4.2 光电效应 导学案 -2022-2023学年高二下学期物理人教版2019选择性必修第三册（含答案）

第四章原子结构和波粒二象性第二节光电效应【知识梳理】一、光电效应1．光电效应现象光电效应：在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子．2．光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率．(2)光子的最大初动能与入射光的强度无关．只随入射光的频率增大而增大．(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的．(4)光电流的强度与入射光的强度成正比．3．爱因斯坦光电效应方程(1)光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子．光子的能量为ε＝hν，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34J·s.(2)光电效应方程：Ek＝hν－W0其中hν为入射光的能量，Ek为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功．用光子说解释光电效应及其规律(1)光照射金属时，电子吸收一个光子(形成光电子)的能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程．(2)电子从金属表面逸出，首先需克服金属表面原子核的引力做功(逸出功W)．要使入射光子的能量不小于W，对应频率ν0＝eq\f(W,h)为极限频率．(3)光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大．(4)入射光越强，单位时间内入射到金属表面的光子数越多，产生的光电子越多，射出的光电子做定向移动时形成的光电流越大．4．遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压Uc.(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的极限频率．(3)逸出功：电子从金属中逸出所需做功的最小值，叫做该金属的逸出功．5．光电效应方程的应用(1)解光电效应问题应抓住三个关系式：=1\*GB3①爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0.=2\*GB3②最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc.=3\*GB3③逸出功与极限频率的关系：W0＝hν0.(2)光电效应图像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：图线与横轴的交点的横坐标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：图线与横轴的交点的横坐标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)二、康普顿效应1．光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。2．康普顿效应1918〜1922年，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，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象称为康普顿效应（Compton’seffect）。3．光子的动量光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关。这三个量之间的关系式为在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小。动量p减小，意味着波长λ变大，因此，这些光子散射后波长变大。4．康普顿散射实验的意义(1)有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；(2)首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设；(3)证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。三、光的波粒二象性1．光的波粒二象性(1)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，称为光的波粒二象性．2．对波动性、粒子性的理解(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。【题型总结】一、光电效应1．（2012·上海·高考真题）在光电效应实验中，用单色光照射某种金属表面，有光电子逸出，则光电子的最大初动能取决于入射光的（）A．频率 B．强度 C．照射时间 D．光子数目2．（2021·海南·高考真题）某金属在一束单色光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能为，已知该金属的逸出功为，普朗克常量为h。根据爱因斯坦的光电效应理论，该单色光的频率为（）A． B． C． D．3．（2018·全国·高考真题）用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10-19J，已知普朗克常量为6.63×10-34J.s，真空中的光速为3×108m/s，能使锌产生光电效应单色光的最低频率（）A．1×1014HzB．8×1015HzC．.2×1015HzD．8×1014Hz4．一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列说法中正确的是（）A．只增大入射光的频率，金属逸出功将减小B．只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将不变C．