2019-2020年高中物理 第17章 第2節(jié) 光的粒子性練習(xí) 新人教版選修3-51光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)光電效應(yīng)：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)，這種電子叫光電子(2)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律用如下圖所示的電路研究光電效應(yīng)中光電流與光照強(qiáng)度、光的頻率等物理量的關(guān)系，陰極K和陽(yáng)極A在密封的真空玻璃內(nèi)，陰極K在受到光照時(shí)會(huì)發(fā)射光電子，陽(yáng)極A吸收光電子而形成光電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：存在飽和電流如上圖所示實(shí)驗(yàn)中，在光照條件不變情況下，陽(yáng)極A與陰極K之間電壓增大，光電流趨于一個(gè)飽和值，即使再增大電壓，電流不會(huì)增大，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大這表明入射光越強(qiáng)，陰極K在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)目越多存在遏止電壓如上圖所示實(shí)驗(yàn)中，若A接負(fù)極，K接正極，在光電管兩極間形成使光電子減速的電場(chǎng)，這時(shí)，使光電流減小到零的反向電壓Uc稱為遏止電壓，根據(jù)動(dòng)能定理有eUc存在截止頻率當(dāng)入射光的頻率小到某一數(shù)值c時(shí)，遏止電壓Uc減小到零時(shí)，也沒(méi)有光電流，即沒(méi)有光電子產(chǎn)生，即沒(méi)有發(fā)生光電效應(yīng)，c稱為截止頻率或極限頻率這就是說(shuō)，當(dāng)入射光的頻率c時(shí)，不論光多么強(qiáng)，光電效應(yīng)都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性從光照射到金屬表面到其表面逸出光電子的時(shí)間一般不超過(guò) s，即光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的2光電效應(yīng)解釋中的疑難(1)逸出功：使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫作這種金屬的逸出功，用字母W0表示，不同金屬的逸出功是不同的(2)光電效應(yīng)中，經(jīng)典電磁理論無(wú)法解釋的有：光電子初動(dòng)能與光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，遏止電壓Uc與光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)；發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光的頻率存在一個(gè)極限頻率；發(fā)生光電效應(yīng)的時(shí)間只需 s.3愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程(1)光子：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為的光的能量子為h，這些能量子被稱為光子(2)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程：在光電效應(yīng)中，金屬表面中的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h，這些能量的一部分用來(lái)克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動(dòng)能Ek即hEkW0或EkhW0(3)用愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律方程EkhW0表明，光電子的初動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)只有當(dāng)h>W0時(shí)，才有光電子逸出，c是光電效應(yīng)的截止頻率電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，光電流自然是瞬時(shí)發(fā)生的光強(qiáng)較大時(shí)，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時(shí)產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大，所以飽和電流與光強(qiáng)成正比4康普頓效應(yīng)(1)光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒的相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫作光的散射(2)康普頓效應(yīng)：在光的散射時(shí)，除有與入射波長(zhǎng)相同的光，還有波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)大的光，這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)康普頓的學(xué)生：中國(guó)留學(xué)生吳有訓(xùn)證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性光電效應(yīng)表明光子具有能量，康普頓效應(yīng)表明光子還具有動(dòng)量，兩種效應(yīng)深入地揭示了光的粒子性的一面5光子的動(dòng)量光子的動(dòng)量p在康普頓效應(yīng)中，由于入射光子與物質(zhì)微粒的碰撞，光子的動(dòng)量變小，因此波長(zhǎng)變大1(多選)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖所示，用弧光的燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度則下列說(shuō)法中正確的是(AD)A用紫外線照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)B用綠光照射鋅板，驗(yàn)電器指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)C鋅板帶的是負(fù)電荷D使驗(yàn)電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷解析：將鋅板與驗(yàn)電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗(yàn)電器指針張開(kāi)一個(gè)角度，說(shuō)明鋅板帶了電，進(jìn)一步研究表明鋅板帶正電這說(shuō)明在紫外線的照射下，鋅板中有一部分自由電子從表面飛出來(lái)，鋅板中缺少電子，帶正電，選項(xiàng)A、D正確綠光不能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)2(多選)下列關(guān)于光子的說(shuō)法中，正確的是(AC)A在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子B光子的能量由光強(qiáng)決定，光強(qiáng)大，每份光子的能量一定大C光子的能量由光頻率決定，其能量與它的頻率成正比D光子可以被電場(chǎng)加速解析：按照愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量h，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，故A、C正確，B錯(cuò)誤，光子不帶電，不能被電場(chǎng)加速，D錯(cuò)誤3當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時