第十六章第1講　光電效應　波粒二象性-2025版高考總復習物理

[基礎(chǔ)落實練]1．(2021·遼寧卷)赫茲在研究電磁波的實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，接收電路的電極如果受到光照，就更容易產(chǎn)生電火花。此后許多物理學家相繼證實了這一現(xiàn)象，即照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。最初用量子觀點對該現(xiàn)象給予合理解釋的科學家是()A．玻爾 B．康普頓C．愛因斯坦 D．德布羅意解析：玻爾引入量子化的觀念解釋了氫原子光譜，A錯誤；康普頓提出康普頓效應，發(fā)現(xiàn)了光子不僅具有能量，還具有動量，證明了光具有粒子性，B錯誤；愛因斯坦提出光子說，從理論上解釋了光電效應的實驗現(xiàn)象，C正確；德布羅意提出一切物質(zhì)都具有波粒二象性，D錯誤。答案：C2．利用如圖所示的裝置觀察光電效應現(xiàn)象，將光束照射在金屬板上，發(fā)現(xiàn)驗電器指針沒有張開。欲使驗電器指針張開，可()A．改用逸出功更大的金屬板材料B．改用頻率更大的入射光束C．增加該光束的照射時間D．增大該光束的強度解析：改用逸出功更大的金屬板材料，更不可能發(fā)生光電效應現(xiàn)象，驗電器指針不能張開，故A錯誤；發(fā)生光電效應現(xiàn)象的條件是入射光的頻率要大于或等于金屬的極限頻率，與入射光的強度和入射光的照射時間無關(guān)，則改用頻率更大的入射光束，可以使驗電器指針張開，故B正確，C、D錯誤。答案：B3.如圖所示，分別用波長為λ、2λ的光照射光電管的陰極K，對應的遏止電壓之比為3∶1，則光電管的極限波長是()A．2λ B．3λC．4λ D．6λ解析：根據(jù)Uce＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＝eq\f(hc,λ)－eq\f(hc,λ0)，則Uc1e＝eq\f(hc,λ)－eq\f(hc,λ0)，Uc2e＝eq\f(hc,2λ)－eq\f(hc,λ0)，其中eq\f(Uc1,Uc2)＝eq\f(3,1)，解得λ0＝4λ。答案：C4．(2022·全國乙卷)一點光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10-7m的光，在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數(shù)為3×1014個。普朗克常量為h＝6.63×10-34J·s。R約為()A．1×102m B．3×102mC．6×102m D．9×102m解析：根據(jù)題述，點光源向所有方向均勻輻射，即距離點光源為R的球面上單位時間所接收的光的能量等于點光源單位時間所輻射的光的能量。點光源輻射功率P＝4πR2×nE0，其中E0＝eq\f(hc,λ)，聯(lián)立解得R≈3×102m，選項B正確。答案：B5.用如圖所示的實驗裝置研究光電效應現(xiàn)象。用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時發(fā)生了光電效應，電流表G的示數(shù)不為零，移動滑動變阻器的觸點c，發(fā)現(xiàn)當電壓表的示數(shù)大于或等于1.7V時，電流表示數(shù)為零，則在該實驗中()A．光電子的最大初動能為1.05eVB．光電管陰極的逸出功為1.7eVC．開關(guān)S斷開，電流表G示數(shù)為零D．當觸點c向a端滑動時，電壓表示數(shù)增大解析：由題可知，遏止電壓Uc＝1.7V，最大初動能Ek＝eUc＝1.7eV，A錯誤；根據(jù)光電效應方程可知，逸出功W0＝E－Ek＝1.05eV，B錯誤；斷開開關(guān)S，光電效應依然發(fā)生，有光電流，光電管、電流表、滑動變阻器構(gòu)成閉合回路，電流表中電流不為零，C錯誤；電源電壓為反向電壓，當觸點c向a端滑動時，反向電壓增大，電壓表示數(shù)增大，電流表示數(shù)減小，D正確。答案：D6．