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大D．只增大入射光的强度，单位时间内逸出的光电子数目将增多5．（2016·全国·高考真题）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是（）A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关6．“微光夜视仪”是利用光电效应原理工作的一种仪器。被视物体反射的红外辐射照射在“银氧铯”阴极上激发出光电子，电子的电荷量大小为e，下列说法正确的是（）A．红外辐射的频率可以很低，但辐射强度必须足够大才能发生光电效应B．向右调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数将随电压表示数的增大而增大C．保持红外辐射强度不变，提高红外辐射的频率，则饱和电流值将减小D．调换电源正负极，调节滑动变阻器，电压表示数为时，电流表示数恰为零，则光电子逸出金属表面时的初动能为7．用如图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（）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．当滑动触头向a端滑动时，电压表示数增大8．如图所示，用波长为λ0的单色光照射某金属，调节变阻器，当电压表的示数为某值时，电流表的示数恰好减小为零；再用波长为的单色光重复上述实验，当电压表的示数增加到原来的3倍时，电流表的示数又恰好减小为零．已知普朗克常数为h，真空中光速为c．该金属的逸出功为（）A． B． C． D．9．如图所示，两个电源的电动势均为E，内阻不计。K是光电管的阴极，A是光电管的阳极，它们都是半径为r圆形金属板。两圆心间距离为l，两圆心连线与两板垂直，当两板间存在电压时，板间的电场可视为匀强电场（不计边缘效应）。R为滑动变阻器，长度。电压表V（0刻度在表盘中间）和灵敏电流计G均为理想表。频率为的细激光束照射到K的中心O上，使阴极发射光电子。合上开关S，当滑动变阻器的滑动触头P从c向左滑动到达b处时，灵敏电流计G读数刚好为0；当滑动变阻器的滑动触头P从c向右滑动到d后，再向f滑动的过程中，电压表V读数增大而灵敏电流计G的读数保持不变。不计光电子之间的相互作用和重力。普朗克常量为h、电子带电量为-e（e为元电荷），电子质量为m，下列说法正确的是（）A．光电子的最大初动能为B．阴极K的金属材料的逸出功为C．阳极A的半径不小于D．换用光强更大的同种激光照射阴极K，滑动变阻器的滑动触头P从c向右滑动到d后，再向f滑动的过程中，电压表V读数增大、灵敏电流计G的读数也增大10．（2013·北京·高考真题）以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子极短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出．强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实．光电效应实验装置示意如图．用频率为v的普通光源照射阴极k，没有发生光电效应，换同样频率为v的强激光照射阴极k，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极k接电源正极，阳极A接电源负极，在k、A之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）A．U=- B．U=- C．U=2hv-W D．U=-11．（2010·浙江·高考真题）在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线（甲光、乙光、丙光），如图所示。则可判断出（）A．甲光的频率大于乙光的频率B．乙光的波长大于丙光的波长C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能12．如图所示为某学习小组的同学在研究光电效应现象时，通过实验数据描绘的光电流与光电管两端电压的关系图象，已知图线甲、乙所对应的光的频率分别为，逸出的光电子的最大速度之比为2：1.则下列说法正确的是（）A．B．甲光与乙光的波长之比为1：4C．D．用乙光实验时，单位时间内从阴极表面逸出的光电子数较多13．（2021·江苏·高考真题）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，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值随电压U变化关系的图像是（）A． B． C． D．14．（2022·山东·模拟预测）智能手机带有感光功能，可以自动调整屏幕亮度，其光线传感器的工作原理是光电效应。在光电效应中，当一定频率的光照射某种金属时，实验得到的遏止电压与入射光的频率的关系如图所示，其横截距为a，纵截距为，元电荷电量为e。下列说法正确的是（）A．遏止电压与入射光的频率成正比 B．金属的截止频率为bC．金属的逸出功为 D．普朗克常量15．（2019·海南·高考真题）对于钠和钙两种金属，其遏止电压与入射光频率v的关系如图所示．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16．用金属铷为阴极的光电管观测光电效应现象的实验装置如图甲所示，实验测得的铷的遏止电压与入射频率的关系图像如图乙所示，图线与横轴的交点坐标为。已知普朗克常量，电子电量。则下列说法正确的是（）A．增大入射光的强度，产生光电子的最大初动能一定增大B．增大入射光的强度，遏止电压一定增大C．金属铷的逸出功为D．金属铷的逸出功为17．如图甲所示，为研究某金属材料的遏止电压与入射光频率的关系的电路图，用不同频率的光分别照射甲图中同一光电管的阴极K，调节滑片P测出遏止电压，并描绘关系图如图乙所示。已知三种光的频率分别设为以、、，光子的能量分别为1.8、2.4、3.0，测得遏止电压分别为、、（图乙中未知）。