面时，逸出

的光电子最大初动能为及，则该金属的逸出功为()

A.Ei—E\B.Ei—2E\

E1+E2

C.2Ei—EiD.2

答案B

解析根据光电效应方程，用单色光A照射到某金属表面时，E,=Av-W)

用单色光B照射到某金属表面时

Ei=lv2v—Wo

解得卬0=及一2昂，故B项正确。

三、光的波粒二象性与物质波

1.光的波粒二象性

⑴光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。

(2)光电效应说明光具有粒子性。

(3)光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。

2.物质波

任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波

长P为运动物体的动量，力为普朗克常量。

[I研透命题要点

命题点一光电效应规律的理解和应用

1.“四点”提醒

(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”关系

(1)光的强度大一光子数目多一发射光电子多f光电流大。

(2)光子频率高一光子能量大一产生光电子的最大初动能大一遏止电压大。

3.“三个”关系式

⑴爱因斯坦光电效应方程：Ek=hv-Wo,其中反=；吸资

(2)最大初动能与遏止电压的关系：嬴虎=eUc。

(3)逸出功与极限频率的关系：Wo=hvc.

【例1】(2021.河北衡水中学联考)如图1所示为研究光电效应的电路图。开关闭合

后，当用波长为弱的单色光照射光电管的阴极K时，电流表有示数。下列说法正

确的是()

A.若只让滑片P向。端移动，则电流表的示数一定增大

B.若只增加该单色光的强度，则电流表示数一定增大

C.若改用波长小于幼的单色光照射光电管的阴极K,则阴极K的逸出功变大

D.若改用波长大于〃的单色光照射光电管的阴极K,则电流表的示数一定为零

答案B

解析电路所加电压为正向电压，如果电流达到饱和电流，增加电压，电流也不

会增大，故A错误；只增加该单色光的强度，相同时间内逸出的光子数增多，电

流增大，故B正确；金属的逸出功只与阴极材料有关，与入射光无关，故C错误；

改用波长大于九）的单色光照射，虽然光子能量变小，但也有可能发生光电效应，

可能有光电流，故D错误。

【例2】（2021.山东省模拟）用如图2所示的实验装置研究光电效应现象。所用光子

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（）

图2

A.光电子的最大初动能为1.05eV

B.光电管阴极的逸出功为1.7eV

C.开关S断开，电流表G示数为零

D.当滑动触头向a端滑动时，电压表示数增大

答案D

解析由题目可知，遏止电压Uc=1.7V,最大初动能Ek=eUc=1.7eV,选项A

错误；根据光电效应方程可知，逸出功Wo=E-Ek=LO5eV,选项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，选项C错误；电源电压为反向电压，当滑动触头向

。端滑动时，反向电压增大，电压表示数增大，电流表中电流减小，选项D正确。

【针对训练1】（2021.福建莆田市4月模拟）智能手机带有光线传感功能，可以自

动调整亮度，光线传感器的工作原理是光电效应。下面关于光电效应的说法正确

的（）

A.发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比

B.在研究光电效应饱和电流时，由可知，光电管所加电压越大，电子获

得的速度。越大，饱和电流越大

C.入射光频率为V时，刚好发生光电效应现象，将入射光频率变为3V时，此时

光电流的遏止电压为誓

D.用一束单色光分别照射A、8两种金属，若照射A得到光电子的最大初动能

比照射B得到光电子的最大初动能大，则金属A的截止频率比金属B的截止频率

高

答案C

解析发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，A错

误；在研究光电效应饱和电流时，光电管所加电压与饱和电流无关，饱和电流与

光照强度有关，光照强度越大，饱和电流越大，B错误；入射光频率为n时，刚

好发生光电效应现象，由光电效应规律可知Wo=〃v,将入射光频率变为3n时，

由爱因斯坦光电效应方程可得Ek=3hv-Wo,解得Ek=2hv,由动能定理可得Ek

=eUe,解得此时光电流的遏止电压为&=等，C正确；根据光电效应方程Ek

=hv—Wo,可知光子能量一定时，光电子的最大初动能越大，金属的截止频率越

低，D错误。

命题点二光电效应图像的理解

由图线直接（间接）

图像名称图线形状

得到的物理量

①极限频率：图线与V轴交点的横坐标

最大初动能Ek与Vc

入射光频率丫的②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标

关系图线的绝对值Wo=\-E\=E

③普朗克常量：图线的斜率z=/?

