專題31-光電效應(解析版)

2020屆高考物理一輪復習熱點題型歸納與變式演練專題31光電效應【專題導航】目錄TOC\o"1-3"\h\u熱點題型一光電效應現(xiàn)象和光電效應方程的應用 1熱點題型二光電效應的圖象問題 3（一）對Ek－ν圖象的理解 4（二）對I－U圖象的理解 5（三）對Uc－ν圖象的理解 7熱點題型三對光的波粒二象性的理解 8【題型演練】 9【題型歸納】熱點題型一光電效應現(xiàn)象和光電效應方程的應用1．對光電效應的四點提醒(1)能否發(fā)生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率．(2)光電效應中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光．(3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關．(4)光電子不是光子，而是電子．2．兩條對應關系(1)光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大；(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大．3．定量分析時應抓住三個關系式(1)愛因斯坦光電效應方程：Ek＝hν－W0.(2)最大初動能與遏止電壓的關系：Ek＝eUc.(3)逸出功與極限頻率的關系：W0＝hνc.4．區(qū)分光電效應中的四組概念(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子．(2)光電子的動能與光電子的最大初動能：電子吸收光子能量后，一部分克服阻礙作用做功，剩余部分轉(zhuǎn)化為光電子的初動能，只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動能．(3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關．(4)入射光強度與光子能量：入射光強度指單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量．【例1】(2018·高考全國卷Ⅱ)用波長為300nm的光照射鋅板，電子逸出鋅板表面的最大初動能為1.28×10－19J．已知普朗克常量為6.63×10－34J·s，真空中的光速為3.00×108m·s－1.能使鋅產(chǎn)生光電效應的單色光的最低頻率約為()A．1×1014Hz B．8×1014HzC．2×1015Hz D．8×1015Hz【答案】B【解析】設單色光的最低頻率為v0，由Ek＝hv－W0知Ek＝hv1－W0,0＝hv0－W0，又知v1＝eq\f(c,λ)，整理得v0＝eq\f(c,λ)－eq\f(Ek,h)，代入數(shù)據(jù)解得v0≈8×1014Hz.【變式1】．(2019·山東泰安檢測)如圖所示是光電管的原理圖，已知當有波長為λ0的光照到陰極K上時，電路中有光電流，則 ()A．若增加電路中電源電壓，電路中光電流一定增大B．若將電源極性反接，電路中一定沒有光電流產(chǎn)生C．若換用波長為λ1(λ1>λ0)的光照射陰極K時，電路中一定沒有光電流D．若換用波長為λ2(λ2<λ0)的光照射陰極K時，電路中一定有光電流【答案】D【解析】光電流的強度與入射光的強度有關，當光越強時，光電子數(shù)目會增多，初始時電壓增加光電流可能會增加，當達到飽和光電流后，再增大電壓，光電流不會增大，故A錯誤；將電路中電源的極性反接，電子受到電場阻力，到達A極的數(shù)目會減小，則電路中電流會減小，甚至沒有電流，故B錯誤；波長為λ1(λ1>λ0)的光的頻率有可能大于極限頻率，電路中可能有光電流，故C錯誤；波長為λ2(λ2<λ0)的光的頻率一定大于極限頻率，電路中一定有光電流，故D正確．【變式2】(2017·高考全國卷Ⅲ)在光電效應實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb.h為普朗克常量．下列說法正確的是()A．若νa>νb，則一定有Ua<UbB．若νa>νb，則一定有Eka>EkbC．若Ua<Ub，則一定有Eka<EkbD．若νa>νb，則一定有hνa－Eka>hνb－Ekb【答案】BC【解析】由愛因斯坦光電效應方程Ekm＝hν－W0，又由動能定理有Ekm＝eUc，當νa>νb時，Eka>Ekb，Ua>Ub，A錯誤，B正確；若Ua<Ub，則有Eka<Ekb，C正確；同種金屬的逸出功不變，則W0＝hν－Ekm不變，D錯誤．熱點題型二光電效應的圖象問題圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ekm＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電量的乘積，即h＝ke.(注：此時兩極之間接反向電壓)（一）對Ek－ν圖象的理解由Ek－ν圖象可以得到的信息(1)極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc.(2)逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值E＝W0.(3)普朗克常量：圖線的斜率k＝h.【例2】．(2019·南平市檢測)用如圖甲所示的裝置研究光電效應現(xiàn)象．閉合電鍵S，用頻率為ν的光照射光電管時發(fā)生了光電效應．