高考物理一轮复习：光电效应

试卷更新日期：2024-09-14 类型：一轮复习

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一、选择题

1. 经研究证明，光子和电子相互作用发生光电效应还是康普顿效应，取决于电子的“自由”度。当光子能量和逸出功在同一数量级时，电子吸收光子，发生光电效应；当光子能量较大时，电子的逸出功几乎可以忽略，可看做是“自由”的，则发生康普顿效应，下列说法正确的是（　　）

A、光电效应方程是从能量守恒的角度解释了光的粒子性 B、康普顿效应说明光具有波动性 C、光电效应说明了能量守恒，康普顿效应则解释了动量守恒，二者是矛盾的 D、金属只要被光照射的时间足够长，一定会发生光电效应

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2. 三位科学家由于在发现和合成量子点方面的突出贡献，荣获了2023年诺贝尔化学奖。不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光。现有两种量子点分别发出蓝光和红光，下列说法正确的是（　　）

A、蓝光光子的能量大于红光光子的能量 B、蓝光光子的动量小于红光光子的动量 C、在玻璃中传播时，蓝光的速度大于红光的速度 D、蓝光在玻璃中传播时的频率小于它在空气中传播时的频率

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3. 我国已全面进入5G时代，5G信号使用的电磁波频率是4G信号的几十倍，下列说法正确的是（）

A、4G信号电磁波比5G信号电磁波的粒子性更明显 B、5G信号电磁波的波长比4G信号电磁波的波长短 C、5G信号电磁波的光子能量比4G信号电磁波的光子能量小 D、在相同介质中5G信号比4G信号的传播速度大

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4. 某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为p ，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每秒发射的能量子数为（）

A、 $\frac{λ p}{h c}$ B、 $\frac{h p}{λ c}$ C、 $\frac{c p λ}{h}$ D、 $λ p h c$

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5. 利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关 $S_{1}$ ，用频率为 $ν_{1}$ 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 $U_{1}$ ，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、改用比 $ν_{1}$ 更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为U C、其他条件不变，使开关接 $S_{2}$ ，电流表示数仍为零 D、光电管阴极材料的截止频率 $ν_{c} = ν_{1} - \frac{e U_{1}}{h}$

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6. 中国北斗导航系统能实现车道级导航，氢原子钟现已运用于中国的北斗导航系统中，高性能的原子钟对导航精度的提高极为重要。如图为氢原子的能级示意图，现有一群氢原子处于 $n = 4$ 的能级上，下列说法正确的是（　　）

A、该氢原子向低能级跃迁最多可发出8种频率的光子 B、从 $n = 4$ 能级跃迁到 $n = 3$ 能级发出的光子能使逸出功为1 $eV$ 的金属发生光电效应现象 C、该氢原子可以吸收能量为0.32 $eV$ 的光子跃迁到 $n = 5$ 的能级 D、使该氢原子电离至少需要吸收0.85 $eV$ 的能量

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7. 如图所示，某种材料制成太阳能电池的主体部分由P型半导体和N型半导体结合而成。当太阳光照射到该材料上时，材料吸收光子发生光电效应，自由电子向N型一侧移动，从而在两端形成电势差。已知该材料至少需要吸收波长为λ的绿光才能发生光电效应，普朗克常量为h，光速为c，则（　　）

A、N型半导体电势高于P型半导体 B、该材料的逸出功为 $h \frac{λ}{c}$ C、用光强更强的黄光照射该材料，只要照射时间足够长，也能产生光电效应 D、用光强相同的紫光和蓝光照射该材料，蓝光照射时，通过负载的电流较大

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8. 下列关于物理学科的实验及其揭示的规律的说法中，不正确的是（）

A、奥斯特通过对放在通电直导线正下方的小磁针的偏转现象的分析，提出了磁生电的观点 B、康普顿通过对康普顿效应的分析，提出了光子除了具有能量之外还具有动量 C、汤姆孙通过对阴极射线在电场和磁场中的偏转情况的研究，发现了电子 D、卢瑟福猜想原子核中还存在着一种不带电的粒子，即中子，查德威克通过实验验证了中子的存在

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9. 如图所示，一个光子和一个静止的电子相互碰撞后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去且波长变长，则这个散射光子跟原来的光子相比（）

A、频率不变 B、频率变小 C、动量不变 D、动量变大

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10. 2024年5月19日，我国最大的海上光伏项目——中核田湾200万千瓦滩涂光伏示范项目在江苏连云港正式开工建设。光伏发电的主要原理是光电效应，即在光的照射下物体表面能发射出电子的现象。实验发现，用紫光照射金属锌能发生光电效应，而红光照射时不能使锌发生光电效应，这是因为（　　）

