人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學案：專題強化 光電效應方程及其應用

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1光電效應方程及其應用〖學習目標〗1.進一步理解愛因斯坦光電效應方程并會分析有關(guān)問題.2.會用圖像描述光電效應有關(guān)物理量之間的關(guān)系，能利用圖像求光電子的最大初動能、截止頻率和普朗克常量．一、光電效應方程Ek＝hν－W0的應用1．光電效應方程的理解(1)Ek為光電子的最大初動能，與金屬的逸出功W0和光的頻率ν有關(guān)．(2)若Ek＝0，則hν＝W0，此時的ν即為金屬的截止頻率νc.2．光電效應現(xiàn)象的有關(guān)計算(1)最大初動能的計算：Ek＝hν－W0＝hν－h(huán)νc；(2)截止頻率的計算：hνc＝W0，即νc＝eq\f(W0,h)；(3)遏止電壓的計算：－eUc＝0－Ek，即Uc＝eq\f(Ek,e)＝eq\f(hν－W0,e).某同學采用如圖1所示的裝置來研究光電效應現(xiàn)象．某單色光照射光電管的陰極K時，會發(fā)生光電效應現(xiàn)象，閉合開關(guān)S，在陽極A和陰極K之間加反向電壓，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片逐漸增大電壓，直到電流計中電流恰為零，此時電壓表顯示的電壓值U稱為遏止電壓．現(xiàn)分別用頻率為ν1和ν2的單色光照射陰極，測量到的遏止電壓分別為U1和U2，設電子質(zhì)量為m，電荷量為e，則下列關(guān)系式中不正確的是()圖1A．頻率為ν1的單色光照射陰極K時光電子的最大初速度vm1＝eq\r(\f(2eU1,m))B．陰極K金屬的截止頻率ν0＝eq\f(U2ν1－U1ν2,U2－U1)C．普朗克常量h＝eq\f(eU2－U1,ν1－ν2)D．陰極K金屬的逸出功W0＝eq\f(eU1ν2－U2ν1,ν1－ν2)〖答案〗C〖解析〗光電子在電場中做減速運動，根據(jù)動能定理得：－eU1＝0－eq\f(1,2)mvm12，則得光電子的最大初速度：vm1＝eq\r(\f(2eU1,m))，故A正確；根據(jù)愛因斯坦光電效應方程得：hν1＝eU1＋W0，hν2＝eU2＋W0，聯(lián)立可得普朗克常量為：h＝eq\f(eU1－U2,ν1－ν2)，代入可得金屬的逸出功：W0＝hν1－eU1＝eq\f(eU1ν2－U2ν1,ν1－ν2)陰極K金屬的截止頻率為ν0＝eq\f(W,h)＝eq\f(\f(eU1ν2－U2ν1,ν1－ν2),\f(eU1－U2,ν1－ν2))＝eq\f(U2ν1－U1ν2,U2－U1)故C錯誤，B、D正確．針對訓練(2020·涿鹿中學高二月考)分別用波長為λ和eq\f(3,4)λ的單色光照射同一金屬，發(fā)出的光電子的最大初動能之比為1∶2，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，則此金屬板的逸出功是多大？〖答案〗eq\f(2hc,3λ)〖解析〗由光子的能量ε＝eq\f(hc,λ)和愛因斯坦光電效應方程有Ek1＝eq\f(hc,λ)－W0，Ek2＝eq\f(4hc,3λ)－W0，又Ek1∶Ek2＝1∶2，化簡即得逸出功W0＝eq\f(2hc,3λ).二、光電效應圖像問題光電效應規(guī)律中的四類圖像圖像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(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與ν軸交點的橫坐標②逸出功W0：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值，即W0＝|－E|＝E③普朗克常量h：圖線的斜率，即h＝k入射光顏色相同、強度不同時，光電流與電壓的關(guān)系圖線①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點的橫坐標②飽和電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ek＝eUc入射光顏色不同時，光電流與電壓的關(guān)系圖線①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸交點的橫坐標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)命題角度1Ek－ν圖像(多選)在做光電效應的實驗時，某金屬被光照射發(fā)生了光電效應，實驗測得光電子的最大初動能Ek與入射光的頻率ν的關(guān)系如圖2所示，由實驗圖線可求出()圖2A．該金屬的截止頻率B．普朗克常量C．該金屬的逸出功D．單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)〖答案〗ABC〖解析〗依據(jù)光電效應方程Ek＝hν－W0可知，當Ek＝0時，ν＝νc，即Ek－ν圖像中橫坐標軸的截距在數(shù)值上等于金屬的截止頻率，A正確．圖線的斜率k＝eq\f(Ek,ν－νc)，可見圖線的斜率在數(shù)值上等于普朗克常量，B正確．根據(jù)圖像，假設圖線的延長線與Ek軸的交點為C，其截距大小為W0，有k＝eq\f(W0,νc)，而k＝h，所以，W0＝hνc，即Ek－ν圖像中縱坐標軸的截距在數(shù)值上等于金屬的逸出功，C正確．命題角度2Uc－ν圖像(多選)如圖3所示為金屬A和B的遏止電壓Uc和入射光頻率ν的關(guān)系圖像，由圖可知()圖3A．