(shí)，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，這時(shí)(C)A鋅板帶負(fù)電B有正離子從鋅板逸出C有電子從鋅板逸出D鋅板會(huì)吸附空氣中的正離子解析：當(dāng)用一束紫外線照射鋅板時(shí)，產(chǎn)生了光電效應(yīng)，有電子從鋅板逸出，鋅板帶正電，選項(xiàng)C正確，ABD錯(cuò)誤4(多選)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是：對(duì)于某種金屬(AD)A無(wú)論光強(qiáng)多強(qiáng)，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)B無(wú)論光的頻率多低，只要光照時(shí)間足夠長(zhǎng)就能產(chǎn)生光電效應(yīng)C超過(guò)極限頻率的入射光強(qiáng)度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越小D超過(guò)極限頻率的入射光頻率越高，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能就越大解析：每種金屬都有它的極限頻率0，只有入射光子的頻率大于等于頻率0時(shí)，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，且入射光的強(qiáng)度越大則產(chǎn)生的光子數(shù)越多，光電流越強(qiáng)；由光電效應(yīng)方程EkhW0hh0，可知入射光子的頻率越大，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能也越大，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，所以A、D正確5(多選)如圖所示電路的全部接線及元件均完好用光照射光電管的K極板，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)無(wú)電流通過(guò)，可能的原因是(BC)AA、K間加的電壓不夠高B電源正負(fù)極接反了C照射光的頻率不夠高D照射光的強(qiáng)度不夠大解析：若照射光的頻率很低，則不能發(fā)生光電效應(yīng)；如果發(fā)生光電效應(yīng)，但是電源正負(fù)極接反了，且電壓高于遏止電壓，電流表中也不會(huì)有電流，故B、C選項(xiàng)正確6(多選)已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的極限頻率為0，則(AB)A當(dāng)用頻率為20的單色光照射該金屬時(shí)，一定能產(chǎn)生光電子B當(dāng)用頻率為20的單色光照射該金屬時(shí)，所產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為h0C當(dāng)照射光的頻率大于0時(shí)，若增大，則逸出功增大D當(dāng)照射光的頻率大于0時(shí)，若增大一倍，則光電子的最大初動(dòng)能也增大一倍解析：當(dāng)入射光的頻率大于等于金屬的極限頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，A選項(xiàng)正確；由于金屬材料一定，極限頻率一定，逸出功W逸h0一定，0為極限頻率，增大，逸出功不變，C選項(xiàng)錯(cuò)誤由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程EkmhW逸，得20時(shí)，EkmhW逸2h0h0h0，當(dāng)增大一倍，40時(shí)，EkmhW逸4h0h03h0，所以B選項(xiàng)正確，D選項(xiàng)錯(cuò)誤7科學(xué)研究證明，光子有能量也有動(dòng)量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子假設(shè)光子與電子碰撞前的波長(zhǎng)為，碰撞后的波長(zhǎng)為，則碰撞過(guò)程中(C)A能量守恒，動(dòng)量不守恒，且B能量不守恒，動(dòng)量不守恒，且C能量守恒，動(dòng)量守恒，且D能量守恒，動(dòng)量守恒，且解析：能量守恒和動(dòng)量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界，也適用于微觀世界光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個(gè)守恒定律光子與電子碰撞前光子的能量hh，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量hh，由可知，選項(xiàng)C正確8(多選)某金屬的逸出功為2.3 eV，這意味著(BC)A這種金屬內(nèi)部的電子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脫離表面B這種金屬表層的電子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脫離表面C要使這種金屬有電子逸出，入射光子的能量必須大于2.3 eVD這種金屬受到光照時(shí)若有電子逸出，則電子離開(kāi)金屬表面時(shí)的動(dòng)能至少等于2.3 eV解析：逸出功指原子的最外層電子脫離原子核克服引力做的功，選B、C.9某光電管的陰極是用金屬制成的，它的逸出功為2.21 eV，用波長(zhǎng)為2.5 m的紫外線照射陰極，已知真空中光速為3.0 m/s，元電荷為1.6 C，普朗克常量為6.63Js，求得該金屬的極限頻率和該光電管發(fā)射的光電子的最大初動(dòng)能應(yīng)分別是(B)解析：10用不同頻率的光分別照射鎢和鋅，產(chǎn)生光電效應(yīng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可畫(huà)出光電子的最大初動(dòng)能Ek隨入射光頻率變化的Ek圖線已知鎢的逸出功是3.28 eV，鋅的逸出功為3.34 eV，若將二者的圖線畫(huà)在同一個(gè)Ek坐標(biāo)系中，則正確的圖是(A)解析：根據(jù)光電效應(yīng)方程EkhW0可知，Ek圖象的斜率為普朗克常量h，因此圖中兩線應(yīng)平行，故C、D錯(cuò)誤；圖線與橫軸的交點(diǎn)表示恰能發(fā)生光電效應(yīng)(光電子動(dòng)能為零)時(shí)的入射光頻率即極限頻率由光電效應(yīng)方程可知，逸出功越大的金屬對(duì)應(yīng)的入射光的頻率越高，所以能使金屬鋅發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率越高，所以A正確，B錯(cuò)誤11光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都包含有電子與光子的相互作用過(guò)程，對(duì)此下列說(shuō)法正確的是(D)A兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都服從動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律B兩種效應(yīng)都相當(dāng)于電子與光子的彈性碰撞過(guò)程C兩種效應(yīng)都屬于吸收光子的過(guò)程D光電效應(yīng)是吸收光子的過(guò)程，而康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子和電子彈性碰撞的過(guò)程解析：光電效應(yīng)吸收光子放出電子，其過(guò)程能量守恒，但動(dòng)量不守恒，康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子與電子彈性碰撞的過(guò)程，并且遵守動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應(yīng)都說(shuō)明光具有粒子性故D正確12鋁的逸出功為4.2 eV，現(xiàn)用波長(zhǎng)200 nm的光照射鋁的表面已知h6.63 Js，求：(1)光電子的最大初動(dòng)能；(2)遏止電壓；(3)鋁的極限頻率解析：