2020年高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练专题31 光电效应(解析版)

2020届高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练

专题31 光电效应

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目录

热点题型一光电效应现象和光电效应方程的应用 (1)

热点题型二光电效应的图象问题 (3)

（一）对E k－ν图象的理解 (4)

（二）对I－U图象的理解 (5)

（三）对Uc－ν图象的理解 (7)

热点题型三对光的波粒二象性的理解 (8)

【题型演练】 (9)

【题型归纳】

热点题型一光电效应现象和光电效应方程的应用

1．对光电效应的四点提醒

(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．

2．两条对应关系

(1)光强大→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→光电子的最大初动能大．

3．定量分析时应抓住三个关系式

(1)爱因斯坦光电效应方程：E k＝hν－W0.

(2)最大初动能与遏止电压的关系：E k＝eU c.

(3)逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc.

4．区分光电效应中的四组概念

(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发

射出来的电子，其本质是电子．

(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：电子吸收光子能量后，一部分克服阻碍作用做功，剩余部分转化为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能．

(3)光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．

(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量．

【例1】(2018·高考全国卷Ⅱ)用波长为300 nm 的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10

－

19

J ．已知普朗克常量为6.63×10

－34

J·s ，真空中的光速为3.00×108 m·s －

1.能使锌产生光电效应的单色光的最

低频率约为( ) A ．1×1014 Hz B ．8×1014 Hz C ．2×1015 Hz D ．8×1015 Hz

【答案】B

【解析】设单色光的最低频率为v 0，由E k ＝hv －W 0知E k ＝hv 1－W 0,0＝hv 0－W 0，又知v 1＝c λ，整理得v 0＝c λ－

E k

h

，代入数据解得v 0≈8×1014 Hz. 【变式1】．(2019·山东泰安检测)如图所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K 上时，电 路中有光电流，则

( )

A ．若增加电路中电源电压，电路中光电流一定增大

B ．若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生

C ．若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K 时，电路中一定没有光电流

D ．若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照射阴极K 时，电路中一定有光电流 【答案】D

【解析】光电流的强度与入射光的强度有关，当光越强时，光电子数目会增多，初始时电压增加光电流可能会增加，当达到饱和光电流后，再增大电压，光电流不会增大，故A 错误；将电路中电源的极性反接，

电子受到电场阻力，到达A极的数目会减小，则电路中电流会减小，甚至没有电流，故B错误；波长为λ1(λ1>λ0)的光的频率有可能大于极限频率，电路中可能有光电流，故C错误；波长为λ2(λ2<λ0)的光的频率一定大于极限频率，电路中一定有光电流，故D正确．

【变式2】(2017·高考全国卷Ⅲ)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为U a和U b、光电子的最大初动能分别为E k a和E k b.h为普朗克常量．下列说法正确的是()

A．若νa>νb，则一定有U aνb，则一定有E k a>E k b

C．若U aνb，则一定有hνa－E k a>hνb－E k b

【答案】BC

【解析】由爱因斯坦光电效应方程E km＝hν－W0，又由动能定理有E km＝eU c，当νa>νb时，E k a>E k b，U a>U b，A错误，B正确；若U a

热点题型二光电效应的图象问题

与的关①极限频率：图线与

②逸出功：图线与

W

③普朗克常量：图线的斜率

强度不

光电流与

②饱和光电流

③最大初动能：

光电

①遏止电压

②饱和光电流

③最大初动能

与入

的关系

①截止频率

②遏止电压

③普朗克常量

即

（一）对E k－ν图象的理解

由E k－ν图象可以得到的信息

(1)极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc.

(2)逸出功：图线与E k轴交点的纵坐标的绝对值E＝W0.

(3)普朗克常量：图线的斜率k＝h.

