資源簡介

(共65張PPT)
光電效應　波粒二象性
第1講
目標
要求
1.了解黑體輻射的實驗規律.2.知道什么是光電效應，理解光電效應的實驗規律，會利用光電效應方程計算逸出功、極限頻率、最大初動能等物理量.3.了解實物粒子的波動性，知道物質波的概念.
內容索引
考點一　黑體輻射及實驗規律
考點二　光電效應
考點三　光電效應中常見的四類圖像
考點四　光的波粒二象性與物質波
課時精練
考點一
黑體輻射及實驗規律
1.熱輻射
(1)定義：周圍的一切物體都在輻射 ，這種輻射與物體的 有關，所以叫熱輻射.
(2)特點：熱輻射強度按波長的分布情況隨物體 的不同而有所不同.
2.黑體、黑體輻射的實驗規律
(1)黑體：能夠 入射的各種波長的電磁波而不發生反射的物體.
梳理
必備知識
電磁波
溫度
溫度
完全吸收
(2)黑體輻射的實驗規律：
①對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除了與 有關，還與材料的 及表面狀況有關.
②黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的 有關.隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有 ，另一方面，輻射強度的極大值向波長較 的方向移動，如圖.
溫度
種類
溫度
增加
短
3.能量子
(1)定義：普朗克認為，當帶電微粒輻射或吸收能量時，只能輻射或吸收某個最小能量值ε的 ，這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子.
(2)能量子大小：ε＝ ，其中ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，h稱為普朗克常量.h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s).
整數倍
hν
1.黑體能夠反射各種波長的電磁波，但不會輻射電磁波.(　　)
2.黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加，輻射強度極大值向波長較短的方向移動.(　　)
3.玻爾為得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，提出了能量子的假說.(　　)
×
√
×
例1　(多選)關于黑體輻射的實驗規律如圖所示，下列說法正確的是
A.黑體能夠完全吸收照射到它上面的光波
B.隨著溫度的降低，各種波長的光輻射強度都有所
　增加
C.隨著溫度的升高，輻射強度極大值向波長較長的
　方向移動
D.黑體輻射的強度只與它的溫度有關，與形狀和黑體材料無關
√
√
能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁波而不發生反射的物體稱為黑體，選項A正確；
由題圖可知，隨溫度的降低，各種波長的光輻射強度都有所減小，選項B錯誤；
隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，選項C錯誤；
一般物體輻射電磁波的情況除了與溫度有關，還與材料的種類及表面情況有關，但黑體輻射電磁波的情況只與它的溫度有關，選項D正確.
例2　(2022·全國乙卷·17)一點光源以113 W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10－7 m的光，在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個.普朗克常量為h＝6.63×10－34 J·s.R約為
A.1×102 m B.3×102 m
C.6×102 m D.9×102 m
√
一個光子的能量為E＝hν，
ν為光的頻率，光的波長與頻率的關系為c＝λν，
P為光源的功率，光子以球面波的形式傳播，那么以光源為原點的球面上的光子數相同，此時距光源的距離為R處，每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個，
聯立以上各式解得R≈3×102 m，故選B.
考點二
光電效應
1.光電效應及其規律
(1)光電效應現象
照射到金屬表面的光，能使金屬中的 從表面逸出，這個現象稱為光電效應，這種電子常稱為 .
(2)光電效應的產生條件
入射光的頻率 金屬的極限頻率.
梳理
必備知識
電子
光電子
大于或等于
(3)光電效應規律
①每種金屬都有一個極限頻率νc，入射光的頻率必須 這個極限頻率才能產生光電效應.
②光電子的最大初動能與入射光的強度 ，只隨入射光 的增大而增大.
③光電效應的發生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9 s.
④當入射光的頻率大于或等于極限頻率時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，逸出的光電子數越 ，逸出光電子的數目與入射光的強度成正比，飽和電流的大小與入射光的強度成 .
大于或等于
無關
頻率
多
正比
2.愛因斯坦光電效應方程
(1)光電效應方程
①表達式：hν＝Ek＋W或Ek＝ .
