高考物理一轮总复习专题练习39第十五章第1讲光电效应波粒二象性含答案

第十五章　近代物理初步

第1讲　光电效应　波粒二象性

一、选择题(本题共10小题，1～6题为单选，7～10题为多选)

1．(2021·河南高三月考)关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是(　C　)

A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性

B．光的频率越高，粒子性越明显

C．能量越大的光子其波动性越显著

D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下的光的波动性表现明显

[解析]　波粒二象性指光有时表现出的粒子性明显，有时表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下，光的波动性表现明显，故A、D正确不符合题意；光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B正确不符合题意，C错误符合题意。

2．(2022·江西高三月考)对黑体的认识，下列说法正确的是(　D　)

A．黑体不仅能吸收电磁波，也能反射电磁波

B．黑体是黑色的且其自身辐射电磁波

C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除了与温度有关，还与材料的种类及其表面状况有关

D．黑体是一种理想化模型，实际物体没有绝对黑体

[解析]　黑体吸收电磁波而不发生反射，黑体自身向外辐射电磁波，不一定是黑色的，故A、B错误；黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，与材料的种类及其表面状况无关，故C错误；任何物体都会反射电磁波，只吸收不反射电磁波的物体实际是不存在的，黑体是一种理想化的模型，故D正确。

3．(2021·陕西西安工业大学附中高三模拟)康普顿效应揭示了光既有能量也有动量。如图所示为X射线中的光子与晶体中的电子在碰撞前、后的示意图。则碰撞后(　C　)

A．光子的动量大小不变 B．光子的速度减小

C．光子的波长变长 D．电子的动量增加了

[解析]　光子和电子碰撞动量守恒，则光子的动量会减小，由λ＝，可知光子的波长变长，故C正确，A错误；由光速不变原理可知，光子的速度不变，故B错误；由动量守恒定律结合题意可知，电子的动量增加量小于，故D错误。

4．(2022·陕西高三月考)某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长光的强度如图所示，表中给出了三种材料的极限波长，用该光源发出的光照射。表中材料(　D　)

A．仅钠能产生光电子

B．仅钠、铜能产生光电子

C．仅铜、铂能产生光电子

D．都能产生光电子

[解析]　根据爱因斯坦光电效应方程可知，只有入射光频率大于极限频率才能发生光电效应，根据波长、波速和频率的关系c＝λf可知，只要光源的波长小于某金属的极限波长，就有光电子逸出，该光源发出的光的波长都有小于钠、铜、铂三种金属的极限波长，都能产生光电子，故选D。

5．(2021·全国高三专题练习)如图所示，在验电器上安装一个铜网，使其带电，验电器金属箔张开一定角度。用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变。再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线照射锌板时，发现金属箔张开角度减小。下列相关说法中正确的是(　B　)

A．增加紫外线的强度照射铜网，金属箔张角将变大

B．紫外线的频率大于金属锌的截止频率

C．铜网带负电

D．改用紫光照射锌板，验电器的金属箔张角也一定减小

[解析]　根据用紫外线照射铜网，验电器金属箔的张角保持不变，知此时不发生光电效应，增加紫外线的强度照射铜网，也不会发生光电效应，所以金箔张角不变，故A错误；再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处，用同一紫外线照射锌板时，发现金属箔张开角度减小，说明此时发生光电效应，从锌板逸出的光电子跑到铜网上，导致其电荷量减小，由此可知，铜网带正电，故C错误；只有紫外线的频率大于金属锌的截止频率，才会发生光电效应，故B正确；根据光电效应产生条件，当改用紫光照射，由于紫光频率小于紫外线，因此可能不发生光电效应，所以验电器金属箔张角不一定减小，故D错误。