圖乙是該光電管發(fā)生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖象，圖線與橫軸的交點坐標為(a,0)，與縱軸的交點坐標為(0，－b)，下列說法中正確的是 ()A．普朗克常量為h＝eq\f(a,b)B．斷開電鍵S后，電流表G的示數(shù)不為零C．僅增加照射光的強度，光電子的最大初動能將增大D．保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變【答案】B【解析】由hν＝W0＋Ek，變形得Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝eq\f(b,a)，故A錯誤；斷開電鍵S后，仍有光電子產(chǎn)生，所以電流表G的示數(shù)不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動能，與光的強度無關，故C錯誤；保持照射光強度不變，僅提高照射光頻率，單個光子的能量增大，而光的強度不變，那么光子數(shù)一定減少，發(fā)出的光子數(shù)也減少，電流表G的示數(shù)要減小，故D錯誤．【變式1】(多選)如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線(直線與橫軸的交點坐標4.27，與縱軸交點坐標0.5)．由圖可知()A．該金屬的截止頻率為4.27×1014HzB．該金屬的截止頻率為5.5×1014HzC．該圖線的斜率表示普朗克常量D．該金屬的逸出功為0.5eV【答案】AC【解析】圖線在橫軸上的截距為截止頻率，A正確、B錯誤；由光電效應方程Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，C正確；金屬的逸出功為：W0＝hν0＝eq\f(6.63×10－34×4.27×1014,1.6×10－19)eV≈1.77eV，D錯誤．【變式2】.(多選)(2019·山東天成大聯(lián)考)某種金屬發(fā)生光電效應時，光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系如圖所示，E、ν0為已知量，由圖線信息可知()A．逸出功W0＝EB．圖象的斜率表示普朗克常量的倒數(shù)C．圖中E與ν0的值與入射光的強度、頻率均無關D．若入射光頻率為3ν0，則光電子的最大初動能為3E【答案】AC【解析】根據(jù)光電效應方程有Ek＝hν－W0，根據(jù)數(shù)學函數(shù)知圖象與縱坐標的交點表示逸出功，所以逸出功W0＝E，圖象的斜率表示普朗克常量，故A正確，故B錯誤；逸出功和極限頻率的大小與入射光的強度、頻率均無關，由金屬本身決定，故C正確；根據(jù)光電效應方程：Ek＝hν－W0，當入射光頻率為3ν0，則光電子的最大初動能為2E，故D錯誤．（二）對I－U圖象的理解由I－U圖象可以得到的信息(1)遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點的絕對值．(2)飽和光電流Im：電流的最大值．(3)最大初動能：Ekm＝eUc.【例2】(2019·河南新鄉(xiāng)模擬)如圖甲所示，用頻率為ν0的光照射某種金屬發(fā)生光電效應，測出光電流i隨電壓U的變化圖象如圖乙所示，已知普朗克常量為h，光電子帶電荷量為e.下列說法中正確的是 ()A.入射光越強，光電子的能量越高B．光電子的最大初動能為hν0C．該金屬的逸出功為hν0—eU0D．用頻率為eq\f(eU0,h)的光照射該金屬時不可能發(fā)生光電效應【答案】C【解析】根據(jù)光電效應的規(guī)律可知，入射光的頻率越大，則逸出光電子的能量越大，與光強無關，選項A錯誤；根據(jù)光電效應的規(guī)律，光電子的最大初動能為Ekm＝hν0－W逸出功，選項B錯誤；由圖象可知Ekm＝eU0，則該金屬的逸出功為hν0－eU0，選項C正確；頻率為eq\f(eU0,h)的光的能量為hν＝eU0，當大于金屬的逸出功(hν0－eU0)時，同樣可發(fā)生光電效應，選項D錯誤；故選C.【變式】．在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示．則可判斷出()甲光的頻率大于乙光的頻率B．乙光的波長大于丙光的波長C．乙光對應的截止頻率大于丙光的截止頻率D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光對應的光電子最大初動能【答案】B【解析】由圖象知，甲、乙光對應的遏止電壓相等，由eUc＝Ek和hν＝W0＋Ek得甲、乙光頻率相等，A錯誤；丙光的頻率大于乙光的頻率，則丙光的波長小于乙光的波長，B正確；由hνc＝W0得甲、乙、丙光對應的截止頻率相同，C錯誤；由光電效應方程知，甲光對應的光電子最大初動能小于丙光對應的光電子最大初動能，D錯誤．（三）對Uc－ν圖象的理解由Uc－ν圖象可以得到的信息(1)截止頻率νc：圖線與橫軸的交點．(2)遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大．(3)普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke.(注：此時兩極之間接反向電壓)【例4】．(多選)(2019·重慶萬州月考)某金屬在光的照射下產(chǎn)生光電效應，其遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖象如圖所示．則由圖象可知()A．該金屬的逸出功等于hν0B．遏止電壓是確定的，與入射光的頻率無關C．