②物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W，剩下的表現為逸出后電子的_______
________.
(2)逸出功W：電子從金屬中逸出所需做功的 ，W＝hνc＝ .
(3)最大初動能：發生光電效應時，金屬表面上的 吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值.
hν－W
最大
初動能
最小值
電子
1.光子和光電子都不是實物粒子.(　　)
2.只要入射光的強度足夠大，就可以使金屬發生光電效應.(　　)
3.要使某金屬發生光電效應，入射光子的能量必須大于或等于該金屬的逸出功.(　　)
4.光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比.(　　)
×
×
√
×
光電效應的分析思路
提升
關鍵能力
例3　(2023·天津市質檢)光電效應實驗中，下列表述正確的是
A.光照時間越長，光電子最大初動能越大
B.入射光足夠強就可以有光電流導出
C.遏止電壓與入射光的強度有關
D.入射光頻率小于極限頻率時，不論光照時間多長，都不能發生光電效應
√
光電子的最大初動能與光照時間無關，與入射光的頻率有關，故A錯誤；
發生光電效應的條件是入射光頻率大于或等于極限頻率，入射光強，不一定能發生光電效應，故B錯誤；
根據光電效應方程Ek＝eUc＝hν－W知遏止電壓與入射光的頻率有關，與強度無關，故C錯誤；
當入射光頻率小于極限頻率時，不論光照時間多長，都不能發生光電效應，故D正確.
例4　(2023·福建福州市模擬)某型號光電管連接在如圖的電路中，用一種單色光照射能夠使窗口發生光電效應現象，如果只增大入射光的強度，光電子最大初動能_________(選填“增大”“不變”或“減小”)，經過
測量發現此金屬逸出功為6.5 eV，現接通電源，用光子能量為11.5 eV的光照射陰極電源K，靈敏電流計中有示數，若將滑動變阻器的滑片P緩慢向右滑動，電流計的示數逐漸減小，當滑至某一位置時電流計的讀數恰好為零，此時電壓表的示數為_____V.
不變
5.0
光電子的最大初動能僅與入射光頻率有關，與光照強度無關，故光電子最大初動能不變；根據Ek＝hν－W結合Ek＝eUc，代入數據解得Uc＝5.0 V.
考點三
光電效應中常見的四類圖像
圖像名稱 圖線形狀 獲取信息
最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系 ①極限頻率νc：圖線與ν軸交點的橫坐標
②逸出功W：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W＝|－E|＝E
③普朗克常量h：圖線的斜率k＝h
遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系 ①極限頻率νc：圖線與橫軸的交點的橫坐標
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)
顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系 ①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點的橫坐標
②飽和電流：電流的最大值
③最大初動能：Ek＝eUc
顏色不同時，光電流與電壓的關系 ①遏止電壓Uc1、Uc2
②飽和電流
③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
例5　(2023·山東日照市模擬)在研究光電效應現象時，先后用單色光a、b、c照射同一光電管，所得到的光電流I與光電管兩端所加電壓U間的關系曲線如圖所示，下列說法正確的是
A.b、c兩種單色光的顏色相同
B.a、b兩種單色光的光照強度相同
C.增大c光的光照強度，電路中的飽和電流將增大
D.增大b光的光照強度，射出的光電子的最大初動能增大
√
根據題圖可知單色光c的遏止電壓小于單色光b的遏止電壓，根據eUc＝Ek＝hν－W可知，b、c兩種單色光頻率不同，所以顏色不同，故A錯誤；
由題圖可知單色光a、b的遏止電壓相同，則單色
光a、b的頻率相同，在光的頻率相同的情況下，入射光越強，飽和電流越大，單色光a的飽和電流大于單色光b的飽和電流，則單色光a的光照強度大于單色光b的光照強度，故B錯誤；
電路中的飽和電流與光照強度有關，在其他條件相同的情況下，光照強度越大，光電流越大，故增大c光的光照強度，電路中的飽和電流將增大，故C正確；
射出的光電子的最大初動能與光照強度無關，故D錯誤.