6．(2021·山东省聊城一中一模)某实验小组要测量金属铝的逸出功，经讨论设计出如图所示实验装置，实验方法是：把铝板平放在桌面上，刻度尺紧挨着铝板垂直桌面放置，灵敏度足够高的荧光板与铝板平行，并使整个装置处于垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中；让波长为λ的单色光持续照射铝板表面，将荧光板向下移动，发现荧光板与铝板距离为d时，荧光板上刚好出现辉光．已知普朗克常量为h，光在真空中传播速度为c，电子电量为e，质量为m.下列说法正确的是(　A　)

A．金属铝的逸出功为－

B．从铝板逸出的光电子最大初动能为

C．将荧光板继续向下移动，移动过程中荧光板上的辉光强度可能保持不变

D．将荧光板继续向下移动到某一位置，并增大入射光波长，板上的辉光强度一定增强

[解析]　电子在磁场做匀速圆周运动，当电子平行铝板表面向左以最大速度飞出时，运动半径为，如图所示：

根据洛伦兹力提供向心力，qνmB＝m，电子的最大初动能：mν＝，根据爱因斯坦光电效应方程可知，mν＝hν－W，其中ν＝，联立解得金属铝的逸出功：W＝h－，故A正确，B错误；将荧光板继续向下移动，到达荧光板上的光电子增加，辉光强度增强，故C错误；增大入射光波长，则减小了入射光的频率，根据光电效应的产生条件可知，如果入射光的频率小于金属铝极限频率，则不能发生光电效应现象，板上的辉光消失，故D错误。故选A。

6．(此题放在本讲不合适，更换新题见上题)据悉，我国第四代反应堆—钍基熔盐堆能源系统(TMSR)研究已获重要突破。该反应堆以钍为核燃料，钍俘获一个中子后经过若干次β衰变转化为铀；铀的一种典型裂变产物是钡和氪，同时释放巨大能量。下列说法正确的是(　B　)

A．钍核Th有90个中子，142个质子

B．铀核裂变的核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n

C．放射性元素衰变的快慢与核内部自身因素无关，由原子所处的化学状态和外部条件决定

D．重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能减小

[解析]　原子核常用X表示，A表示核的质量数，Z表示核的电荷数，所以钍核Th有90个质子，142个中子，故A错误；铀核裂变的核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，核裂变方程遵循质量数守恒、电荷数守恒，故B正确；放射性元素衰变的快慢是由核内部自身因素决定的，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故C错误；比结合能越大的原子核越稳定，如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核的比结合能均会增大，故D错误。故选B。

7．(2022·山西高三月考)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是(　BC　)

A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε

B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍

C．能量子与电磁波的频率成正比

D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的

[解析]　由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A、D错误，B正确；能量子ε＝hν，与电磁波的频率ν成正比，C正确。

8．(2022·福建高三月考)2009年诺贝尔物理学奖得主威拉德·博伊尔和乔治·史密斯的主要成就是发明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器。他们的发明利用了爱因斯坦的光电效应原理。如图所示电路可研究光电效应规律，图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极。理想电流计可检测通过光电管的电流，理想电压表用来指示光电管两端的电压。现接通电源，用光子能量为11.5 eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0 V；现保持滑片P位置不变，以下判断正确的是(　AB　)

A．光电管阴极K射出的光电子是具有瞬时性的

B．光电管阴极材料的逸出功为5.5 eV

C．若增大入射光的强度，电流计的读数不为零

D．若用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，同时把滑片P向左移动少许，电流计的读数一定仍为零

[解析]　光电管阴极K中的电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电子具有瞬时性，故A正确；由题意可知此时遏止电压为Uc＝6.0 V，设光电管阴极材料的逸出功为W，则根据爱因斯坦光电效应方程可得11.5 eV－W＝eUc，解得W＝5.5 eV，故B正确；在入射光频率不变且A、K两端电压达到遏制电压时，无论怎样增大入射光强度，都不会有光电子到达阳极，电流计的读数都为零，故C错误；若用光子能量为10.5 eV的光照射阴极K，则此时遏止电压变为5 V，同时把滑片P向左移动少许，若此时A、K两端电压小于5 V，则电流计的读数将不为零，故D错误。