则下列说法正确的是（）A．普朗克常量可表达为B．该阴极K金属材料的逸出功为1.0C．图乙中频率为的光对应的遏止电压D．用频率为的光照射阴极K，电压表示数为2.0V时，电流表示数不为零18．如图所示，甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图象，以下说法正确的是（）A．图甲是遏止电压Uc与入射光频率的关系图象，由图象可求得普朗克常量B．图乙是光电子最大初动能与入射光频率关系图象，由图象可知实线对应金属的逸出功比虚线的小C．图丙是光电流与电压的关系图象，由图象可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大D．图丁是光电流与电压的关系图象，由图象可知电压越高则光电流越大二、康普顿效应19．如图所示，一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，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．频率不变B．波长变长C．动量变大D．速度变小20．如图所示是教材上解释康普顿效应的示意图，下列说法正确的是（）A．图中光子与电子不是正碰，故不遵循动量守恒定律B．图中碰撞后光子频率ν′可能等于碰撞前光子频率νC．图中碰撞后光子速度可能小于碰撞前光子速度D．图中碰撞后光子波长一定大于碰撞前光子波长21．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变．下列说法正确的是A．当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大B．康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量C．X光散射后与散射前相比，速度变小D．散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变22．关于康普顿效应，下列说法正确的是（）A．康普顿效应证明光具有波动性B．康普顿效应可用经典电磁理论进行解释C．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变长了D．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变短了三、光的波粒二象性23．下列有关波粒二象性的说法中错误的是（）A．光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性B．德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律C．美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性D．法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子具有波动性24．关于对光的本性的认识，下列说法中正确的是（）A．牛顿的微粒说与爱因斯坦的光子说没有本质的区别B．惠更斯的波动说与麦克斯韦电磁说没有本质的区别C．麦克斯韦的电磁说与爱因斯坦的光子说说明光具有波粒二象性D．牛顿的微粒说与惠更斯的波动说第一次揭示了光具有波粒二象性25．下列现象能反映“光具有粒子性”的是（）A．光能同时发生反射和折射 B．光的干涉 C．光的衍射 D．光电效应26．关于波粒二象性，下列说法正确的是（

）A．康普顿效应表明光具有波动性B．光电效应表明光具有粒子性C．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性D．根据电子束通过铝箔后的衍射图样，可以说明电子具有粒子性27．关于光的波粒二象性的理解正确的是（）A．大量光子的效果往往表现出粒子性，个别光子的行为往往表现出波动性B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子C．高频光是粒子，低频光是波D．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著

【答案解析】1．【答案】A【解析】【详解】根据爱因斯坦的光电效应方程：，光电子的最大初动能只与入射光的频率在关，与其它无关．而光照强度，照射时间及光子数目与逸出的光电子数量的关，故A正确，BCD错误．2．【答案】D【解析】【分析】【详解】根据爱因斯坦的光电效应方程可知解得该单色光的频率为故选D。3．【答案】D【解析】【详解】根据光电效应方程逸出功，可知代入数据可知：故D正确，ABC错误4．【答案】BCD【解析】【详解】A．金属逸出功由金属材料决定，与入射光无关，故A错误；BC．根据爱因斯坦光电效应方程得知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，与光照射时间无关，故BC正确；D．只增大入射光的强度，单位时间内入射的光子个数增加，一个光子被一个电子吸收，则单位时间内逸出的光电子数目将增多，故D正确。故选BCD。5．【答案】ACE【解析】【详解】AB．根据光电效应实验得出的结论：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，故A正确，B错误；C．根据爱因斯坦光电效应方程得：入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故C正确；DE．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，若低于遏止频率，则没有光电流产生，故D错误，E正确．故选ACE．【点睛】本题主要考查光电效应．发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，光的强弱只影响单位时间内发出光电子的数目；本题涉及的光电效应知识较多，很多结论都是识记的，注意把握现象的实质，明确其间的联系与区别；平时积累物理知识．