【例2】．(2019·南平市检测)用如图甲所示的装置研究光电效应现象．闭合电键S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应．图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系图象，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)，下列说法中正确的是()

A．普朗克常量为h＝

a

b

B．断开电键S后，电流表G的示数不为零

C．仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大

D．保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变

【答案】 B

【解析】由hν＝W0＋E k，变形得E k＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h＝

b

a，故A错误；断开电键S后，仍有光电子产生，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的光子数也减少，电流表G的示数要减小，

故D错误．

【变式1】(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.27，与纵轴交点坐标0.5)．由图可知()

A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz

C．该图线的斜率表示普朗克常量D．该金属的逸出功为0.5 eV

【答案】AC

【解析】图线在横轴上的截距为截止频率，A正确、B错误；由光电效应方程E k＝hν－W0，可知图线的斜

率为普朗克常量，C正确；金属的逸出功为：W0＝hν0＝6.63×10－34×4.27×1014

1.6×10－19

eV≈1.77 eV，D错误．

【变式2】.(多选)(2019·山东天成大联考)某种金属发生光电效应时，光电子的最大初动能E k与入射光频率ν的关系如图所示，E、ν0为已知量，由图线信息可知()

A．逸出功W0＝E B．图象的斜率表示普朗克常量的倒数

C．图中E与ν0的值与入射光的强度、频率均无关D．若入射光频率为3ν0，则光电子的最大初动能为3E 【答案】AC

【解析】根据光电效应方程有E k＝hν－W0，根据数学函数知图象与纵坐标的交点表示逸出功，所以逸出功W0＝E，图象的斜率表示普朗克常量，故A正确，故B错误；逸出功和极限频率的大小与入射光的强度、频率均无关，由金属本身决定，故C正确；根据光电效应方程：E k＝hν－W0，当入射光频率为3ν0，则光电子的最大初动能为2E，故D错误．

（二）对I－U图象的理解

由I－U图象可以得到的信息

(1)遏止电压U c ：图线与横轴的交点的绝对值． (2)饱和光电流I m ：电流的最大值． (3)最大初动能：E km ＝eU c .

【例2】(2019·河南新乡模拟)如图甲所示，用频率为ν0的光照射某种金属发生光电效应，测出光电流i 随电 压U 的变化图象如图乙所示，已知普朗克常量为h ，光电子带电荷量为e .下列说法中正确的是 ( )

A. 入射光越强，光电子的能量越高 B ．光电子的最大初动能为hν0

C ．该金属的逸出功为hν0—eU 0

D ．用频率为eU 0

h 的光照射该金属时不可能发生光电效应

【答案】C

【解析】根据光电效应的规律可知，入射光的频率越大，则逸出光电子的能量越大，与光强无关，选项A 错误；根据光电效应的规律，光电子的最大初动能为E km ＝hν0－W 逸出功，选项B 错误；由图象可知E km ＝ eU 0，则该金属的逸出功为hν0－eU 0，选项C 正确；频率为eU 0

h 的光的能量为hν＝ eU 0，当大于金属的逸出功(hν0

－eU 0)时，同样可发生光电效应，选项D 错误；故选C.

【变式】．在光电效应实验中，某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示．则可判断出( )

A ．甲光的频率大于乙光的频率

B ．乙光的波长大于丙光的波长

C ．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率

D ．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能 【答案】B

【解析】由图象知，甲、乙光对应的遏止电压相等，由eU c ＝E k 和hν＝W 0＋E k 得甲、乙光频率相等，A 错

误；丙光的频率大于乙光的频率，则丙光的波长小于乙光的波长，B 正确；由hνc ＝W 0得甲、乙、丙光对应的截止频率相同，C 错误；由光电效应方程知，甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子最大初动能，D 错误．

（三）对Uc －ν图象的理解 由U c －ν图象可以得到的信息

(1)截止频率νc ：图线与横轴的交点．

(2)遏止电压U c ：随入射光频率的增大而增大．

(3)普朗克常量h ：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h ＝ke .(注：此时两极之间接反向电压) 【例4】．(多选)(2019·重庆万州月考)某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压U c 与入射光频率ν的关系图象如图所示．则由图象可知 ( )

A ．该金属的逸出功等于hν0

B ．遏止电压是确定的，与入射光的频率无关

C ．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0

D ．入射光的频率为3ν0时，产生的光电子的最大初动能为hν0 【答案】AC

【解析】当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W 0＝hν0，故选项A 正确；根据光电效应方程E km ＝hν－W 0和－eU c ＝0－E km 得，U c ＝h e ν－W 0

e ，可知当入射光的频率大于极限频率时，

遏止电压与入射光的频率成线性关系，故选项B 错误；从图象上可知， 逸出功W 0＝hν0.根据光电效应方程E km ＝h ·2ν0－W 0＝hν0，故选项C 正确；E km ＝h ·3ν0－W 0＝2hν0，故选项D 错误．

【变式】. 在某次光电效应实验中，得到的遏止电压U c 与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和纵轴截距分别为k 和b ，电子电荷量的绝对值为e ，则普朗克常量可表示为________，所用材料的逸出

功可表示为________．

【答案】ek －eb

【解析】根据光电效应方程E km ＝hν－W 0及E km ＝eU c 得U c ＝hνe －W 0e ，故h e ＝k ，b ＝－W 0

e ，

得h ＝ek ，W 0＝－eb .

