2017届高三物理一轮复习第13章动量守恒定律波粒二象性原子结构第2讲光电效应波粒二象性知能提升演练

1光电效应波粒二象性[随堂反馈]1．当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时()A．锌板带负电B．有正离子从锌板逸出C．有电子从锌板逸出D．锌板会吸附空气中的正离子解析：锌板在紫外线的照射下产生了光电效应，说明锌板上有光电子飞出，所以锌板带正电，C正确，A、B、D错误．答案：C2．(多选)(2015·高考江苏卷)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，它们的德布罗意波长也相等解析：光电效应说明光具有粒子性，A正确．衍射是波的特点，说明中子具有波动性，B正确．黑体辐射的实验规律说明光具有粒子性，C错误．动能相等的质子和电子，二者质量不同，动量不同，德布罗意波长不相等，D错误．答案：AB3．(2014·高考江苏卷)已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014Hz和5.44×1014Hz，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．动量解析：两种金属的截止频率不同，则它们的逸出功也不同，由W0＝hνc可知截止频率大的，逸出功也大．由Ek＝hν－W0可知，用同样的单色光照射，钙逸出的光电子的最大初动能较小，由p＝2mEk知，其动量也较小，根据物质波p＝hλ知，其波长较长．答案：A4．“约瑟夫森结”由超导体和绝缘体制成．若在结两端加恒定电压U，则它会辐射频率为ν的电磁波，且ν与U成正比，即ν＝kU.已知比例系数k仅与元电荷e的2倍和普朗克常量h有关．你可能不了解此现象的机理，但仍可运用物理学中常用的方法，在下列选项中，推理判断比例系数k的值可能为()A.h2eB．2ehC．2heD．12he2解析：可用物理量之间的单位量纲关系分析此题：ν＝kU，则k＝νU，其单位为1Hz/V＝11s·V，而h的单位为J·s，e的单位为C，故eh的单位应为1CJ·s＝1CC·V·s＝11s·V，B选项正确．答案：B5．小明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．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s.(1)图甲中电极A为光电管的________(选填“阴极”或“阳极”)；(2)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，则铷的截止频率νc＝______Hz，逸出功W0＝________J；(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek＝________J.解析：(1)光束照射阴极，打到阳极A上．(2)读出铷的截止频率νc＝5.15×1014Hz，其逸出功W0＝hνc＝3.41×10－19J.(3)由爱因斯坦光电效应方程得Ek＝hν－W0＝1.23×10－19J.答案：(1)阳极(2)5.15×1014(5.12×1014～5.19×1014均可)3.41×10－19(3.39×10－19～3.44×10－19均可)(3)1.23×10－19(1.21×10－19～1.26×10－19均可)[课时作业]一、单项选择题1．如图所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验()A．只能证明光具有波动性B．只能证明光具有粒子性C．只能证明光能够发生衍射D．证明光具有波粒二象性3解析：弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射，证明了光具有波动性，验电器铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应，则证明了光具有粒子性，所以该实验证明了光具有波粒二象性，D正确．答案：D2．关于光电效应的规律，下列说法中正确的是()A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比C．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7sD．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比解析：由ε＝hν＝hcλ知，当入射光波长小于金属的极限波长时，发生光电效应，A错误；由Ek＝hν－W0知，光电子的最大初动能由入射光频率决定，与入射光强度无关，B错误；发生光电效应的时间一般不超过10－9s，C错误；入射光的强度越强，单位时间内射到金属上的光子数越多，发射出光电子数越多，则形成的光电流越大，所以D正确．答案：D3．下列说法中正确的是()A．实物粒子只具有粒子性，不具有波动性B．卢瑟福通过α粒子散射实验现象，提出了原子的核式结构模型C．光波是概率波，光子在前进和传播过程中，其位置和动量能够同时确定D．在工业和医疗中经常使用激光，是因为其光子的能量远大于γ光子的能量解析：电子通过晶格的衍射现象表明实物粒子也具有波动性，A错误；卢瑟福的原子核式结构模型理论的基础就是α粒子散射实验，B正确；由不确定性关系知微观粒子的位置和动量是不能同时准确测量的，C错误；在工业和医疗中常使用激光的原因是由于其平行性好、亮度高，但亮度高不是由于光子能量高，而是因为单位时间内通过单位面积的总能量大，D错误．答案：B4．用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可以使该金属产生光电效应的措施是()A．改用频率更小的紫外线照射B．改用X射线照射C．改用强度更大的原紫外线照射D．延长原紫外线的照射时间解析：每一种金属对应一个极限频率，低于极限频率的光，无论照射时间有多长，光的强度有多大，都不能使金属产生光电效应，只要照射光的频率大于极限频率，就能产生光电效应，A、C、D错误．X射线的频率高于紫外线的频率，所以改用X射线照射可能发生光电效应，B正确．答案：B5.爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学4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．