某光源發(fā)出的光由不同頻率的光組成，不同頻率的光的強度如圖所示，表中給出了某些材料的極限頻率，用該光源發(fā)出的光照射表中材料，下列說法正確的是()材料鉀鈣鎢極限頻率/(×1014Hz)5.447.7310.95A.僅鉀能產(chǎn)生光電子B．僅鎢、鈣能產(chǎn)生光電子C．僅鈣、鉀能產(chǎn)生光電子D．鎢、鈣、鉀都能產(chǎn)生光電子解析：由題圖可知，該光源發(fā)出的光的頻率大約在6×1014Hz到14×1014Hz之間，而三種材料中，極限頻率最高的鎢的極限頻率是10.95×1014Hz，小于14×1014Hz，所以該光源能使三種材料都產(chǎn)生光電子。答案：D7．(多選)根據(jù)下列圖像所反映的物理現(xiàn)象進行分析判斷，說法正確的是()A．圖甲中對應的三種光中“黃光(強)”的光子能量最強B．根據(jù)圖甲分析可知，若用橙光照射同一實驗裝置可能沒有光電流產(chǎn)生C．圖乙中現(xiàn)象說明光子不僅具有能量也具有動量D．圖丙中現(xiàn)象說明電子具有粒子性解析：因為藍光的遏止電壓最大，根據(jù)hν－W0＝eUc，則題圖甲中對應的三種光中“藍光”的光子能量最強，所以A錯誤；因為橙光的頻率比上面兩種光的小，根據(jù)題圖甲分析可知，若用橙光照射同一實驗裝置可能沒有光電流產(chǎn)生，所以B正確；題圖乙中現(xiàn)象說明光子不僅具有能量也具有動量，所以C正確；題圖丙中現(xiàn)象說明電子具有波動性，所以D錯誤。答案：BC8．(1)“測溫槍”(學名“紅外線輻射測溫儀”)具有響應快、非接觸和操作方便等優(yōu)點。它是根據(jù)黑體輻射規(guī)律設(shè)計出來的，能將接收到的人體熱輻射轉(zhuǎn)換成溫度顯示。若人體溫度升高，則人體熱輻射強度I及其極大值對應的波長λ的變化情況是________。A．I增大，λ增大 B．I增大，λ減小C．I減小，λ增大 D．I減小，λ減小(2)大量處于某激發(fā)態(tài)的氫原子輻射出多條譜線，其中最長和最短波長分別為λ1和λ2，則該激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差為________，波長為λ1的光子的動量為________。(已知普朗克常量為h，光速為c)解析：(1)若人體溫度升高，則人體的熱輻射強度I變大，由E＝hν可知對應的頻率變大，由c＝λν知對應的波長變小，選項B正確。(2)該激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差ΔE對應著輻射最短波長的光子，故能量差為ΔE＝hν＝heq\f(c,λ2)；波長為λ1的光子動量p＝eq\f(h,λ1)。答案：(1)B(2)heq\f(c,λ2)eq\f(h,λ1)[能力提升練]9.(多選)如圖是某金屬在光的照射下產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，由圖像可知()A．該金屬的逸出功為EB．入射光頻率為eq\f(ν0,2)時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為eq\f(E,2)C．入射光頻率為2ν0時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為2ED．該圖線的斜率表示普朗克常量h解析：根據(jù)愛因斯坦的光電效應方程hν－W＝Ek，由圖像可知，縱坐標的截距表示W(wǎng)，該圖線的斜率表示普朗克常量h，所以該金屬的逸出功為E，則A、D正確；由圖像可知，金屬的極限頻率為ν0，所以入射光頻率為eq\f(ν0,2)時，不能發(fā)生光電效應，則B錯誤；由于hν0＝W＝E，入射光頻率為2ν0時，代入公式解得Ek＝h·2ν0－W＝h·ν0＝E，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能為E，所以C錯誤。答案：AD10．科學探究小組使用圖甲所示的電路圖研究光電效應，圖乙為光電管發(fā)生光電效應時遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖像，已知光電子的電荷為e。