①遏止电压"：图线与横轴的交点的横

颜色相同、强度

,P强光（黄）坐标

不同的光，光电"林^光（黄）

②饱和光电流/m：光电流的最大值

流与电压的关系

aou③最大初动能：

图线

Ek=cUc

①遏止电压Ucl、Uc2

颜色不同时，光黄光

蓝

光②饱和光电流

电流与电压的关

③最大初动能：

系图线

Eki=eUci，Ek2=eUci

①极限频率％:图线与横轴的交点的横

坐标

遏止电压Uc与入②遏止电压Ue-.随入射光频率的增大而

射光频率V的关增大

系图线③普朗克常量小等于图线的斜率与电

匕V

子电荷量的乘积，即6=履（注：此时两

极之间接反向电压）

【例3】（2021.湖南怀化市一模）甲、乙两种金属发生光电效应时，光电子的最大初

动能与入射光频率间的关系分别如图3中的a、b所示。下列判断正确的是（）

A.图线“与。不一定平行

B.图线。与分的斜率是定值，与入射光和金属材料均无关系

C.乙金属的极限频率小于甲金属的极限频率

D.甲、乙两种金属发生光电效应时，若光电子的最大初动能相同，甲金属的入

射光频率大

答案B

解析根据光电效应方程a=6一Wo,图线的斜率代表普朗克常量，两直线一定

平行，A错误；普朗克常量与入射光和金属材料均无关系，B正确；横轴截距表

示最大初动能为零时的入射光频率，也就是金属的极限频率，故乙金属的极限频

率大于甲金属的极限频率，C错误；甲、乙两种金属发生光电效应时，若光电子

的最大初动能相同，甲金属的入射光频率小，D错误。

【例4】（2021•山东日照市模拟）在研究光电效应现象时，先后用单色光a、b、c

照射同一光电管，所得到的光电流与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图4

所示，下列说法正确的是（）

图4

A.仇c两种单色光的颜色相同

B.八8两种单色光的光照强度相同

C.增大。光的光照强度，电路中的饱和光电流将增大

D.增大。光的光照强度，射出的光电子的最大初动能增大

答案C

解析根据图像可知单色光c的遏止电压小于单色光方，根据eUc=Ek=〃v—W可

知从c两种单色光频率不同，所以颜色不同，故A错误；由图可知单色光。的

饱和电流大于单色光b的饱和电流，故可知单色光。的光照强度大于单色光b的

光照强度，故B错误；电路中的饱和光电流与光的强度有关，在其他条件相同的

情况下，光强度越大，光电流越大，故增大c光的光照强度，电路中的饱和光电

流将增大，C正确；射出的光电子的最大初动能与光的强度无关，故D错误。

【针对训练21（多选）（2019•海南卷，7）对于钠和钙两种金属，其遏止电压Uc

与入射光频率v的关系如图5所示。用〃、e分别表示普朗克常量和电子电荷量,

下列说法正确的是（）

图5

A.钠的逸出功小于钙的逸出功

B.图中直线的斜率为:

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eUc=Ek=〃v—Wo,得—学，由图像可知，钠的逸出功小于钙

的逸出功，故A正确；图中直线的斜率为力故B正确；在得到这两条直线时，

入射光的强度不必相同，故C错误；由图像可知，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，故D错误。