热点题型三 对光的波粒二象性的理解 对波粒二象性的理解

【例5】1927年戴维逊和革末完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一．如图所示的是该实验装置的简化图，下列说法正确的是( )

A ．亮条纹是电子到达概率大的地方

B ．该实验说明物质波理论是正确的

C ．该实验再次说明光子具有波动性

D ．该实验说明实物粒子具有波动性 【答案】ABD.

【解析】电子属于实物粒子，电子衍射实验说明电子具有波动性，说明物质波理论是正确的，与光的波动

性无关，B 、D 正确，C 错误；物质波也是概率波，亮条纹是电子到达概率大的地方，A 正确． 【变式1】实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是

( )

A ．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样

B ．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹

C ．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构

D ．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构 【答案】 ACD

【解析】 电子束通过双缝产生干涉图样，体现的是波动性，A 正确；β射线在云室中留下清晰的径迹，不能体现波动性，B 错误；衍射体现的是波动性，C 正确；电子显微镜利用了电子束波长短的特性，D 正确． 【变式2】关于物质的波粒二象性，下列说法正确的是 ( )

A ．光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显

B ．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性

C ．光电效应现象揭示了光的粒子性

D ．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 【答案】ABC

【解析】据ν＝c

λ可知光的波长越短则频率越大，据E ＝hν可知光能量越大，A 正确；波粒二象性是微观世

界特有的规律，一切运动的微粒都具有波粒二象性，B 正确；光电效应现象说明光具有粒子性，C 正确；由德布罗意理论知，宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，但仍具有波粒二象性，D 错误． 【题型演练】

1．用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在， 如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片．这些照片说明

( )

A ．光只有粒子性没有波动性

B ．光只有波动性没有粒子性

C ．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性

D ．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性 【答案】D

【解析】光具有波粒二象性，这些照片说明少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性，故D

正确．

2．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果光的频率不变，而减弱光的强度，则() A．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能不变

B．逸出的光电子数减少，光电子的最大初动能减小

C．逸出的光电子数不变，光电子的最大初动能减小

D．光的强度减弱到某一数值，就没有光电子逸出了

【答案】A

【解析】光的频率不变，表示光子能量不变，光的强度减弱，仍会有光电子从该金属表面逸出，逸出的光电子的最大初动能也不变；而减弱光的强度，逸出的光电子数就会减少，选项A正确．

3．在光电效应实验中，用同一种单色光，先后照射锌和银的表面，都能发生光电效应．对于这两个过程，下列四个物理过程中，一定相同的是()

A．遏止电压B．饱和光电流

C．光电子的最大初动能D．逸出功

【答案】B

【解析】同一种单色光照射不同的金属，入射光的频率和光子能量一定相同，金属逸出功不同，根据光电效应方程E km＝hν－W0知，最大初动能不同，则遏止电压不同；同一种单色光照射，入射光的强度相同，所以饱和光电流相同．故选项B正确．

4．(2019·西藏拉萨中学六次月考)关于光电效应的规律，下面说法正确的是()

A．当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，入射光的频率越高，产生的光电子最大初动能也就越大B．当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，如果入射光的强度减弱，从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加

C．对某金属来说，入射光波长必须大于一极限值才能产生光电效应

D．同一频率的光照射不同的金属，如果都能产生光电效应，则所有金属产生的光电子的最大初动能一定相同

【答案】A

【解析】根据光电效应方程E km＝hν－W0，知入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大，故A 正确．光电效应具有瞬时性，入射光的强度不影响发出光电子的时间间隔，故B错误．发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，即入射光的波长小于金属的极限波长，故C错误．不同的金属逸出功不同，根据光电效应方程E km＝hν－W0，知同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，光电

子的最大初动能不同，故D 错误．

5.(2019·北京朝阳模拟)用绿光照射一个光电管，能产生光电效应．欲使光电子从阴极逸出时最大初动能增大，可以( )

A ．改用红光照射

B ．改用紫光照射

C ．改用蓝光照射

D ．增加绿光照射时间 【答案】BC.

