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2019-2020年高中物理 第17章 第2節(jié) 光的粒子性練習 新人教版選修3-5 1．光電效應的實驗規(guī)律． (1)光電效應：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，這種電子叫光電子． (2)光電效應的實驗規(guī)律． 用如下圖所示的電路研究光電效應中光電流與光照強度、光的頻率等物理量的關(guān)系，陰極K和陽極A在密封的真空玻璃內(nèi)，陰極K在受到光照時會發(fā)射光電子，陽極A吸收光電子而形成光電流．實驗結(jié)果表明： ①存在飽和電流．如上圖所示實驗中，在光照條件不變情況下，陽極A與陰極K之間電壓增大，光電流趨于一個飽和值，即使再增大電壓，電流不會增大，入射光越強，飽和電流越大．這表明入射光越強，陰極K在單位時間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)目越多． ②存在遏止電壓．如上圖所示實驗中，若A接負極，K接正極，在光電管兩極間形成使光電子減速的電場，這時，使光電流減小到零的反向電壓Uc稱為遏止電壓，根據(jù)動能定理有＝eUc． ③存在截止頻率．當入射光的頻率小到某一數(shù)值νc時，遏止電壓Uc減小到零時，也沒有光電流，即沒有光電子產(chǎn)生，即沒有發(fā)生光電效應，νc稱為截止頻率或極限頻率．這就是說，當入射光的頻率ν≤νc時，不論光多么強，光電效應都不會發(fā)生． ④光電效應具有瞬時性．從光照射到金屬表面到其表面逸出光電子的時間一般不超過 s，即光電效應幾乎是瞬時的． 2．光電效應解釋中的疑難． (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)光電效應中，經(jīng)典電磁理論無法解釋的有：光電子初動能與光強弱無關(guān)，遏止電壓Uc與光強弱無關(guān)；發(fā)生光電效應時，入射光的頻率存在一個極限頻率；發(fā)生光電效應的時間只需 s. 3．愛因斯坦光電效應方程． (1)光子：光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子被稱為光子． (2)愛因斯坦光電效應方程：在光電效應中，金屬表面中的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的初動能Ek．即hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0． (3)用愛因斯坦光電效應方程解釋光電效應的實驗規(guī)律． ①方程Ek＝hν－W0表明，光電子的初動能與入射光的頻率ν成線性關(guān)系，與光強無關(guān)．只有當hν>W0時，才有光電子逸出，νc＝是光電效應的截止頻率． ②電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，光電流自然是瞬時發(fā)生的． ③光強較大時，包含的光子數(shù)較多，照射金屬時產(chǎn)生的光電子多，因而飽和電流大，所以飽和電流與光強成正比． 4．康普頓效應． (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：在光的散射時，除有與入射波長相同的光，還有波長比入射波長大的光，這種現(xiàn)象稱為康普頓效應．康普頓的學生：中國留學生吳有訓證實了康普頓效應的普遍性． 光電效應表明光子具有能量，康普頓效應表明光子還具有動量，兩種效應深入地揭示了光的粒子性的一面． 5．光子的動量． 光子的動量p＝．在康普頓效應中，由于入射光子與物質(zhì)微粒的碰撞，光子的動量變小，因此波長變大． 1．(多選)光電效應實驗的裝置如圖所示，用弧光的燈照射鋅板，驗電器指針張開一個角度．則下列說法中正確的是(AD) A．用紫外線照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) B．用綠光照射鋅板，驗電器指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．鋅板帶的是負電荷 D．使驗電器指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是正電荷 解析：將鋅板與驗電器連接，用弧光燈照射鋅板(弧光燈發(fā)出紫外線)，驗電器指針張開一個角度，說明鋅板帶了電，進一步研究表明鋅板帶正電．這說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，鋅板中缺少電子，帶正電，選項A、D正確．綠光不能使鋅板發(fā)生光電效應． 2．(多選)下列關(guān)于光子的說法中，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，每一份叫做一個光子 B．光子的能量由光強決定，光強大，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．光子可以被電場加速 解析：按照愛因斯坦的光子說，在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量ε＝hν，與光的強度無關(guān)，故A、C正確，B錯誤，光子不帶電，不能被電場加速，D錯誤． 3．當用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應，這時(C) A．鋅板帶負電 B．有正離子從鋅板逸出 C．有電子從鋅板逸出 D．