金屬A的逸出功大于金屬B的逸出功B．金屬A的截止頻率小于金屬B的截止頻率C．圖線的斜率為普朗克常量D．如果用頻率為5.5×1014Hz的入射光照射兩種金屬，從金屬A逸出的光電子的最大初動能較大〖答案〗BD〖解析〗根據(jù)Ek＝hν－W0＝eUc得Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e).當Uc＝0時，對應的頻率為截止頻率，由題圖知，金屬A的截止頻率小于金屬B的截止頻率，故B正確；金屬的逸出功為W0＝hνc，νc是截止頻率，所以金屬A的逸出功小于金屬B的逸出功，故A錯誤；根據(jù)Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)可知圖線斜率為eq\f(h,e)，故C錯誤；由于A的逸出功較小，用相同頻率的入射光照射A、B兩金屬時，從金屬A逸出的光電子的最大初動能較大，故D正確．命題角度3I－U圖像(多選)(2020·濟寧一中高二期中)如圖4所示為用某金屬研究光電效應規(guī)律得到的光電流隨電壓變化的關(guān)系圖像，用單色光1和單色光2分別照射該金屬時，逸出的光電子的最大初動能分別為Ek1和Ek2，普朗克常量為h，則下列說法正確的是()圖4A．Ek1＞Ek2B．單色光1的頻率比單色光2的頻率低C．增大單色光1的強度，其遏止電壓不變D．單色光1的入射光子數(shù)比單色光2的入射光子數(shù)多〖答案〗BCD〖解析〗根據(jù)題圖知單色光1的遏止電壓絕對值小于單色光2的遏止電壓絕對值，再根據(jù)最大初動能和遏止電壓的關(guān)系eUc＝Ek，可知Ek1＜Ek2，故A錯誤；根據(jù)光電效應方程：Ek＝hν－W0可知單色光2的頻率較高，選項B正確；光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān)，與光強無關(guān)，則增大單色光1的強度，其光電子最大初動能不變，遏止電壓不變，選項C正確；由于單色光1的飽和電流比單色光2的飽和電流大，則單色光1的入射光子數(shù)比單色光2的入射光子數(shù)多，選項D正確．1．(光電效應方程的應用)(2020·曲周一中高二期中)用氫原子發(fā)出的光照射某種金屬進行光電效應實驗，當用頻率為ν1的光照射時，遏止電壓的大小為U1，當用頻率為ν2的光照射時，遏止電壓的大小為U2.已知電子電荷量的大小為e，則下列表示普朗克常量和該種金屬的逸出功正確的是()A．h＝eq\f(eU1－U2,ν2－ν1) B．h＝eq\f(eU1＋U2,ν1－ν2)C．W0＝eq\f(eU1ν1－eU2ν2,ν1－ν2) D．W0＝eq\f(eU2ν1－eU1ν2,ν2－ν1)〖答案〗D〖解析〗根據(jù)光電效應方程得Ek＝hν－W0，根據(jù)動能定理得eUc＝Ek，聯(lián)立兩式解得Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)，Uc－ν圖像中圖線的斜率k＝eq\f(U1－U2,ν1－ν2)＝eq\f(h,e)，解得h＝eq\f(eU1－U2,ν1－ν2)；根據(jù)光電效應方程eUc1＝hν1－W0，eUc2＝hν2－W0，解得W0＝eq\f(eU2ν1－eU1ν2,ν2－ν1)，故D正確，A、B、C錯誤．2．(光電效應的Uc－ν圖像)(2021·浙江紹興市諸暨中學高二期中)如圖5甲所示，在光電效應實驗中，某同學用相同頻率的單色光分別照射陰極材料為鋅和銅的兩個不同的光電管，結(jié)果都能發(fā)生光電效應．圖乙為其中一個光電管的遏止電壓Uc隨入射光的頻率ν變化的關(guān)系圖像．對于這兩個光電管，下列判斷正確的是()圖5A．光電子的最大初動能相同B．因為材料不同，逸出功不同，所以遏止電壓Uc不同C．單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)一定相同，飽和電流也一定相同D．兩個光電管的Uc－ν圖線的斜率可能不同〖答案〗B〖解析〗根據(jù)光電效應方程hν－W0＝Ek①由于兩種不同金屬的逸出功不同，因此光電子的最大初動能不同，又由于Uce＝Ek②所以遏止電壓Uc也不同，A錯誤，B正確；由于不知道兩束光的光照強度關(guān)系，因此無法判斷單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)以及飽和電流的大小關(guān)系，C錯誤；將①②兩式聯(lián)立可得Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)可知兩個光電管的Uc－ν圖線的斜率均為k＝eq\f(h,e)，D錯誤．3．(光電效應的I－U圖像)(2020·會澤縣茚旺高級中學高二開學考試)在光電效應實驗中，飛飛同學用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖6所示．則可判斷出()圖6A．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對應的截止頻率D．甲光對應的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能〖答案〗B〖解析〗由題圖可知，丙光的最大光電流小于甲光和乙光的最大光電流，說明逸出的電子數(shù)目最少，即丙光的強度最?。深}圖可知丙光對應的光電子的初動能最大，即丙光的頻率最高(波長最小)，B項正確，D項錯誤；甲光和乙光的頻率相同，A項錯誤；由于是同一光電管，所以乙光、丙光對應的截止頻率是一樣的，C項錯誤．4．(光電效應的Ek－ν圖像)(2021·廣東深圳市高二期中)用兩種不同金屬材料a、b做光電效應實驗得