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第1讲 光电效应 波粒二象性
时间:40分钟 满分:100分
一、选择题(本题共11小题,每小题7分,共77分。其中1~7题为单选,8~11题为多选)
1. (2020·河北省保定市二模)黑体辐射的研究表明:辐射强度、波长分布与辐射体的温度有密切关系。此研究对冶金工业的迅速发展有巨大贡献。如图所示,图中画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系,从中可以看出( )
A.温度越高,辐射电磁波的波长越短
B.温度越低,辐射电磁波的波长越长
C.同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强
D.不同温度时辐射强度的最大值变化无规律可循
答案 C
解析 无论温度高低,黑体都会辐射各种波长的电磁波,故A、B错误;同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强,故C正确;温度升高,辐射强度的最大值向波长短、频率高的方向移动,故D错误。
2.下列说法中正确的是( )
A.物质波属于机械波
B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C.德布罗意认为任何一个运动的物体,小到电子、质子、中子,大到行星、太阳都有一种波与之相对应,这种波叫物质波
D.宏观物体运动时,看不到它的衍射和干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性
答案 C
解析 物质波是描述实物粒子运动的波,而机械波是由质点做周期性机械运动形成的,二者不同,故A错误;不论是微观粒子,还是宏观物体,只要它们运动,就有与之对应的物质波,故B、D错误,C正确。
3.(2020·广西桂林市第一次联合调研)任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之对应,波长λ=,式中h为普朗克常量,p为运动物体的动量,人们把这种波叫作德布罗意波。现有一德布罗意波波长为λ1的中子和一个德布罗意波波长为λ2的氘核相向对撞后结合成一个氚核,该氚核的德布罗意波波长为( )
A. B.
C. D.
答案 A
解析 中子与氘核相向运动发生碰撞的过程,满足动量守恒定律,则|p1-p2|=p3,结合λ=,有|-|=,解得λ3=,所以A正确,B、C、D错误。
4.(2020·广东省汕头市一模)可见光的波长的大致范围是400~760 nm。下表给出了几种金属发生光电效应的极限波长,下列说法正确的是( )
金属
钨
钙
钠
钾
极限波长(nm)
274
388
542
551
A.表中所列金属,钾的逸出功最大
B.只要光照时间足够长或强度足够大,所有波长的可见光都可以使钠发生光电效应
C.用波长为760 nm的光照射金属钠、钾,则钠逸出的光电子的最大初动能较大
D.用波长为400 nm的光照射金属钠、钾,则钾逸出的光电子的最大初动能较大
答案 D
解析 根据W0=hνc=可知,表中所列金属,钾的极限波长λc最大,则钾的逸出功W0最小,A错误;能否发生光电效应,与光照的时间和强度无关,只与入射光的频率有关,B错误;用波长为760 nm的光照射金属钠、钾,由于入射光的波长均大于两金属的极限波长,根据光电效应的产生条件可知,钠、钾都不能发生光电效应,C错误;当用波长为400 nm的光照射金属钠、钾时,钠、钾都可以发生光电效应,钾的逸出功最小,根据Ek=hν-W0,钾逸出的光电子的最大初动能较大,D正确。
5.(2020·山西省长治市3月线上模拟)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.保持入射光的光强不变,入射光的频率变高,饱和光电流变大
C.保持入射光的光强不变,入射光的频率变低,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
答案 A
解析 保持入射光的频率不变,因为饱和光电流与入射光的强度成正比,故入射光的光强变大,饱和光电流变大,A正确;保持入射光的光强不变,入射光的频率变高,则单位时间入射光光子数变少,饱和光电流也变小,故B错误;根据光电效应的规律,光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,所以入射光的频率变低,光电子的最大初动能变小,故C错误;如果入射光的频率小于该光电管金属材料的极限频率,将不会发生光电效应,也就不会有光电流产生,故D错误。
6.(2020·江苏省宿迁市沭阳县5月联考)用图1装置研究光电效应,分别用a光、b光、c光照射阴极K得到图2中三条光电流I与A、K间的电压UAK的关系曲线,则下列说法正确的是( )
A.开关S扳向1时测得的数据得到的是I轴左侧的图线
B.b光的光子能量大于a光的光子能量
C.用a光照射阴极K时阴极的逸出功大于用c光照射阴极K时阴极的逸出功
D.用b光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能小于用a光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能
答案 B
解析 当开关S扳向1时,光电子在光电管中加速,此时所加的电压是正向电压,测得的数据得到的是I轴右侧的图线,故A错误;根据eUc=Ek=hν-W0,同种金属W0相同,则入射光的频率越高,对应的遏止电压Uc越大,由题图2可知,b光的遏止电压大于a光的遏止电压,所以b光的频率高于a光的频率,依据E=hν可知,b光的光子能量大于a光的光子能量,故B正确;某种金属的逸出功是一定的,与入射光无关,故C错误;b光的遏止电压大于a光的遏止电压,根据eUc=Ek=hν-W0,可知用b光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能大于用a光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能,D错误。
7.(2020·山东省菏泽一中3月教学质量检测)用频率为ν的单色光照射某金属表面时,产生的光电子的最大初动能为Ek,已知普朗克常量为h,光速为c,要使此金属发生光电效应,所用入射光的波长应不大于( )