A.這三種材料中，金屬鈉的逸出功最大
B.圖中a、b兩條圖線的斜率都等于普朗克常量h
C.如果圖線a表示的材料是銅，則圖線b表示的材料是鈉
D.用波長400 nm的光分別照射這三種金屬，只有銅和鉑會發生光電效應
例6　(2023·福建泉州市模擬)下表中給出了三種金屬材料的極限頻率對應的波長，其中兩種材料發生光電效應時逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν 的關系如圖所示，則
√
材料 鈉 銅 鉑
波長(nm) 541 268 196
由表可知，金屬鈉極限頻率對應的波長最大，根據波長與頻率成反比可知，其極限頻率最小，根據W＝hνc，金屬鈉的逸出功最小，故A錯誤；
根據Ek＝hν－W，題圖中a、b兩條圖線的斜率都等于普朗克常量h，故B正確；
如果圖線a表示的材料是銅，則圖線b表示的材料的極限頻率比銅大，對應的波長比銅小，則圖線b表示的材料是鉑，故C錯誤；
用波長400 nm的光分別照射這三種金屬，該光波長只小于鈉的極限波長，只有鈉會發生光電效應，故D錯誤.
考點四
光的波粒二象性與物質波
1.光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振現象證明光具有 .
(2)光電效應說明光具有 .
(3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的 .
2.物質波
(1)概率波：光的干涉現象是大量光子的運動遵守波動規律的表現，亮條紋是光子到達概率 的地方，暗條紋是光子到達概率 的地方，因此光波又叫概率波.
梳理
必備知識
波動性
粒子性
波粒二象性
大
小
(2)物質波：任何一個運動著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都
有一種波與它對應，其波長λ＝ ，p為運動物體的動量，h為普朗克常量.
1.光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性.(　　)
2.法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子在一定條件下會表現為波動性.(　　)
√
√
例7　(多選)(2022·浙江1月選考·16)電子雙縫干涉實驗是近代證實物質波存在的實驗.如圖所示，電子槍持續發射的電子動量為1.2×10－23 kg·m/s，然后讓它們通過雙縫打到屏上.已知電子質量取9.1×10－31 kg，普朗克常量取6.6×10－34 J·s，下列說法正確的是
A.發射電子的動能約為8.0×10－15 J
B.發射電子的物質波波長約為5.5×10－11 m
C.只有成對電子分別同時通過雙縫才能發生干涉
D.如果電子是一個一個發射的，仍能得到干涉圖樣
√
√
物質波也具有波粒二象性，故電子的波動性是每個電子本身的性質，則每個電子依次通過雙縫都能發生干涉現象，只是需要大量電子顯示出干涉圖樣，故C錯誤，D正確.
例8　(2023·上海市師大附中高三月考)用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加，在屏上先后出現如圖(a)、(b)、(c)所示的圖像，則
A.圖像(a)表明光具有波動性
B.圖像(c)表明光具有粒子性
C.用紫外線觀察不到類似的圖像
D.實驗表明光是一種概率波
√
題圖(a)只有分散的亮點，表明光具有粒子性；題圖(c)呈現干涉條紋，表明光具有波動性，A、B錯誤；
紫外線也具有波粒二象性，也可以觀察到類似的圖像，C錯誤；
實驗表明光是一種概率波，D正確.
