第十六章 第1讲　光电效应　波粒二象性练习含答案-高考物理一轮专题

这是一份第十六章 第1讲　光电效应　波粒二象性练习含答案-高考物理一轮专题，共16页。
1.了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构。
2.了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程。
3.了解放射性和原子核的衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用,知道射线的危害与防护。
4.认识原子核的结合能,了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。
5.了解人类对物质结构的探索历程。
6.通过实验,了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。
7.知道实物粒子具有波动性,了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。
【考情分析】
第1讲 光电效应 波粒二象性

1.(2024·湖南卷,1)量子技术是当前物理学应用研究的热点,下列关于量子论的说法正确的是( )
[A] 普朗克认为黑体辐射的能量是连续的
[B] 光电效应实验中,红光照射可以让电子从某金属表面逸出,若改用紫光照射也可以让电子从该金属表面逸出
[C] 康普顿研究石墨对X射线散射时,发现散射后仅有波长小于原波长的射线成分
[D] 德布罗意认为质子具有波动性,而电子不具有波动性
【答案】 B
2. (2025·内蒙古高考适应性考试)(多选)如图,不带电的锌板经紫外线短暂照射后,其前面的试探电荷q受到了斥力,则( )
[A] q带正电
[B] q远离锌板时,电势能减小
[C] 可推断锌原子核发生了β衰变
[D] 用导线连接锌板前、后表面,q受到的斥力将消失
【答案】 AB
【答案】 反射 辐射 较短 整数倍 Ek=hν-W0 动量 hλ 波动性
考点一 光电效应的规律及应用
1.“四点”提醒
(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率。
(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。
(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关。
(4)光电子不是光子,而是电子。
2.“两条”关系
(1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大。
(2)光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大。
3.“三个”关系式
(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初动能与遏止电压的关系:12mevc2=eUc。
(3)逸出功与极限频率的关系:W0=hνc。
[例1] 【光电效应的规律】(2024·黑吉辽卷,8)(多选)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子,并对光电子进行分析的科研仪器,用某一频率的X光照射某种金属表面,逸出了光电子,若增加此X光的强度,则( )
[A] 该金属逸出功增大
[B] X光的光子能量不变
[C] 逸出的光电子最大初动能增大
[D] 单位时间逸出的光电子数增多
【答案】 BD
【解析】 金属的逸出功是金属自身的固有属性,仅与金属自身有关,增加此X光的强度,该金属逸出功不变,故A错误;根据光子能量公式ε=hν可知,增加此X光的强度,X光的光子能量不变,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可知逸出的光电子最大初动能不变,故B正确,C错误;增加此X光的强度,单位时间照射到金属表面的光子变多,则单位时间逸出的光电子数增多,故D正确。
[例2] 【光电效应的电路分析】(2024·海南卷,8)利用如图所示的装置研究光电效应,单刀双掷开关S接1,用频率为ν1的光照射光电管,调节滑动变阻器,使电流表的示数刚好为0,此时电压表的示数为U1,已知电子电荷量为e,普朗克常量为h,下列说法正确的是( )
[A] 其他条件不变,增大光强,电压表示数增大
[B] 改用频率比ν1更大的光照射,调整电流表的示数为零,此时电压表示数仍为U1