从图中可以确定的是()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解析：逸出功是由金属自身决定的，与ν无关，A错误．Ekm随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系，B错误．当ν＜ν0时，无光电子逸出，C错误．由Ekm＝hν－W0知，Ekm－ν图象的斜率为h，D正确．答案：D6．以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只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，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实．光电效应实验装置示意图如图所示．用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换同样频率为ν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KA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为电子电荷量)()A．U＝hνe－WeB．U＝2hνe－WeC．U＝2hν－WD．U＝5hν2e－We解析：解题的关键是要明确电子可能要吸收多个光子．由光电效应方程可知Ek＝n·hν－W，而eU＝Ek，所以U＝nhνe－We(n＝2,3,4，…)，故选项B正确．答案：B7．下表给出了一些金属材料的逸出功.材料铯钙镁铍钛5逸出功(10－19J)3.04.35.96.26.6现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有几种(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，光速c＝3.0×108m/s)()A．2种B．3种C．4种D．5种解析：要发生光电效应，则入射光的能量必须大于金属的逸出功，由题可算出波长为400nm的光的能量为E＝hν＝hcλ＝6.63×10－34×3.0×108400×10－9J＝4.97×10－19J，大于铯和钙的逸出功，所以A选项正确．答案：A二、多项选择题8．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个解析：由于该激光器发出的光波波长比可见光长，所以发出的是红外线，A错误，B正确．光子能量E＝hν＝hcλ≈1.3×10－19J，C错误．每秒发射的光子数n＝P×1E≈3.8×1016个，D正确．答案：BD9.(2016·北京四中模拟)用同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应，得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示，则这两种光()A．照射该光电管时a光使其逸出的光电子最大初动能大B．从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光的临界角大C．通过同一装置发生双缝干涉，a光的相邻条纹间距大D．通过同一玻璃三棱镜时，a光的偏折程度大解析：由题图可知，b光照射时对应遏止电压Uc2大于a光照射时的遏止电压Uc1，因eU＝12mv2，所以b光照射时光电子最大初动能大，且可得νb＞νa，λb＜λa，A、D错误，C正确．b光折射率大于a光折射率，所以a光临界角大，B正确．答案：BC610．用波长为λ和2λ的光照射同一种金属，分别产生的速度最快的光电子速度之比为2∶1，普朗克常量和真空中光速分别用h和c表示，那么下列说法正确的有()A．该种金属的逸出功为hc3λB．该种金属的逸出功为hcλC．波长超过2λ的光都不能使该金属发生光电效应D．波长超过4λ的光都不能使该金属发生光电效应解析：由hν＝W＋Ek知hcλ＝W0＋12mv21，hc2λ＝W0＋12mv22，又v1＝2v2，所以W0＝hc3λ，故选项A正确，B错误；光的波长小于或等于3λ时方能发生光电效应，故选项C错误，D正确．答案：AD三、非选择题11．用功率P0＝1W的光源照射离光源r＝3m处的某块金属的薄片，已知光源发出的是波长λ＝663nm的单色光，试计算：(1)1s内打到金属板1m2面积上的光子数；(2)若取该金属原子半径r1＝0.5×10－10m，则金属表面上每个原子平均需隔多少时间才能接收到一个光子？解析：(1)离光源r＝3m处的金属板1m2面积上1s内接收的光能E0＝P0t4πr2＝8.85×10－3J每个光子的能量E＝hcλ＝3×10－19J所以每秒接收的光子数n＝8.85×10－33×10－19＝2.95×1016个．(2)每个原子的截面积为S1＝πr21＝7.85×10－21m2把金属板看成由原子密集排列组成的，则面积S1上接收的光的功率P′＝8.85×10－3×7.85×10－21W＝6.95×10－23W每两个光子落在原子上的时间间隔Δt＝EP′＝3×10－196.95×10－23s＝4317s.答案：(1)2.95×1016个(2)4317s12．某同学采用如图所示的实验电路研究光电效应，用某单色光照射光电管的阴极K时，会发生光电效应现象．闭合开关S，在阳极A和阴极K之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压，直至电流计中电流恰为零，此时电压的示数U称为反向遏止电压．根据反向遏止电压，可以计算出光电子的最大初动能．现分别用ν1和ν2的单色光照射阴极，7测量到反向遏止电压分别为U1和U2，设电子的比荷为em，求：(1)阴极K所用金属的极限频率；(2)用题目中所给条件表示普朗克常量h.解析：(1)由于阳极A和阴极K之间所加电压为反向电压，根据动能定理有－eU1＝0－12mv21－eU2＝0－12mv22根据光电效应方程12mv21＝hν1－W012mv22＝hν2－W0其中W0＝hνc解以上各式得νc＝U1ν2－U2ν1U1－U2.(2)由以上各式得eU1＝hν1－W0eU2＝hν2－W0解得h＝eU1－U2ν1－ν2.答案：(1)U1ν2－U2ν1U1－U2(2)eU1－U2ν1－ν2