五
課時精練
1.關于光電效應，下列說法正確的是
A.極限頻率越大的金屬材料逸出功越大
B.只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能發生光電效應
C.從金屬表面逸出的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小
D.入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內逸出的光電子數就越多
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基礎落實練
逸出功W＝hνc，W∝νc，A正確；
只有照射光的頻率大于或等于金屬極限頻率，才能發生光電效應，與光照的時間無關，B錯誤；
由光電效應方程有Ek＝hν－W，知入射光頻率ν不確定時，無法確定Ek與W的關系，C錯誤；
發生光電效應的前提下，入射光的光強一定時，頻率越高，光子數越少，單位時間內逸出的光電子數越少，D錯誤．
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2.(多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有
A.光電效應現象揭示了光的粒子性
B.熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性
C.黑體輻射的實驗規律可用光的波動性解釋
D.動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波的波長也相等
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3.(2022·江蘇卷·4)上海光源通過電子－光子散射使光子能量增加，光子能量增加后
A.頻率減小 B.波長減小
C.動量減小 D.速度減小
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4.(多選)(2023·福建省莆田二中模擬)膠片電影利用光電管把“聲音的照片”還原成聲音，原理如圖所示，在電影放映機中用頻率為ν、強度不變的一極窄光束照射音軌，由于影片上各處的音軌寬窄不同，在影片移動的過程中，通過音軌后的光強隨之變化，射向光電管后，在電路中產生變化的電流，經放大電路放大后，通過喇叭就可以把聲音放出來.則
A.只減小光的頻率，一定可以還原出聲音
B.只增大光的頻率，一定可以還原出聲音
C.a端為電源正極
D.a端為電源負極
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只增大光的頻率，肯定有光電子從光電管的陰極到達陽極，從而使電路導通，一定可以還原出聲音，反之則不一定發生光電效應現象使電路導通，故A錯誤，B正確；
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光照射部分為陰極材料，光電子到達另一側，故a端為電源正極，故C正確，D錯誤.
5.(多選)在光電效應實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub，光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb，h為普朗克常量.下列說法正確的是
A.若νa＞νb，則一定有Ua＜Ub
B.若νa＞νb，則一定有Eka＞Ekb
C.若Ua＜Ub，則一定有Eka＜Ekb
D.若νa＞νb，則一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb
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由愛因斯坦光電效應方程得Ek＝hν－W，由動能定理得Ek＝eU，用a、b單色光照射同種金屬時，逸出功W相同.當νa＞νb時，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故選項A錯誤，B正確；
若Ua＜Ub，則一定有Eka＜Ekb，故選項C正確；
因逸出功相同，有W＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故選項D錯誤.
6.(多選)(2023·天津市模擬)如圖所示，甲、乙為兩束光經過同一雙縫干涉裝置后產生的干涉條紋，丙圖為光電效應實驗圖，實驗中施加反向電壓得到的光電流I與光電管兩端電壓U的關系如圖丁所示，下列說法正確的是
A.若甲光能使丙圖中產生光電流，則乙光一定
　能使丙圖中產生光電流
B.當UAK小于0，但UAK沒有達到遏止電壓時，
　流經電流表方向為從上到下
C.若甲光對應丁圖中曲線b，則乙光可能對應
　丁圖中曲線c
D.a光照射光電管產生的光電子動能一定小于b光照射光電管產生的光電子動能
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根據Δy＝ λ，可知甲光波長比乙光長，甲光頻率小于乙光，若甲光能使題圖丙中產生光電流，則乙光一定能使題圖丙中產生光電流，選項A正確；
UAK沒有達到遏止電壓時，光電子在光電管中的運動方向由右至左，電流流經電流表方向由上至下，選項B正確；
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發生光電效應產生光電子的最大初動能Ek＝hν－W，要想使得光電流為零，即反向遏止電壓靜電力做功eUc＝Ek，因此根據題圖丁可知，b、c兩種光射向同一光電管，反向遏止電壓是一樣的，說明b、c是同一種頻率的光，但是由題圖甲和題圖乙可知通過同一雙縫干涉的條紋間距不同，說明波長不同，兩者是矛盾的，選項C錯誤；
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根據上述分析可知，a光遏止電壓小，說明光子頻率比b光頻率低，由愛因斯坦光電效應方程可知，a光照射產生的光電子的最大初動能一定小于b光照射的，但是a光照射光電管產生的光電子動能不一定小于b光照射光電管產生的光電子動能，選項D錯誤.
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7.(2020·江蘇卷·12(1)(2))(1)“測溫槍”(學名“紅外線輻射測溫儀”)具有響應快、非接觸和操作方便等優點.它是根據黑體輻射規律設計出來的，能將接收到的人體熱輻射轉換成溫度顯示.若人體溫度升高，則人體熱輻射強度I及其極大值對應的波長λ的變化情況是____.