[C] 其他条件不变,使开关S接2,电流表示数仍为零
[D] 光电管阴极材料的截止频率νc=ν1-eU1h
【答案】 D
【解析】 由题图可知,当开关S接1时,光电管两端所加电压是反向电压,由eU1=Ek,Ek=hν1-W0可得,eU1=hν1-W0,其他条件不变时,增大光强,电压表的示数不变,A错误;若改用频率比ν1更大的光照射时,由于金属的逸出功不变,可得遏止电压变大,即调整电流表的示数为零,此时电压表示数大于U1,B错误;其他条件不变时,当开关S接2时,光电管两端所加电压是正向电压,且hν1>W0,电流表示数不为零,C错误;由eU1=hν1-W0,W0=hνc可得,光电管阴极材料的截止频率为νc=ν1-eU1h,D正确。
考点二 光电效应的图像
光电效应的四类图像
[例3] 【Ek-ν图像】(2025·江苏盐城阶段练习)某同学在研究某金属的光电效应现象时,发现该金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。若图线在横、纵坐标轴上的截距分别为a和-b,已知电子所带电荷量为e,由图线可以得到( )
[A] 该金属的逸出功为a
[B] 截止频率为b
[C] 普朗克常量为ab
[D] 当入射光的频率为2a时,逸出光电子的最大初动能为b
【答案】 D
【解析】 根据Ek=hν-W0,并结合图像得W0=b,h=ba,νc=a,故A、B、C错误;当入射光的频率为2a时,逸出光电子的最大初动能为Ek=hν-W0=ba·2a-b=b,故D正确。
[例4] 【Uc-ν图像】(2022·河北卷,4)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知( )
[A] 钠的逸出功为hνc
[B] 钠的截止频率为8.5×1014 Hz
[C] 图中直线的斜率为普朗克常量h
[D] 遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
【答案】 A
【解析】 根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc=Ekmax,根据光电效应方程有Ekmax=hν-W0,结合题图像可知,当Uc为0时,解得W0=hνc,A正确;钠的截止频率为νc,根据图像可知,截止频率小于8.5×1014 Hz,B错误;结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc=heν-W0e,可知题图中直线的斜率表示he,C错误;根据遏止电压与入射光的频率关系式可知,遏止电压Uc与入射光频率ν呈线性关系,不是成正比,D错误。
[例5] 【I-U图像】(2024·广东湛江二模)光伏发电是提供清洁能源的方式之一,光伏发电的原理是光电效应。演示光电效应的实验装置如图甲所示,a、b、c三种光照射光电管得到的三条电流表与电压表示数之间的关系曲线如图乙所示,下列说法正确的是( )
[A] 若b光为绿光,则a光可能是紫光
[B] a光照射光电管发出光电子的最大初动能一定小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能
[C] 单位时间内a光照射光电管发出的光电子比c光照射光电管发出的光电子少
[D] 若用强度相同的a、b光照射该光电管,则单位时间内逸出的光电子数相等
【答案】 B
【解析】 由光电效应方程Ek=hν-W0及eUc=Ek,解得eUc=hν-W0,即光束照射同一块金属时只要遏止电压一样,入射光的频率就一样,遏止电压越大,入射光的频率越大,可知a光和c光的频率一样,且均小于b光的频率,若b光为绿光,则a光不可能是紫光,选项A错误;由题图乙可知Uc1>Uc2,根据Ek=eUc可知,a光照射光电管发出光电子的最大初动能小于b光照射光电管发出光电子的最大初动能,选项B正确;对于a、c两束频率相同的光来说,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,则单位时间内a光照射光电管发出的光电子比c光照射光电管发出的光电子多,选项C错误;对a、b两束不同频率的光来说,光强相同时单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,因为b光的光子频率较高,每个光子的能量较大,所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数较少,即单位时间内发出的光电子数较少,选项D错误。