9．(2021·全国高三专题练习)1907年起，美国物理学家密里根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量，检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。按照密里根的方法进行实验时得到了某金属的Uc和ν的几组数据，并作出如图所示的图线，电子的电荷量大小为e＝1.6×10－19 C。由图线可知(　ACD　)

A．该金属的截止频率约为4.27×1014 Hz

B．该金属的逸出功约为0.48 eV

C．可以求得普朗克常量h约为6.24×10－34 J·s

D．若用波长为500 nm的紫光照射该金属，能使该金属发生光电效应

[解析]　根据光电效应方程可知Ekm＝hν－W0，而eUc＝Ekm，解得Uc＝ν－，由图像可知该金属的截止频率约为4.27×1014 Hz，选项A正确；由图像可知当Uc＝0时，W0＝hνc，由图像可知＝，解得h≈6.24×10－34J·s，W0≈1.67 eV，选项C正确，B错误；根据E＝＝ J＝2.34 eV>1.67 eV，则用波长为500 nm的紫光照射该金属，能使该金属发生光电效应，选项D正确。

10．(2022·广西南宁高三模拟)新冠疫情期间，常用测温枪测量体温。测温枪通过红外线照射到温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为电信号，计算出温度数据。已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线，如图甲所示，用该红外线照射光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，得到电流随电压变化的图像如图乙所示，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电子的电量e＝1.6×10－19 C，光速c＝3× 108 m/s，则下列说法中正确的是(　BD　)

A．将图甲的电源反接，一定不会产生电信号

B．波长10 μm的红外线在真空中的频率为3×1013 Hz

C．由图乙数据可知光电子的最大初动能为2 eV

D．若人体温度升高，则辐射红外线的强度增强，光电管转换成的光电流增大

[解析]　将图甲的电源反接，光电管两端电压不一定达到遏止电压，也可能会产生电信号，A错误；根据c＝λf，可计算得到波长10 μm的红外线在真空中的频率为3×1013 Hz，B正确；由图乙可知该光电管的遏制电压为0.02 V，故光电子的最大初动能为0.02 eV，C错误；若人体温度升高，则辐射红外线的强度增强，光电管转换成的光电流增强，D正确。

二、非选择题

11．(2022·烟台高三月考)如图所示为证实电子波存在的实验装置，从F上出来的热电子可认为初速度为零，所加的加速电压U＝104 V，电子质量为m＝9.1×10－31 kg，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电子被加速后通过小孔K1和K2后入射到薄的金箔上，发生衍射作用，结果在照相底片上形成同心圆明暗条纹，试计算(结果保留一位有效数字)

(1)电子经加速后获得的速度；

(2)电子的德布罗意波长。

[答案]　(1)6.0×107 m/s　(2)1.0×10－11 m

[解析]　(1)电子加速过程，根据动能定理有eU＝mv2，

解得v＝，代入数据得v≈6×107 m/s。

(2)根据动能和动量的定义式有Ek＝mv2＝＝，

由德布罗意公式λ＝，联立解得λ＝，代入数据得λ≈1.0×10－11 m。

12．(2022·江苏南通模拟)我国自行研制的一种大型激光器，能发出频率为ν、功率为P0的高纯度和高亮度激光。如图所示，光电管的阴极K用某金属制成，闭合开关S，当该激光射向阴极，产生了光电流。移动变阻器的滑片P，当光电流恰为零时，电压表的示数为Uc，已知普朗克常量为h，电子电荷量为e，真空中的光速为c。求：

(1)激光器发出的光子的动量p；

(2)光电管阴极K的截止频率νc。

[答案]　(1)　(2)ν－

[解析]　本题考查光子的动量和光电效应方程的应用。

(1)由p＝，λ＝，

解得p＝。

(2)由eUc＝Ekm，

又Ekm＝hν－W0，

且W0＝hνc，

解得νc＝ν－。