A.I增大，λ增大 B.I增大，λ減小
C.I減小，λ增大 D.I減小，λ減小
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B
若人體溫度升高，則人體的熱輻射強度I增大，由ε＝hν可知，對應的頻率ν變大，由c＝λν知對應的波長λ變小，選項B正確.
(2)大量處于某激發態的氫原子輻射出多條譜線，其中最長和最短波長分
別為λ1和λ2，則該激發態與基態的能量差為______，波長為λ1的光子的動
量為_____.(已知普朗克常量為h，光速為c)
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8.(多選)如圖所示，甲、乙、丙、丁是關于光電效應的四個圖像(電子電荷量為e)，以下說法正確的是
A.由圖甲可求得普朗克常量h＝
B.由圖乙可知虛線對應金屬的逸出功比
　實線對應金屬的逸出功小
C.由圖丙可知在光的顏色不變的情況下，
　入射光越強，飽和電流越大
D.由圖丁可知電壓越高，則光電流越大
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能力綜合練
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根據愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W可知，題圖乙中縱軸截距的絕對值表示逸出功，則實線對應金屬的逸出功比虛線對應金屬的逸出功大，故B正確；
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入射光頻率一定，飽和電流由入射光的強度決定，即光的顏色不變的情況下，入射光越強，光子數越多，飽和電流越大，故C正確；
分析題圖丁可知，當達到飽和電流以后，增加光電管兩端的電壓，光電流不變，故D錯誤.
9.用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現象，實驗裝置示意圖如圖甲所示，實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關系如圖乙所示，圖線與橫軸交點的橫坐標為5.15×1014 Hz.已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s.則下列說法中正確的是
A.欲測遏止電壓，應選擇電源左端為正極
B.當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑
　片向右滑動，電流表的示數持續增大
C.增大照射光的強度，產生的光電子的最
　大初動能一定增大
D.如果實驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014 Hz，則產生的光電子的最大初動能
　約為1.2×10－19 J
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遏止電壓產生的電場對電子起阻礙作用，則電源的右端為正極，故A錯誤；
當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，加速電場增強，電流增加到一定值后不再增加，故B錯誤；
由Ek＝hν－W可知，最大初動能與光的強度無關，故C錯誤；
Ek＝hν－W＝hν－hνc，νc＝5.15×1014 Hz，代入數值求得Ek≈1.2×
10－19 J，故D正確.
C.用波長為2λ的光照射鋅板時，電流計的示數較大
D.用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時，二者遏止電壓之比為1∶3
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10.(2023·福建省福州第一中學模擬)如圖所示為研究光電效應的裝置，當分別用波長為2λ、λ的單色光照射鋅板時，從鋅板表面逸出的光電子的最大初速度之比為1∶3，電流計的示數均不為零.已知光在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則
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用波長不同的兩種單色光照射鋅板都能發生光電效應，但是兩種光的強度關系不確定，則單位時間內逸出光電子的數量不確定，不能比較光電流的大小關系，故C錯誤；
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用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時，因Uce＝Ek，且光電子的最大初速度之比為1∶3，則最大初動能之比為1∶9，所以二者遏止電壓之比為1∶9，故D錯誤.
11.(多選)(2023·浙江省高三檢測)如圖所示為研究光電效應的實驗裝置，此時滑片P位于中點O的正上方，用光束照射光電管的極板K，電流表的指針發生偏轉.移動滑片P，當電流表示數恰好為0時，電壓表指針指向某一刻度，下列說法正確的是
A.滑片P應向右滑動
B.電流表示數恰好為0時，電壓表示數為遏止電壓的大小
C.電壓表指針指向某一刻度后，再移動滑片P，指針將不
　再偏轉
D.用某種頻率的光照射，電流表示數恰好為0時，讀取電壓表示數；換用另一
　種頻率的光，同樣操作后也讀取電壓表示數，若兩種光頻率和電子電荷量已
　知，就可以測定普朗克常量
√
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分析可知光電管應加上反向電壓，故滑片P向左滑動，A錯誤；
電流表示數恰好為0時，電壓表的示數為遏止電壓的大小，B正確；
電壓表測量滑動變阻器部分兩端電壓，指針一直偏轉，C錯誤；
由eUc＝hν－W可知，兩組數據可以測定普朗克常量，D正確.