A、红光的频率小于金属锌的截止频率 B、红光光子能量大于紫光光子能量 C、红光照射的时间不够长 D、红光的强度小于紫光的强度

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11. 我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长约为100nm（ $1 n m = 1 0^{- 9} m$ ）的极紫外激光脉冲，这种极紫外激光光子可以将分子电离，而又不打碎分子。已知普朗克常量 $h = 6.6 \times 1 0^{- 34} J \cdot s$ ，则这种极紫外激光光子的动量约为（　　）

A、 $6.6 \times 1 0^{- 25} k g \cdot m / s$ B、 $6.6 \times 1 0^{- 27} k g \cdot m / s$ C、 $6.6 \times 1 0^{- 41} k g \cdot m / s$ D、 $6.6 \times 1 0^{- 50} k g \cdot m / s$

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12. 人眼对绿光最为敏感，如果每秒有 $N$ 个绿光的光子射入瞳孔，眼睛就能察觉。现有一个光源以 $P$ 的功率均匀地向各个方向发射波长为 $λ$ 的绿光，假设瞳孔在暗处的直径为 $d$ ，不计空气对光的吸收，普朗克常量为 $h$ ，光在真空中传播速度为 $c$ ，眼睛能够看到这个光源的最远距离为（　　）

A、 $\frac{d}{4} \sqrt{\frac{P λ c}{N h}}$ B、 $\frac{d}{4} \sqrt{\frac{P λ}{N h c}}$ C、 $\frac{d}{2} \sqrt{\frac{P λ c}{N h}}$ D、 $\frac{d}{2} \sqrt{\frac{P λ}{N h c}}$

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二、多项选择题

13. 我国在研究原子物理领域虽然起步较晚，但是近年对核能的开发与利用却走在了世界的前列，有关原子的相关知识，下列说法正确的是（）

A、光电效应和康普顿效应都能说明光子具有粒子性，且前者可说明光子具有能量，后者除证明光子具有能量，还可证明光子具有动量 B、原子核发生 $β$ 衰变时，产生的 $β$ 射线本质是高速电子流，因核内没有电子，所以 $β$ 射线是核外电子逸出原子形成的 C、查德威克发现中子的核反应方程为 $_{2}^{4} H e +_{4}^{9} B e \to_{6}^{12} C +_{0}^{1} n$ ，这是个聚变反应 D、氢原子的部分能级结构如图，一群处于 $n = 4$ 能级的氢原子向低能级跃迁时，发出的光照射钾板（逸出功为2.25eV），钾板表面所发出的光电子的最大初动能为10.5eV

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14. 波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有 .

A、光电效应现象揭示了光的粒子性 B、热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C、黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D、动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等

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15. 我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜 $F A S T$ ，其科学目标之一是搜索地外文明。在宁宙中，波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射，一处是波长为 $21 c m$ 的中性氢辐射，另一处是波长为 $18 c m$ 的羟基辐射。在真空中，这两种波长的辐射相比，中性氢辐射的光子（　　）

A、频率更大 B、能量更小 C、动量更小 D、传播速度更大

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16. 美国物理学家阿瑟·阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖，原来光在接触物体后，会对其产生力的作用，这个来自光的微小作用可以让微小的物体（如细胞）发生无损移动，这就是光镊技术．在光镊系统中，光路的精细控制非常重要。对此下列说法正确的是（）

A、光镊技术利用光的粒子性 B、光镊技术利用光的波动性 C、红色激光光子能量大于绿色激光光子能量 D、红色激光光子能量小于绿色激光光子能量

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17. 研究光电效应中遏止电压、光电流大小与照射光的频率及强弱等物理量关系的电路如图甲所示。图中阳极A和阴极K间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调。分别用a、b、c三束单色光照射阴极K，调节A、K间的电压U的大小，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示。已知电子的电荷量为e，则下列说法正确的是（）

A、单色光a的频率等于单色光b的频率 B、单色光a的频率大于单色光c的频率 C、单色光a的强度大于单色光b的强度 D、单色光c与单色光a的光子能量之差为 $(U_{c1} - U_{c2}) e$

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三、非选择题

18. 光电效应实验中，用波长为 $λ_{0}$ 的单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出。当波长 $\frac{λ_{0}}{2}$ 为的单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为， A、B两种光子的动量之比为。（已知普朗克常量为h、光速为c）