【解析】光电子的最大初动能与照射时间或照射强度无关，而与入射光子的能量有关，入射光子的能量越大，光电子从阴极逸出时最大初动能越大，所以本题中可以改用比绿光光子能量更大的紫光、蓝光照射，以增大光电子从阴极逸出时的最大初动能．

6. (2019·河北保定模拟)如图所示，这是一个研究光电效应的电路图，下列叙述中正确的是( )

A ．只调换电源的极性，移动滑片P ，当电流表示数为零时，电压表示数为遏止电压U 0的数值

B ．保持光照条件不变，滑片P 向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大

C ．不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数会增大

D ．阴极K 需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流 【答案】AC.

【解析】只调换电源的极性，移动滑片P ，电场力对电子做负功，当电流表示数为零时，则有eU ＝12mv 2m ，

那么电压表示数为遏止电压U 0的数值，故A 项正确；当其他条件不变，P 向右滑动，加在光电管两端的电压增加，光电子运动更快，由I ＝q

t 得电流表读数变大，若电流达到饱和电流，则电流表示数不会增大，B

项错误；只增大入射光束强度时，单位时间内光电子数变多，电流表示数变大，C 项正确；因为光电效应的发生是瞬间的，阴极K 不需要预热，所以D 项错误．

7.(2019·哈尔滨六中二次模拟)某半导体激光器发射波长为1.5×10－

6 m ，功率为5.0×10－

3 W 的连续激光．已

知可见光波长的数量级为10－

7 m ，普朗克常量h ＝6.63×10

－34

J·s ，该激光器发出的 ( )

A ．是紫外线

B ．是红外线

C ．光子能量约为1.3×10

－13

J D ．光子数约为每秒3.8×1016个

【答案】BD

【解析】波长的大小大于可见光的波长，属于红外线，故A错误，B正确．光子能量E＝h c

λ＝6.63×10

－

34×3×108

1.5×10－6J＝1.326×10－19 J，故C错误．每秒钟发出的光子数n＝

Pt

E

≈3.8×1016，故D正确．

9.(2019·辽宁鞍山一中模拟)按如图的方式连接电路，当用紫光照射阴极K时，电路中的微安表有示数．则下列正确的叙述是()

A. 如果仅将紫光的光强减弱一些，则微安表可能没有示数

B．仅将滑动变阻器的触头向右滑动一些，则微安表的示数一定增大

C．仅将滑动变阻器的触头向左滑动一些，则微安表的示数可能不变

D．仅将电源的正负极对调，则微安表仍可能有示数

【答案】CD

【解析】如果仅将紫光的光强减弱一些，则单位时间内逸出的光电子数减小，则微安表示数减小，选项A 错误；饱和光电流与入射光的强度有关，仅将滑动变阻器的触头向右滑动，不改变光的强度，则微安表的示数不一定增大；同理仅将滑动变阻器的触头向左滑动一些，则微安表的示数可能不变，故B错误，C正确．将电路中电源的极性反接后，即加上反向电压，若光电子的动能足够大，电路中还有光电流，微安表仍可能有示数，故D正确

10. (2019·河北保定模拟)如图所示，这是一个研究光电效应的电路图，下列叙述中正确的是()

A．只调换电源的极性，移动滑片P，当电流表示数为零时，电压表示数为遏止电压U0的数值

B．保持光照条件不变，滑片P向右滑动的过程中，电流表示数将一直增大

C．不改变光束颜色和电路，增大入射光束强度，电流表示数会增大

D ．阴极K 需要预热，光束照射后需要一定的时间才会有光电流 【答案】AC.

【解析】只调换电源的极性，移动滑片P ，电场力对电子做负功，当电流表示数为零时，则有eU ＝1

2mv 2m ，

那么电压表示数为遏止电压U 0的数值，故A 项正确；当其他条件不变，P 向右滑动，加在光电管两端的电压增加，光电子运动更快，由I ＝q

t 得电流表读数变大，若电流达到饱和电流，则电流表示数不会增大，B

项错误；只增大入射光束强度时，单位时间内光电子数变多，电流表示数变大，C 项正确；因为光电效应的发生是瞬间的，阴极K 不需要预热，所以D 项错误．