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√
素養提升練
12.(2023·山東淄博市模擬)某光電管的陰極在某單色光照射下恰好發生光電效應.陰極與陽極之間所加電壓大小為U，光電流為I.已知電子的質量為m、電荷量為e，假設光電子垂直碰撞陽極且碰撞后即被吸收，則光電子對陽極板的平均作用力F的大小為
1
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根據題意，陰極金屬恰好發生光電效應，
則說明光電子離開陰極的速度為0，考情分析 光電效應 2022·河北卷·T4　2021·海南卷·T3　2021·江蘇卷·T8 2019·天津卷·T5　2018·全國卷Ⅱ·T17
能級躍遷、光子的動量 2022·廣東卷·T5　2022·浙江6月選考·T7　2022·北京卷·T1 2022·重慶卷·T6　2020·江蘇卷·T12(2)　2019·全國卷Ⅰ·T14
黑體輻射、原子核式結構實驗、物質波 2022·浙江1月選考·T16　2020·天津卷·T1　2020·江蘇卷·T12(1)
原子核的衰變、半衰期 2022·全國甲卷·T17　2022·山東卷·T1　2022·浙江6月選考·T14 2021·全國甲卷·T17　2021·全國乙卷·T17　2021·山東卷·T1 2021·廣東卷·T1　2021·湖南卷·T1　2021·河北卷·T1 2021·福建卷·T9　2021·重慶卷·T2　2020·全國卷Ⅲ·T19
核反應、核能 2022·浙江1月選考·T14　2022·湖北卷·T1　2022·遼寧卷·T2 2021·浙江6月選考·T14　2021·北京卷·T1　2021·海南卷·T5 2021·江蘇卷·T1　2020·全國卷Ⅰ·T19　2020·全國卷Ⅱ·T18 2020·浙江7月選考·T14　2019·全國卷Ⅱ·T15
試題情境 生活實踐類 醫用放射性核素、霓虹燈、氖管、光譜儀、原子鐘、威耳遜云室、射線測厚儀、原子彈、反應堆與核電站、太陽、氫彈、環流器裝置等
學習探究類 光電效應現象、光的波粒二象性、原子的核式結構模型、氫原子光譜、原子的能級結構、射線的危害與防護、原子核的結合能、核裂變反應和核聚變反應等
第1講　光電效應　波粒二象性
目標要求　1.了解黑體輻射的實驗規律.2.知道什么是光電效應，理解光電效應的實驗規律，會利用光電效應方程計算逸出功、極限頻率、最大初動能等物理量.3.了解實物粒子的波動性，知道物質波的概念．
考點一　黑體輻射及實驗規律
1．熱輻射
(1)定義：周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關，所以叫熱輻射．
(2)特點：熱輻射強度按波長的分布情況隨物體溫度的不同而有所不同．
2．黑體、黑體輻射的實驗規律
(1)黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射的物體．
(2)黑體輻射的實驗規律：
①對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除了與溫度有關，還與材料的種類及表面狀況有關．
②黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關．隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加，另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，如圖．
3．能量子
(1)定義：普朗克認為，當帶電微粒輻射或吸收能量時，只能輻射或吸收某個最小能量值ε的整數倍，這個不可再分的最小能量值ε叫作能量子．
(2)能量子大小：ε＝hν，其中ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，h稱為普朗克常量．h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)．
1．黑體能夠反射各種波長的電磁波，但不會輻射電磁波．(　×　)
2．黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與溫度有關，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強度都增加，輻射強度極大值向波長較短的方向移動．(　√　)
3．玻爾為得出黑體輻射的強度按波長分布的公式，提出了能量子的假說．(　×　)
例1　(多選)關于黑體輻射的實驗規律如圖所示，下列說法正確的是(　　)
A．黑體能夠完全吸收照射到它上面的光波
B．隨著溫度的降低，各種波長的光輻射強度都有所增加