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19. 任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之对应，波长是λ＝ $\frac{h}{p}$ ，式中p是运动物体的动量，h是普朗克常量，人们把这种波叫做德布罗意波。现有一个德布罗意波长为λ₁的物体1和一个德布罗意波长为λ₂的物体2，二者相向正撞后粘在一起，已知|p₁|<|p₂|，则粘在一起的物体的德布罗意波长为。

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20. 如图所示，用很弱的红光做双缝实验，通过控制暴光时间记录现象，分别得到了图a、图b和图c三张相片，其中最能说明光具有波动性的相片是，这三张相片共同说明了光具有性。

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21. 研究最大尺度的宇宙学理论与研究微观世界的粒子物理、量子理论有密切联系，它们相互沟通、相互支撑。

(1)、根据量子理论，光子既有能量也有动量，光子的动量 $p = \frac{h}{λ}$ ，其中h为普朗克常量，λ为光的波长。太阳光照射到地球表面时，如同大量气体分子频繁碰撞器壁一样，会产生持续均匀的“光压力”。现将问题简化，假设太阳光垂直照射到地球上且全部被地球吸收，到达地球的每一个光子的平均能量为E=4×10^-19J，每秒钟照射到地球的光子数为N=4.5×10³⁵ ，已知真空中光速c=3×10⁸m/s。求太阳光对地球的“光压力”；（结果保留一位有效数字）

(2)、目前地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳内部核聚变时释放的核能，在长期演化过程中，太阳内部的核反应过程非常复杂，我们将其简化为氢转变为氦。已知太阳的质量为M₀=2×10³⁰kg，其中氢约占70%，太阳辐射的总功率为P₀=4×10²⁶W，氢转变为氦的过程中质量亏损约为1%，1年=3.15×10⁷s。求现有氢中的10%发生聚变需要多少年？（结果保留一位有效数字）

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22. 如图所示是研究光电效应的实验电路图，ab、cd为两正对的、半径为r的平行圆形金属板，板间距为d。当一细束频率为v的光照射极板ab圆心时，产生沿不同方向运动的光电子。调节滑片改变两板间电压，发现当电压表示数为 $U_{C}$ 时，电流表示数恰好为零。假设光电子只从极板圆心处发出，普朗克常量为h ，电子电量为e ，电子质量为m ，忽略场的边界效应和电子之间的相互作用。

(1)、求金属板的逸出功 $W_{0}$ ；

(2)、若交换电源正负极，调节滑片逐渐增大两极板间电压，使所有光电子都能打到cd板，电流达到饱和值，求此时的最小电压 $U_{0}$ ；

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23. 图甲是研究光电效应的实验原理图，阴极 $K$ 金属的逸出功为 $3.0 eV$ 。如图乙是氢原子的能级图。用大量处于 $n = 3$ 能级的氢原子跃迁发出的光照射 $K$ 极，求：
（1）有几种光可以使该金属发生光电效应，其中频率最大的光子能量是多少eV？
（2）从图示位置移动滑片P至某处，电压表示数为2.21V，光电子到达A极的最大动能为多少eV？

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24. 半圆柱形玻璃砖的横截面如图所示，O为圆心，直径MN水平，一细束单色光I沿半径方向从A处射入玻璃砖后，恰好在O点发生全反射。另一细束单色光Ⅱ平行于单色光I从最高点B射入玻璃砖后，折射到MN上的D点，OD的长度为9d ， B、D两点间的距离为25d ，单色光Ⅰ和单色光Ⅱ的频率均为 $ν$ ，光在真空中传播的速度为c。

(1)、求玻璃砖对单色光I（Ⅱ）的折射率n；

(2)、求单色光Ⅱ通过玻璃砖所用的时间t；

(3)、若单色光I（Ⅱ）光子的能量为 $E_{0}$ ，求单色光在真空（空气）中时光子的动量 $p_{0}$ 。

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25. 研究光电效应的装置如图所示，光电管的阴极K用某金属制成，闭合开关S，用频率为 $ν_{1}$ 的光照射光电管阴极K，此时电流表中有光电流，调节滑动变阻器的滑片P，当电压表的示数为 $U_{1}$ 时，微安表示数恰好变为0。已知光在真空中传播的速度为c ，电子的电荷量为e ，普朗克常量为h。

(1)、求阴极K的极限频率 $ν_{0}$ ；

(2)、若换用真空（空气）中波长为 $λ_{0}$ 的光照射光电管的阴极K，求此时的遏止电压 $U_{2}$ ；

(3)、随着科技的发展，人们发现用某强激光照射光电管阴极K时，一个电子在极短时间内能吸收3个光子，若该强激光恰好不能使阴极K发生光电效应，求该强激光的光子在真空中的动量大小 $p_{0}$ 。

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