6．【答案】C【解析】【详解】A．若发生光电效应，入射光的频率必须大于被照射金属的极限频率，故A错误；B．电流表的示数会随着电压的增大而增大，但达到饱和电流值后，电压继续增大，但电流表示数不再变化，故B错误；C．保持红外辐射强度不变但提高频率时，阴极上单位时间单位面积上接收到的光子数将减少，故而饱和电流变小，故C正确；D．为光电子逸出金属表面时的最大初动能，但光电子的实际初动能可能小于，故D错误。故选C。7．【答案】D【解析】【分析】【详解】A．由题目可知，遏制电压UC=1.7V，最大初动能选项A错误；B．根据光电效应方程可知，逸出功选项B错误；C．断开开关S，光电效应依然发生，有光电流，光电管、电流表、滑动变速器构成闭合回路，电流表中电流不为零，选项C错误；D．电源电压为反向电压，当滑动触头向a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。故选D。8．【答案】C【解析】【详解】根据光电效应方程：及当用波长为λ0的单色光照射，则有：当用波长为的单色光照射时，则有：联立上式，解得：；故ABD选项错误，C选项正确．9．【答案】BC【解析】【详解】AB．假设两电源左侧电势为2E，两点源中间电势为E，右侧电势为0，则b点电势为，所以当滑动变阻器滑片P在b点时，，滑动变阻器滑片P在b处时，灵敏电流计G读数刚好为0，则光电子的最大初动能为，阴极K的金属材料的逸出功为，故A错误，B正确；C．滑动触头P到达b处，所有方向射出的电子都能到达A板，则当电子出射方向平行于K板时，运动到A板的过程为类平抛运动，有解得此时，所以故C正确；D．换用光强更大的同种激光照射阴极K，滑动变阻器的滑动触头P从c向右滑动到d后，再向f滑动的过程中，电压表V读数增大，阴极发射出的电子在电场力的作用下都到达A极，电流达到饱和电流，灵敏电流计G的读数不变，故D错误。故选BC。10．【答案】B【解析】【分析】【详解】一个电子吸收一个光子不能发生光电效应，换用同样频率为的强光照射阴极K，发生了光电效应，即吸收的光子能量为，n=2、3、4…，根据，可知，所以B正确．11．【答案】B【解析】【详解】A．根据入射光的频率越高，对应的截止电压越大。甲光、乙光的截止电压相等，所以甲光、乙光的频率相等；故A错误；B．丙光的截止电压大于乙光的截止电压，所以乙光的频率小于丙光的频率，乙光的波长大于丙光的波长，故B正确；C．同一金属，截止频率是相同的，故C错误；D．甲光的截止电压小于丙光的截止电压，所以甲光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能。故D错误。故选B。12．【答案】D【解析】【详解】AB．由于光电子的最大速度之比为2：1，由可得最大初动能之比为4：1，由爱因斯坦光电效应方程可知甲、乙两种光的频率之比不等于4：1，又由可知甲、乙两种光的波长之比不等于1：4，故AB错误；C．又因则遏止电压之比为故C错误；D．由以上分析可知乙光的频率比甲光的频率小，又由图象可知乙的饱和光电流比甲的大，则乙光的光照强度大于甲光的光照强度，所以在单位时间内照射到阴极的光子数多，从阴极表面逸出的光电子数较多，故D正确。故选D。13．【答案】C【解析】【详解】光电管所加电压为正向电压，则根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子到达A极时动能的最大值可知图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上的截距越小，因，则图像C正确，ABD错误。故选C。14．【答案】C【解析】【详解】A．由得入射光的频率与遏止电压成线性关系但不是正比关系，故A错误；B．由公式得金属的截止频率故B错误；CD．结合图像得，故金属的逸出功，普朗克常量，故C正确，D错误。故选C。15．【答案】AB【解析】【详解】根据，即，则由图像可知钠的逸出功小于钙的逸出功，选项A正确；图中直线的斜率为，选项B正确；在得到这两条直线时，与入射光的强度无关，选项C错误；根据，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．16．【答案】C【解析】【详解】A．根据光电效应方程可知光电子的最大初动能与入射光的强度无直接关系，A错误；B．根据动能定理有可得可知遏止电压与入射光的强度无直接关系，B错误；CD．图线与横轴的交点表示金属铷的极限频率，则金属铷的逸出功为C正确，D错误；故选C。17．【答案】BC【解析】【分析】【详解】A．由光电效应方程得解得选项A错误；B．由得选项B正确；C．由得选项C正确；D．对该金属材料，频率为的光对应的遏止电压为1.4V，则电压表示数为2.0V时，电流表示数已为零，选项D错误。故选BC。18．【答案】AC【解析】【分析】【详解】A．根据光电效应方程结合动能定理可知解得斜率解得普朗克常量故A正确；B．根据爱因斯坦光电效应方程可知纵轴截距的绝对值表示逸出功，则实线对应金属的逸出功比虚线大，故B错误；C．饱和光电流由入射光的强度决定，同一束光，即光的颜色不变的情况下，入射光越强，光子数越多，饱和光电流越大，故C正确；D．分析图丁可知，当达到饱和光电流以后，增加光电管两端的电压，光电流不变，故D错误。故选AC。19．【答案】B【解析】【详解】A．光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据，光子的频率减小，故A错误；BC．当入射光子与静止的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，根据可知，波长变长，故B正确，C错误；D．碰撞前、后的光子速度不变，故D错误。故选B。20．【答案】D【解析】【详解】A．无论正碰还是斜碰，系统所受的合外力为零，碰撞过程都遵循动量守恒定律，A错误；BD．由于光子与电子碰撞后，光子的部分能量传递给电子，所以光子能量一定减小，根据公式可知图中碰撞后光子频率ν′一定小于碰撞前光子频率ν，碰撞后光子的波长一定大于碰撞前光子的波长，B错误，D正确；C．根据爱因斯坦相对论