C．隨著溫度的升高，輻射強度極大值向波長較長的方向移動
D．黑體輻射的強度只與它的溫度有關，與形狀和黑體材料無關
答案　AD
解析　能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁波而不發生反射的物體稱為黑體，選項A正確；由題圖可知，隨溫度的降低，各種波長的光輻射強度都有所減小，選項B錯誤；隨著溫度的升高，黑體輻射強度的極大值向波長較短的方向移動，選項C錯誤；一般物體輻射電磁波的情況除了與溫度有關，還與材料的種類及表面情況有關，但黑體輻射電磁波的情況只與它的溫度有關，選項D正確．
例2　(2022·全國乙卷·17)一點光源以113 W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10－7 m的光，在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個．普朗克常量為h＝6.63×10－34 J·s.R約為(　　)
A．1×102 m B．3×102 m
C．6×102 m D．9×102 m
答案　B
解析　一個光子的能量為E＝hν，
ν為光的頻率，光的波長與頻率的關系為c＝λν，
光源每秒發出的光子的個數為n＝＝，
P為光源的功率，光子以球面波的形式傳播，那么以光源為原點的球面上的光子數相同，此時距光源的距離為R處，每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個，那么此處的球面的表面積為S＝4πR2，則＝3×1014，
聯立以上各式解得R≈3×102 m，故選B.
考點二　光電效應
1．光電效應及其規律
(1)光電效應現象
照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個現象稱為光電效應，這種電子常稱為光電子．
(2)光電效應的產生條件
入射光的頻率大于或等于金屬的極限頻率．
(3)光電效應規律
①每種金屬都有一個極限頻率νc，入射光的頻率必須大于或等于這個極限頻率才能產生光電效應．
②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大．
③光電效應的發生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9 s.
④當入射光的頻率大于或等于極限頻率時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，逸出的光電子數越多，逸出光電子的數目與入射光的強度成正比，飽和電流的大小與入射光的強度成正比．
2．愛因斯坦光電效應方程
(1)光電效應方程
①表達式：hν＝Ek＋W或Ek＝hν－W.
②物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W，剩下的表現為逸出后電子的最大初動能．
(2)逸出功W：電子從金屬中逸出所需做功的最小值，W＝hνc＝h.
(3)最大初動能：發生光電效應時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值．
1．光子和光電子都不是實物粒子．(　×　)
2．只要入射光的強度足夠大，就可以使金屬發生光電效應．(　×　)
3．要使某金屬發生光電效應，入射光子的能量必須大于或等于該金屬的逸出功．(　√　)
4．光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比．(　×　)
光電效應的分析思路
例3　(2023·天津市質檢)光電效應實驗中，下列表述正確的是(　　)
A．光照時間越長，光電子最大初動能越大
B．入射光足夠強就可以有光電流導出
C．遏止電壓與入射光的強度有關
D．入射光頻率小于極限頻率時，不論光照時間多長，都不能發生光電效應
答案　D
解析　光電子的最大初動能與光照時間無關，與入射光的頻率有關，故A錯誤；發生光電效應的條件是入射光頻率大于或等于極限頻率，入射光強，不一定能發生光電效應，故B錯誤；根據光電效應方程Ek＝eUc＝hν－W知遏止電壓與入射光的頻率有關，與強度無關，故C錯誤；當入射光頻率小于極限頻率時，不論光照時間多長，都不能發生光電效應，故D正確．
例4　(2023·福建福州市模擬)某型號光電管連接在如圖的電路中，用一種單色光照射能夠使窗口發生光電效應現象，如果只增大入射光的強度，光電子最大初動能________(選填“增大”“不變”或“減小”)，經過測量發現此金屬逸出功為6.5 eV，現接通電源，用光子能量為11.5 eV的光照射陰極電源K，
靈敏電流計中有示數，若將滑動變阻器的滑片P緩慢向右滑動，電流計的示數逐漸減小，當滑至某一位置時電流計的讀數恰好為零，此時電壓表的示數為________V.