入射光的頻率為2ν0時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0D．入射光的頻率為3ν0時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為hν0【答案】AC【解析】當遏止電壓為零時，最大初動能為零，則入射光的能量等于逸出功，所以W0＝hν0，故選項A正確；根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0和－eUc＝0－Ekm得，Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，可知當入射光的頻率大于極限頻率時，遏止電壓與入射光的頻率成線性關系，故選項B錯誤；從圖象上可知，逸出功W0＝hν0.根據(jù)光電效應方程Ekm＝h·2ν0－W0＝hν0，故選項C正確；Ekm＝h·3ν0－W0＝2hν0，故選項D錯誤．【變式】.在某次光電效應實驗中，得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率ν的關系如圖所示．若該直線的斜率和縱軸截距分別為k和b，電子電荷量的絕對值為e，則普朗克常量可表示為________，所用材料的逸出功可表示為________．【答案】ek－eb【解析】根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0及Ekm＝eUc得Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)，故eq\f(h,e)＝k，b＝－eq\f(W0,e)，得h＝ek，W0＝－eb.熱點題型三對光的波粒二象性的理解對波粒二象性的理解項目內(nèi)容說明光的粒子性(1)當光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子性(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性粒子的含義是“不連續(xù)的”“一份一份的”，光子不同于宏觀觀念的粒子光的波動性(1)足夠能量的光在傳播時，表現(xiàn)出波動的性質(zhì)(2)光是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的，光的波動性不同于宏觀概念的波波和粒子的對立與統(tǒng)一宏觀世界：波和粒子是相互對立的概念微觀世界：波和粒子是統(tǒng)一的．光子說并未否定波動性，光子能量E＝hν＝eq\f(hc,λ)，其中，ν和λ就是描述波的兩個物理量【例5】1927年戴維遜和革末完成了電子衍射實驗，該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一．如圖所示的是該實驗裝置的簡化圖，下列說法正確的是()A．亮條紋是電子到達概率大的地方B．該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的C．該實驗再次說明光子具有波動性D．該實驗說明實物粒子具有波動性【答案】ABD.【解析】電子屬于實物粒子，電子衍射實驗說明電子具有波動性，說明物質(zhì)波理論是正確的，與光的波動性無關，B、D正確，C錯誤；物質(zhì)波也是概率波，亮條紋是電子到達概率大的地方，A正確．【變式1】實物粒子和光都具有波粒二象性．下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是 ()A．電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣B．β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡C．人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu)D．人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)【答案】ACD【解析】電子束通過雙縫產(chǎn)生干涉圖樣，體現(xiàn)的是波動性，A正確；β射線在云室中留下清晰的徑跡，不能體現(xiàn)波動性，B錯誤；衍射體現(xiàn)的是波動性，C正確；電子顯微鏡利用了電子束波長短的特性，D正確．【變式2】關于物質(zhì)的波粒二象性，下列說法正確的是 ()A．光的波長越短，光子的能量越大，光的粒子性越明顯B．不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒都具有波粒二象性C．光電效應現(xiàn)象揭示了光的粒子性D．實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性【答案】ABC【解析】據(jù)ν＝eq\f(c,λ)可知光的波長越短則頻率越大，據(jù)E＝hν可知光能量越大，A正確；波粒二象性是微觀世界特有的規(guī)律，一切運動的微粒都具有波粒二象性，B正確；光電效應現(xiàn)象說明光具有粒子性，C正確；由德布羅意理論知，宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，但仍具有波粒二象性，D錯誤．【題型演練】1．用很弱的光做雙縫干涉實驗，把入射光減弱到可以認為光源和感光膠片之間不可能同時有兩個光子存在，如圖所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片．