考点三 光的波粒二象性 物质波
1.对光的波粒二象性的理解
2.物质波
任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长λ=hp,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。
[例6] 【波粒二象性】 关于光的波粒二象性,下列说法正确的是( )
[A] 光既具有波动性,又具有粒子性,这是互相矛盾和对立的
[B] 光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
[C] 大量光子才具有波动性,个别光子只具有粒子性
[D] 由于光既具有波动性,又具有粒子性,无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性
【答案】 D
【解析】 光既具有粒子性,又具有波动性,大量的光子波动性比较明显,个别光子粒子性比较明显,并不矛盾和对立,故A、C错误;光是概率波,不同于机械波,光的粒子性也不同于质点,即单个光子既具有粒子性也具有波动性,故B错误;由于光既具有波动性,又具有粒子性,即光的波动性与粒子性是光子本身的一种属性,故无法只用其中一种去说明光的一切行为,只能认为光具有波粒二象性,故D正确。
[例7] 【物质波】(2024·广西开学考试)中科院暗物质粒子探测卫星“悟空”的探测成果在《自然》杂志上在线发表:宇宙空间中存在着质量为m、动能为Ek的新物理粒子,科学家推测,它可能就是暗物质。普朗克常量为h。根据以上信息,这种新物理粒子的物质波的波长为( )
[A] mEk2h[B] 2mEkh
[C] 2hmEk[D] h2mEk
【答案】 D
【解析】 新物理粒子的波长为λ=hp,新物理粒子的动量为p=mv,新物理粒子的动能为Ek=12mv2=p22m,联立解得λ=h2mEk,故选D。
(满分:60分)
对点1.光电效应的规律及应用
1.(4分)(2024·湖南长沙期末)硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能的装置。下列关于光电效应的说法正确的是( )
[A] 光电效应表明光具有波动性
[B] 只要光照足够强,任何频率的光都可以引起光电效应
[C] 只要频率足够大,光照强度较弱的光也可以引起光电效应
[D] 光电子的最大初动能与光的频率成正比
【答案】 C
【解析】 光电效应表明光具有粒子性,故A错误;低于极限频率的光,光照足够强也不可以引起光电效应,故B错误;只要光频率大于金属的极限频率,光照强度较弱的光也可以引起光电效应,故C正确;由光电效应方程Ek=hν-W0,知光电子的最大初动能与光的频率不成正比,故D错误。
2.(4分)(2024·四川宜宾三模)某科技小组用如图所示的电路研究“光电效应”现象,现用频率为ν的红光照射光电管,有光电子从K极逸出。下列说法正确的是( )
[A] 使用蓝光照射比红光照射需要克服的逸出功更大
[B] 仅增大入射光的强度,从K极逃逸出的电子的最大初动能可能增大
[C] 当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时,电流表示数可能先增大后保持不变
[D] 将电源正负极反接后当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时,电流表示数不变
【答案】 C
【解析】 逸出功由金属材料本身决定,金属一定,逸出功一定,可知,使用蓝光照射与红光照射需要克服的逸出功相等,故A错误;根据光电效应方程有Ekmax=hν-W0,光电子的最大初动能由入射光的频率与逸出功共同决定,仅增大入射光的强度,从K极逃逸出的电子的最大初动能不变,故B错误;题图中电压为加速电压,当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时,加速电压逐渐增大,电流逐渐增大,当达到饱和电流后,电流保持不变,即电流表示数可能先增大后保持不变,故C正确;将电源正负极反接后,所加电压为减速电压,当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时,电流先减小,当电压达到遏止电压后,电流为0,即电流表示数先减小后不变,故D错误。
3.(11分)(2024·江苏无锡阶段练习)如图所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极K,发现电流表读数不为0。合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.8 V时,电流表读数仍不为0;当电压表读数大于或等于0.8 V 时,电流表读数为0。求:(计算结果用eV为单位)