鋅板會吸附空氣中的正離子 解析：當用一束紫外線照射鋅板時，產(chǎn)生了光電效應，有電子從鋅板逸出，鋅板帶正電，選項C正確，ABD錯誤． 4．(多選)光電效應的實驗結(jié)論是：對于某種金屬(AD) A．無論光強多強，只要光的頻率小于極限頻率就不能產(chǎn)生光電效應 B．無論光的頻率多低，只要光照時間足夠長就能產(chǎn)生光電效應 C．超過極限頻率的入射光強度越弱，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能就越小 D．超過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能就越大 解析：每種金屬都有它的極限頻率ν0，只有入射光子的頻率大于等于頻率ν0時，才會發(fā)生光電效應，且入射光的強度越大則產(chǎn)生的光子數(shù)越多，光電流越強；由光電效應方程Ek＝hν－W0＝hν－h(huán)ν0，可知入射光子的頻率越大，產(chǎn)生的光電子的最大初動能也越大，與入射光的強度無關(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)電流計無電流通過，可能的原因是(BC) A．A、K間加的電壓不夠高 B．電源正負極接反了 C．照射光的頻率不夠高 D．照射光的強度不夠大 解析：若照射光的頻率很低，則不能發(fā)生光電效應；如果發(fā)生光電效應，但是電源正負極接反了，且電壓高于遏止電壓，電流表中也不會有電流，故B、C選項正確． 6．(多選)已知能使某金屬產(chǎn)生光電效應的極限頻率為ν0，則(AB) A．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，一定能產(chǎn)生光電子 B．當用頻率為2ν0的單色光照射該金屬時，所產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0 C．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大，則逸出功增大 D．當照射光的頻率ν大于ν0時，若ν增大一倍，則光電子的最大初動能也增大一倍 解析：當入射光的頻率大于等于金屬的極限頻率時，就會發(fā)生光電效應，A選項正確；由于金屬材料一定，極限頻率一定，逸出功W逸＝hν0一定，ν0為極限頻率，ν增大，逸出功不變，C選項錯誤．由愛因斯坦光電效應方程Ekm＝hν－W逸，得ν＝2ν0時，Ekm＝hν－W逸＝2hν0－h(huán)ν0＝hν0，當ν增大一倍，ν＝4ν0時，Ekm＝hν－W逸＝4hν0－h(huán)ν0＝3hν0，所以B選項正確，D選項錯誤． 7．科學研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．假設光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中　(C) A．能量守恒，動量不守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，動量守恒，且λ＜λ′ D．能量守恒，動量守恒，且λ＞λ′ 解析：能量守恒和動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．光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒定律．光子與電子碰撞前光子的能量ε＝hν＝h，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量ε′＝hν′＝h，由ε＞ε′可知λ＜λ′，選項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 eV D．這種金屬受到光照時若有電子逸出，則電子離開金屬表面時的動能至少等于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能應分別是(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，根據(jù)實驗可畫出光電子的最大初動能Ek隨入射光頻率ν變化的Ekν圖線．已知鎢的逸出功是3.28 eV，鋅的逸出功為3.34 eV，若將二者的圖線畫在同一個Ekν坐標系中，則正確的圖是(A) 解析：根據(jù)光電效應方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν圖象的斜率為普朗克常量h，因此圖中兩線應平行，故C、D錯誤；圖線與橫軸的交點表示恰能發(fā)生光電效應(光電子動能為零)時的入射光頻率即極限頻率．由光電效應方程可知，逸出功越大的金屬對應的入射光的頻率越高，所以能使金屬鋅發(fā)生光電效應的極限頻率越高，所以A正確，B錯誤． 11．光電效應和康普頓效應都包含有電子與光子的相互作用過程，對此下列說法正確的是(D) A．兩種效應中電子與光子組成的系統(tǒng)都服從動量守恒定律和能量守恒定律 B．兩種效應都相當于電子與光子的彈性碰撞過程 C．兩種效應都屬于吸收光子的過程 D．光電效應是吸收光子的過程，而康普頓效應相當于光子和電子彈性碰撞的過程 解析：光電效應吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應相當于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應都說明光具有粒子性．故D正確． 12．鋁的逸出功為4.2 eV，現(xiàn)用波長200 nm的光照射鋁的表面．已知h＝6.63 Js，求： (1)光電子的最大初動能； (2)遏止電壓； (3)鋁的極限頻率． 解析：