下列說法正確的是()A．單刀雙擲開關(guān)S空擲時，即使能發(fā)生光電效應，電流傳感器的示數(shù)仍然為零B．為得到圖乙的圖像，單刀雙擲開關(guān)S應擲于1處C．光電管中金屬材料的逸出功為eaD．普朗克常量h＝eq\f(a,b)解析：單刀雙擲開關(guān)S空擲時，光電管兩端無電壓，若能發(fā)生光電效應，則光電子也能從K極到達A極形成光電流，即電流傳感器的示數(shù)不為零，A錯誤；若單刀雙擲開關(guān)S擲于1，則光電管兩端的電壓為正向電壓，不會得到題圖乙的圖像，B錯誤；根據(jù)Uce＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝hν－W0可得Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，由圖像可知eq\f(h,e)＝eq\f(a,b)，eq\f(W0,e)＝a，即光電管中金屬材料的逸出功W0＝ae，普朗克常量h＝eq\f(ae,b)，C正確，D錯誤。答案：C11．(多選)(2023·浙江6月卷)有一種新型光電效應量子材料，其逸出功為W0。當紫外光照射該材料時，只產(chǎn)生動能和動量單一的相干光電子束。用該電子束照射間距為d的雙縫，在與縫相距為L的觀測屏上形成干涉條紋，測得條紋間距為Δx，已知電子質(zhì)量為m，普朗克常量為h，光速為c，則()A．電子的動量pe＝eq\f(hL,dΔx)B．電子的動能Ek＝eq\f(hL2,2md2Δx2)C．光子的能量E＝W0＋eq\f(chL,dΔx)D．光子的動量p＝eq\f(W0,c)＋eq\f(h2L2,2cmd2Δx2)解析：由條紋間距Δx＝eq\f(L,d)λ、電子動量pe＝eq\f(h,λ)聯(lián)立解得eq\a\vs4\al(pe)＝eq\f(hL,dΔx)，A對；電子的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(peq\o\al(2,e),2m)，解得Ek＝eq\f(1,2m)(eq\f(hL,dΔx))2，B錯；光子的能量E＝W0＋Ek，故E＝W0＋eq\f(1,2m)(eq\f(hL,dΔx))2，C錯；光子的動量p＝eq\f(h,λ)＝eq\f(hν,c)＝eq\f(E,c)，解得p＝eq\f(W0,c)＋eq\f(h2L2,2cmd2Δx2)，D對。答案：AD12．某光電管的陰極在某單色光照射下恰好發(fā)生光電效應。陰極與陽極之間所加電壓大小為U，光電流為I。已知電子的質(zhì)量為m、電荷量為e，假設(shè)光電子垂直碰撞陽極且碰撞后即被吸收，則光電子對陽極板的平均作用力F的大小為()A．eq\f(I,e)eq\r(2meU) B．eq\f(I,e)eq\r(meU)C．eq\f(e,I)eq\r(2meU) D．eq\f(e,I)eq\r(meU)解析：根據(jù)題意，陰極金屬恰好發(fā)生光電效應，則說明光電子離開陰極的速度為0，根據(jù)動能定理有eU＝eq\f(1,2)mv2，可得v＝eq\r(\f(2eU,m))，每個光電子到達陽極板時的動量變化量大小為Δp0＝mv＝eq\r(2meU)，設(shè)時間Δt內(nèi)有n個電子打在陽極板上，則有I＝eq\f(q,Δt)＝eq\f(ne,Δt)，由動量定理可得平均作用力為F＝neq\f(Δp0,Δt)，由以上整理得F＝eq\f(I,e)eq\r(2meU)，A正確，B、C、D錯誤。答案：A13．(2023·江蘇卷)“夸父一號”太陽探測衛(wèi)星可以觀測太陽輻射的硬X射線。硬X射線是波長很短的光子，設(shè)波長為λ。若太陽均勻地向各個方向輻射硬X射線，衛(wèi)星探測儀鏡頭正對著太陽，每秒接收到N個該種光子。已知探測儀鏡頭面積為S，衛(wèi)星離太陽中心的距離為R，普朗克常量為h，光速為c，求：(1)每個光子的動量p和能量E；(2)太陽輻射硬X射線的總功率P。解析：(1)根據(jù)德布羅意波長公式可得，每個光子的動量為p＝e