這些照片說明 ()A．光只有粒子性沒有波動性B．光只有波動性沒有粒子性C．少量光子的運動顯示波動性，大量光子的運動顯示粒子性D．少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性【答案】D【解析】光具有波粒二象性，這些照片說明少量光子的運動顯示粒子性，大量光子的運動顯示波動性，故D正確．2．用光照射某種金屬，有光電子從金屬表面逸出，如果光的頻率不變，而減弱光的強度，則 ()A．逸出的光電子數(shù)減少，光電子的最大初動能不變B．逸出的光電子數(shù)減少，光電子的最大初動能減小C．逸出的光電子數(shù)不變，光電子的最大初動能減小D．光的強度減弱到某一數(shù)值，就沒有光電子逸出了【答案】A【解析】光的頻率不變，表示光子能量不變，光的強度減弱，仍會有光電子從該金屬表面逸出，逸出的光電子的最大初動能也不變；而減弱光的強度，逸出的光電子數(shù)就會減少，選項A正確．3．在光電效應實驗中，用同一種單色光，先后照射鋅和銀的表面，都能發(fā)生光電效應．對于這兩個過程，下列四個物理過程中，一定相同的是 ()A．遏止電壓 B．飽和光電流C．光電子的最大初動能 D．逸出功【答案】B【解析】同一種單色光照射不同的金屬，入射光的頻率和光子能量一定相同，金屬逸出功不同，根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0知，最大初動能不同，則遏止電壓不同；同一種單色光照射，入射光的強度相同，所以飽和光電流相同．故選項B正確．4．(2019·西藏拉薩中學六次月考)關于光電效應的規(guī)律，下面說法正確的是()A．當某種色光照射金屬表面時，能產(chǎn)生光電效應，入射光的頻率越高，產(chǎn)生的光電子最大初動能也就越大B．當某種色光照射金屬表面時，能產(chǎn)生光電效應，如果入射光的強度減弱，從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加C．對某金屬來說，入射光波長必須大于一極限值才能產(chǎn)生光電效應D．同一頻率的光照射不同的金屬，如果都能產(chǎn)生光電效應，則所有金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動能一定相同【答案】A【解析】根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0，知入射光的頻率越高，產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大，故A正確．光電效應具有瞬時性，入射光的強度不影響發(fā)出光電子的時間間隔，故B錯誤．發(fā)生光電效應的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率，即入射光的波長小于金屬的極限波長，故C錯誤．不同的金屬逸出功不同，根據(jù)光電效應方程Ekm＝hν－W0，知同一頻率的光照射不同金屬，如果都能產(chǎn)生光電效應，光電子的最大初動能不同，故D錯誤．5.(2019·北京朝陽模擬)用綠光照射一個光電管，能產(chǎn)生光電效應．欲使光電子從陰極逸出時最大初動能增大，可以()A．改用紅光照射B．改用紫光照射C．改用藍光照射D．增加綠光照射時間【答案】BC.【解析】光電子的最大初動能與照射時間或照射強度無關，而與入射光子的能量有關，入射光子的能量越大，光電子從陰極逸出時最大初動能越大，所以本題中可以改用比綠光光子能量更大的紫光、藍光照射，以增大光電子從陰極逸出時的最大初動能．6.(2019·河北保定模擬)如圖所示，這是一個研究光電效應的電路圖，下列敘述中正確的是()A．只調(diào)換電源的極性，移動滑片P，當電流表示數(shù)為零時，電壓表示數(shù)為遏止電壓U0的數(shù)值B．保持光照條件不變，滑片P向右滑動的過程中，電流表示數(shù)將一直增大C．不改變光束顏色和電路，增大入射光束強度，電流表示數(shù)會增大D．陰極K需要預熱，光束照射后需要一定的時間才會有光電流【答案】AC.【解析】只調(diào)換電源的極性，移動滑片P，電場力對電子做負功，當電流表示數(shù)為零時，則有eU＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)，那么電壓表示數(shù)為遏止電壓U0的數(shù)值，故A項正確；當其他條件不變，P向右滑動，加在光電管兩端的電壓增加，光電子運動更快，由I＝eq\f(q,t)得電流表讀數(shù)變大，若電流達到飽和電流，則電流表示數(shù)不會增大，B項錯誤；只增大入射光束強度時，單位時間內(nèi)光電子數(shù)變多，電流表示數(shù)變大，C項正確；因為光電效應的發(fā)生是瞬間的，陰極K不需要預熱，所以D項錯誤．7.(2019·哈爾濱六中二次模擬)某半導體激光器發(fā)射波長為1.5×10－6m，功率為5.0×10－3W的連續(xù)激光．已知可見光波長的數(shù)量級為10－7m，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，該激光器發(fā)出的 ()A．是紫外線B．是紅外線C．光子能量約為1.3×10－13JD．光子數(shù)約為每秒3.8×1016個【答案】BD【解析】波長的大小大于可見光的波長，屬于紅外線，故A錯誤，B正確．光子能量E＝heq\f(c,λ)＝6.63×10－34×eq\f(3×108,1.5×