A. B.
C. D.-
答案 A
解析 根据光电效应方程有:Ek=hν-W0,而W0=hνc,则该金属发生光电效应的极限频率为:νc=ν-,则该金属发生光电效应的极限波长为:λc==,故A正确,B、C、D错误。
8.(2021·三湘名校教育联盟高三上第二次大联考)利用图甲所示的实验装置观测光电效应,已知实验中测得某种金属的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,电子的电荷量为e=1.6×10-19 C,则( )
A.电源的右端为正极
B.普朗克常量为
C.该金属的逸出功为eU1
D.若电流表的示数为10 μA,则每秒内从阴极发出的光电子数的最小值为6.25×1012
答案 AC
解析 只有施加反向电压,也就是光电管阴极接电源正极、阳极接电源负极,在光电管两极间形成使电子减速的电场,这时光电流才有可能为零,使光电流减小到零的反向电压Uc称为遏止电压,A正确;由爱因斯坦光电效应方程可知Ek=hν-W0,由动能定理有-eUc=0-Ek,联立并整理得Uc=-,可知题图乙中图线的斜率为=,纵截距为-U1=-,则普朗克常量为h=,该金属的逸出功为W0=eU1,B错误,C正确;若电流表的示数为I=10 μA,则每秒内从阴极发出的光电子数的最小值为n====6.25×1013,D错误。
9.波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的是( )
A.黑体辐射规律可用光的波动性解释
B.光电效应现象揭示了光的粒子性
C.电子束射到晶体上产生衍射图样说明电子具有波动性
D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波波长也相等
答案 BC
解析 黑体辐射的实验规律不能用光的波动性解释,而普朗克借助于能量子假说,完美地解释了黑体辐射规律,破除了“能量连续变化”的传统观念,故A错误;光既有波动性又有粒子性,光电效应现象揭示了光的粒子性,故B正确;德布罗意提出了实物粒子同样具有波动性,电子束射到晶体上产生的衍射图样是波的特征,证明了电子具有波动性,故C正确;根据德布罗意波长公式λ=,又p=,则λ=,若一个电子和一个质子的动能Ek相等,由于质子质量比电子质量大得多,则其德布罗意波波长不相等,故D错误。
10. (2020·浙江省杭州高级中学仿真模拟)用一束波长为λ的绿光照射某极限波长为λ0的金属,能产生光电效应,下列说法正确的是( )
A.该金属的逸出功为W0=hλ0
B.把这束绿光遮住一半,则光电流强度减小
C.若改用一束红光照射,则不可能产生光电效应
D.要使光电流为0,光电管两极至少需要加大小为的电压
答案 BD
解析 该金属逸出功为:W0=hν0=h,故A错误;将这束绿光遮住一半,单位时间内入射的光子数目减小,则单位时间内逸出的光电子数目减小,则光电流强度减小,故B正确;若改用一束红光照射,因为红光的频率小于绿光的频率,则可能不发生光电效应,也可能发生光电效应,故C错误;光电效应方程为:Ek=hν-W0,且ν=,根据动能定理可得光电流恰为0时有:-eUc=0-Ek,联立解得:Uc=,故D正确。
11. 用如图的装置研究光电效应现象,当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时,电流表G的读数为0.2 mA,移动变阻器的滑片C,当电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表读数为0。则( )
A.光电管阴极的逸出功为1.8 eV
B.开关S断开后,没有电流流过电流表G
C.光电子的最大初动能为0.7 eV
D.改用能量为1.5 eV的光子照射,电流表G也有电流,但电流较小
答案 AC
解析 由题图可知,光电管两端所加的电压为反向电压,由电压表的示数大于或等于0.7 V时,电流表示数为0,可知光电子的最大初动能为0.7 eV,根据光电效应方程Ek=hν-W0,可得W0=1.8 eV,故A、C正确;开关S断开后,用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时发生了光电效应,有光电子逸出,则有电流流过电流表,故B错误;改用能量为1.5 eV的光子照射,由于光子的能量小于逸出功,不能发生光电效应,无光电流,故D错误。
二、非选择题(本题共2小题,共23分)
12. (2020·江苏省盐城市6月模拟)(8分)金属中电子吸收一个光子而挣脱金属的束缚,这就是光电效应现象。随着科技进步,强光源的出现,电子同时吸收多个光子成为可能,这是多光子光电效应现象。如图所示,光电管阴极金属的逸出功为W0,单一频率光源发射的光子频率为ν。在光源照射下,金属中电子同时吸收两个光子后发生光电效应,从金属逸出电子的最大初动能为________,调节滑动变阻器,当电流表示数恰好为零时,电压表示数为________。(电子电荷量为e,普朗克常量为h)
答案 2hν-W0
解析 根据题意知,一个电子吸收两个光子而发生光电效应,则由光电效应方程得光电子的最大初动能为Ek=2hν-W0。根据动能定理得-eUc=0-Ek,解得Uc=。
13.(2021·八省联考江苏卷)(15分)我国中微子探测实验利用光电管把光信号转换为电信号。如图所示,A和K分别是光电管的阳极和阴极,加在A、K之间的电压为U。现用发光功率为P的激光器发出频率为ν的光全部照射在K上,回路中形成电流。已知阴极K材料的逸出功为W0,普朗克常量为h,电子电荷量为e。
(1)求光电子到达A时的最大动能Ekm;
(2)若每入射N个光子会产生1个光电子,所有的光电子都能到达A,求回路的电流强度I。
答案 (1)Ue+hν-W0 (2)
解析 (1)根据光电效应方程有hν-W0=Ek0
逸出的电子在电场中加速向A运动,根据动能定理
有Ue=Ekm-Ek0
联立解得Ekm=Ue+hν-W0。
(2)设每秒钟到达K极的光子数量为n,则nhν=P
设每秒钟逸出电子个数为a个,则a=
回路的电流强度I==ae
联立解得I=。
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