命题点三光的波粒二象性和物质波

1.从数量上看

个别光子的作用效果往往表现为粒子性,大量光子的作用效果往往表现为波动性。

2.从频率上看

频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显

著，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象。

3.从传播与作用上看

光在传播过程中往往表现出波动性，在与物质发生作用时往往表现出粒子性。

4.波动性与粒子性的统一

由光子的能量£=加、光子的动量表达式"=?可以看出，光的波动性和粒子性并

不矛盾，表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——

频率U和波长九

[例5]（2021•江苏七市调研）如图6为物理学家拍摄的DNA分子的X射线衍射

图样，生物学家据此提出DNA的双螺旋结构模型。下列说法中正确的是（）

图6

A.X射线是高速电子流

B.X射线的频率比可见光的低

C.衍射图样说明了X射线具有粒子性

D.拍摄所用X射线的波长与DNA分子大小接近

答案D

解析X射线是电磁波，故A错误；根据电磁波谱，可知X射线的频率比可见光

的高，故B错误；衍射图样说明了X射线具有波动性，故C错误；发生明显衍

射的条件是波长与障碍物的尺寸相差不多，故拍摄所用X射线的波长与DNA分

子大小接近，故D正确。

【针对训练3】（2021.河南新乡摸底）我国初、高中学生及大学生近视眼率超过70%

现在医学上治疗近视眼时，用激光“焊接”视网膜，所用激光的波长儿=660nm,

已知普朗克常量）=6.63X10-34j.s,光在真空中的传播速度c=3X108m/s,则该

激光中每个光子的能量为（）

A.3.0X10T9jB.1.6X10-19j

C.1.0X10-19JD.1.0X10~18J

答案A

解析根据公式€=〃尸笔解得£=3.0X10—19J,故A正确。

A

'提升素养能力

A级基础对速练

对点练口光电效应规律的理解和应用

1.（2021•黑龙江哈尔滨市三中模拟）在研究光电效应实验中，某金属的逸出功为W,

用波长为义的单色光照射该金属发生了光电效应。已知普朗克常量为力，真空中

光速为c,下列说法正确的是（）

A.光电子的最大初动能为华一W

A

B.该金属的截止频率特

C.若用波长为亨的单色光照射该金属，则光电子的最大初动能变为原来的2倍

D.若用波长为21的单色光照射该金属，一定可以发生光电效应

答案A

解析根据光电效应可知，光电子的最大初动能反=牛一W,故A正确；金属的

逸出功为W,则截止频率为故B错误；若用波长为，的单色光照射该金

属，则光电子的最大初动能反'=等一W>2（亨一卬）=2反，故C错误；若用波长

为22的单色光照射该金属，光子的能量减小，根据光电效应发生的条件可知，不

一定能发生光电效应，故D错误。

2.（2021•北京顺义区统考）如图1所示为研究光电效应现象的电路图，当用绿光照

射到阴极K时，电路中有光电流，下列说法正确的是（）

A.若只减弱绿光的光照强度，光电流会减小

B.若换用红光照射阴极K时，一定也有光电流

C.若将电源的极性反接，电路中一定没有光电流

D.如果不断增大光电管两端的电压，电路中光电流会一直增大

答案A

解析减弱绿光的光照强度，则单位时间内产生的光电子数减少，故光电流会减

小，故A正确；红光的频率低于绿光的频率，所以用红光照射不一定能发生光电

效应，故B错误；若将电源的极性反接，但是只要小于遏止电压，则电路中还会

有光电流，故C错误；如果不断增大光电管两端的电压，电路中光电流也不会一

直增大，存在一个饱和电流，故D错误。

3.（2021.安徽蚌埠市质量检测）图2为研究光电效应的电路图，测得遏止电压为

Uc,已知电子的电荷量为e,则下列说法正确的是（）

图2

A.光电子的最大初动能为eUc

B.测量遏止电压时，开关S应与b连接

C.光电管两端电压为零时，光电流也为零

D.开关S接A调节滑动变阻器，电压表示数增大时，电流表示数一定增大

答案A

解析当光电管两端电压达到遢止电压”时，从阴极K射出的具有最大初动能

Ek的光电子恰好不能到达阳极，根据动能定理有0-£km=-eUc,解得Ekm=eUc,

故A正确；测量遏止电压时，应使光电管阴极与电源正极相连，阳极与电源负极

相连，故开关S应与a连接，故B错误；光电管两端电压为零时，若光电子能够

到达阳极，则光电流就不为零，故C错误；开关S接"调节滑动变阻器，电压

表示数增大时，若此时光电流已经达到饱和值，则电流表示数不再增大，故D错

误。

4.（2021.山东潍坊市模拟）如图3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下表所

示,若光电管阴极材料K选用金属铝，则下列说法正确的是（)