(1)此时光电子的最大初动能的大小;
(2)该阴极材料的逸出功。
【答案】 (1)0.8 eV (2)1.7 eV
【解析】 (1)设用光子能量为2.5 eV的光照射时,光电子的最大初动能为Ek,阴极材料逸出功为W0,当反向电压达到U=0.80 V时,具有最大初动能的光电子刚好达不到阳极,
因此eU=Ek,
解得Ek=0.8 eV。
(2)由光电效应方程Ek=hν-W0,
解得W0=1.7 eV。
对点2.光电效应的图像
4.(4分)(2024·云南昆明期末)如图甲所示,闭合开关,通过调节入射光频率和改变滑动变阻器的滑片位置,使得理想微安表的读数刚好为0,得到理想电压表的示数Ue随着入射光频率ν的变化图像如图乙所示。测得直线的斜率为k、横截距为ν0,电子所带电荷量的绝对值为e,则( )
[A] 图甲中a端为电源正极
[B] K板的逸出功为kν0
[C] 普朗克常量为k
[D] 图乙中纵截距的绝对值为kν0
【答案】 D
【解析】 由题意可知,光电管加反向电压,则题图甲中a端为电源负极,选项A错误;根据光电效应方程可知eUe=12mvm2=hν-W0,即Ue=hνe-W0e,由图像可知he=k,W0e=kν0,则K板的逸出功为W0=ekν0,普朗克常量为h=ke,题图乙中纵截距的绝对值为kν0,选项D正确,B、C错误。
5.(4分)(2024·江苏南京期中)如图甲所示,三个不同光源a、b、c照射光电管阴极K发生光电效应,测得电流随电压变化的图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
[A] a、c光源频率相同
[B] a、c发光强度相同
[C] b照射时K的逸出功减小
[D] 增大正向电压,电流一直增大
【答案】 A
【解析】 根据eUc=Ekm=hν-W0,可知,入射光的频率越高,对应的遏止电压Uc越大,由题图乙可知,a光、c光的遏止电压相等,所以a、c发出的光频率相同,故A正确;同种频率的光,光强越大,饱和电流越大,a光和c光的频率相同,a光对应的饱和电流大于c光对应的饱和电流,所以a光的光强大于c光的光强,故B错误;K的逸出功仅与K的材料有关,与照射光的频率无关,故C错误;随着电压的增大,电流达到饱和电流值后不再增大,故D错误。
对点3.光的波粒二象性 物质波
6.(4分)图甲是用很弱的光做双缝干涉实验得到的不同数量的光子照射到感光胶片上的照片。图乙是1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别完成的电子衍射实验简化图,该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。关于这两个图片,下列说法正确的是( )
[A] 图甲这些照片说明光只有粒子性没有波动性
[B] 图甲这些照片说明光只有波动性没有粒子性
[C] 图乙中该实验再次说明光子具有波动性
[D] 图乙中该实验说明实物粒子具有波动性
【答案】 D
【解析】 光具有波粒二象性,题图甲说明少量光子粒子性表现明显,大量光子波动性表现明显,故A、B错误;题图乙是电子束的衍射实验,证明实物粒子具有波动性,而不是光子,故C错误,D正确。
7.(4分)一个德布罗意波长为λ1的中子和另一个德布罗意波长为λ2的氘核同向正碰后结合成一个氚核,该氚核的德布罗意波长为( )
[A] λ1λ2λ1+λ2[B] λ1λ2λ1-λ2
[C] λ1+λ22[D] λ1-λ22
【答案】 A
【解析】 中子的动量p1=hλ1,氘核的动量p2=hλ2,对撞后形成的氚核的动量p3=p2+p1,所以氚核的德布罗意波长为λ3=hp3=λ1λ2λ1+λ2,故A正确,B、C、D错误。
8.(6分)(2024·四川眉山阶段练习)(多选)关于光电效应,下列说法正确的是( )
[A] 在图1的光电效应实验中,光电子从锌板逸出,验电器带正电
[B] 图2中光电子的最大初动能Ek甲=Ek丙ν乙
[C] 由图3可知钠的逸出功小于钙的逸出功
[D] 由图4可知,若某一频率的光可以使甲金属发生光电效应,则一定也能使乙金属发生光电效应
【答案】 AC
【解析】 在题图1的光电效应实验中,光电子从锌板逸出,锌板带正电,故验电器带正电,故A正确;根据光电效应方程和动能定理可得Ek=hν-W0,Ek=eUc,题图2中甲、丙对应的遏止电压相等,乙的遏止电压最大,则光电子的最大初动能Ek甲=Ek丙