A.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

答案B

解析因为太阳光中紫外线光子能量介于3.1〜3.9eV之间，小于金属铝的逸出功

4.21eV,不发生光电效应，c、d端没有输出电压，A错误；明火中的紫外线光子

能量介于4.4〜6.2eV之间，大于金属铝的逸出功，发生光电效应，c、d端有输

出电压，B正确；若阴极K材料选用金属锌，部分太阳光中紫外线光子能量大于

金属锌的逸出功3.38eV,会发生光电效应，也能报警，但这时没有火灾，即不能

实现有效报警，C错误；根据E=店，明火中紫外线波长越长，能量越小，根据

X,

Ev=hv-W0,可知光电子的最大初动能越小，D错误。

5.（2021.广东省选择考模拟）下表给出了几种金属的极限频率，现用频率为

4.80X1014〜5.1OXI014出的橙光，分别照射这几种金属，可以发生光电效应的是

金属钠锄钠锌

极限频率/X1014

4.555.155.568.07

Hz

A.钠B.锄C.钠D.锌

答案A

解析当入射光的频率大于金属的极限频率时，金属中的电子才会逸出，由于橙

光的频率为4.80X1（）14〜5.[ox[0i4大于金属钠的频率，可以发生光电效应的

只有艳，故A正确。

对点练❷光电效应图像的理解

6.（2021.山东省实验中学模拟）利用如图4甲所示的实验装置研究光电效应，测得

某种金属的遏止电压”与入射光频率v之间的关系图线如图乙所示，则（）

图4

A.图线在横轴上的截距的物理意义是该金属的截止频率

B.由图线可知普朗克常量力=器

U]

C.入射光频率增大，逸出功也增大

D.要测得金属的遏止电压，电源的右端应为负极

答案A

解析在以一v图像中，图线在横轴的截距为该金属的截止频率，A正确；普朗

克常量无=詈，B错误；该金属的逸出功的=人心，与入射光的频率无关，C错

误；要测得金属的遏止电压，电源的右端应为正极，D错误。

7.（2021•天津市等级考模拟）某同学用甲、乙、丙三种色光分别照射同一光电管,

研究光电流/与所加电压U之间的关系，得到如图5所示的图像。则下列说法正

确的是（）

A.甲光的波长小于乙光的波长

B.以相同的入射角从空气斜射入玻璃，乙光的折射角大于丙光的折射角

C.甲光可能为蓝光，乙光可能为红光

D.若处于基态的氢原子能吸收甲、乙两种光，且吸收甲光后由高能级向低能级

跃迁共能发出6种频率的光，则吸收乙光后共能发出超过6种频率的光

答案D

解析根据爱因斯坦光电效应方程结合动能定理eUc=Tm湍=碗一卬知入射光的

频率越高，对应的遏止电压口越大。甲光、丙光的遏止电压相等，所以甲光、丙

光的频率相等，波长相等，甲光、丙光的遏止电压小于乙光，则甲光、丙光的频

率小于乙光，甲光、丙光的波长大于乙光，故A错误；由公式〃=需可知，入

射角相同，折射率越大的，折射角越小，由于乙的频率大于丙的频率，即乙的折

射率大于丙的折射率，所以乙光的折射角小于丙光的折射角，故B错误；由于甲

光的频率小于乙光的频率，则不可能出现甲光为蓝光，乙光为红光，故C错误;

由于甲光的频率小于乙光的频率，甲光的光子能量小于乙光的光子能量，处于基

态的氢原子能吸收甲、乙两种光，乙光能跃迁到更高的能级，则吸收乙光后共能

发出超过6种频率的光，故D正确。

对点练❸光的波粒二象性和物质波

8.（多选）波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有（）

A.光电效应现象揭示了光的粒子性

B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性

C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释

D.动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波的波长也相等

答案AB

9.（2021•江苏常州市调研考试）下列说法错误的是（）

A.a射线能消除纺织过程产生的静电

B.y射线可用于探测高铁轨道是否有裂缝

C.若质子、电子具有相同动能，则它们的物质波波长相等

D.普朗克认为黑体辐射的能量是不连续的

答案C

解析a射线有较强的电离能力，所以能消除纺织过程产生的静电，则A正确；y

射线有较强的穿透能力，所以可用于探测高铁轨道是否有裂缝，则B正确；根据

德布罗意波长公式所以若质子、电子具有相同动量，则它们的物质波波长

才相等，质子和电子的动能相同，动量不相同，它们的物质波长不相等，所以C

错误；普朗克认为黑体辐射的能量是不连续的，所以D正确。

||B级综合提升练

10.（2021・湖北武汉市质检）如图6所示，分别用波长为九2%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（）

图6

A.22B.32C.42D.62

答案C

解析根据以=同编吟一器则以产竽一落岫崎一落其中霁斗

解得加=4九故选项C