答案　不變　5.0
解析　光電子的最大初動能僅與入射光頻率有關，與光照強度無關，故光電子最大初動能不變；根據Ek＝hν－W結合Ek＝eUc，代入數據解得Uc＝5.0 V.
考點三　光電效應中常見的四類圖像
圖像名稱 圖線形狀 獲取信息
最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系 ①極限頻率νc：圖線與ν軸交點的橫坐標 ②逸出功W：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W＝|－E|＝E ③普朗克常量h：圖線的斜率k＝h
遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系 ①極限頻率νc：圖線與橫軸的交點的橫坐標 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)
顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系 ①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點的橫坐標 ②飽和電流：電流的最大值 ③最大初動能：Ek＝eUc
顏色不同時，光電流與電壓的關系 ①遏止電壓Uc1、Uc2 ②飽和電流 ③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
例5　(2023·山東日照市模擬)在研究光電效應現象時，先后用單色光a、b、c照射同一光電管，所得到的光電流I與光電管兩端所加電壓U間的關系曲線如圖所示，下列說法正確的是(　　)
A．b、c兩種單色光的顏色相同
B．a、b兩種單色光的光照強度相同
C．增大c光的光照強度，電路中的飽和電流將增大
D．增大b光的光照強度，射出的光電子的最大初動能增大
答案　C
解析　根據題圖可知單色光c的遏止電壓小于單色光b的遏止電壓，根據eUc＝Ek＝hν－W可知，b、c兩種單色光頻率不同，所以顏色不同，故A錯誤；由題圖可知單色光a、b的遏止電壓相同，則單色光a、b的頻率相同，在光的頻率相同的情況下，入射光越強，飽和電流越大，單色光a的飽和電流大于單色光b的飽和電流，則單色光a的光照強度大于單色光b的光照強度，故B錯誤；電路中的飽和電流與光照強度有關，在其他條件相同的情況下，光照強度越大，光電流越大，故增大c光的光照強度，電路中的飽和電流將增大，故C正確；射出的光電子的最大初動能與光照強度無關，故D錯誤．
例6　(2023·福建泉州市模擬)下表中給出了三種金屬材料的極限頻率對應的波長，其中兩種材料發生光電效應時逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν 的關系如圖所示，則(　　)
材料 鈉 銅 鉑
波長(nm) 541 268 196
A．這三種材料中，金屬鈉的逸出功最大
B．圖中a、b兩條圖線的斜率都等于普朗克常量h
C．如果圖線a表示的材料是銅，則圖線b表示的材料是鈉
D．用波長400 nm的光分別照射這三種金屬，只有銅和鉑會發生光電效應
答案　B
解析　由表可知，金屬鈉極限頻率對應的波長最大，根據波長與頻率成反比可知，其極限頻率最小，根據W＝hνc，金屬鈉的逸出功最小，故A錯誤；根據Ek＝hν－W，題圖中a、b兩條圖線的斜率都等于普朗克常量h，故B正確；如果圖線a表示的材料是銅，則圖線b表示的材料的極限頻率比銅大，對應的波長比銅小，則圖線b表示的材料是鉑，故C錯誤；用波長400 nm的光分別照射這三種金屬，該光波長只小于鈉的極限波長，只有鈉會發生光電效應，故D錯誤．
考點四　光的波粒二象性與物質波
1．光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振現象證明光具有波動性．
(2)光電效應說明光具有粒子性．
(3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性．
2．物質波
(1)概率波：光的干涉現象是大量光子的運動遵守波動規律的表現，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波．
(2)物質波：任何一個運動著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都有一種波與它對應，其波長λ＝，p為運動物體的動量，h為普朗克常量．
1．光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性．(　√　)
2．法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子在一定條件下會表現為波動性．(　√　)
例7　(多選)(2022·浙江1月選考·16)電子雙縫干涉實驗是近代證實物質波存在的實驗．如圖所示，電子槍持續發射的電子動量為1.2×10－23 kg·m/s，然后讓它們通過雙縫打到屏上．已知電子質量取9.1×10－31 kg，普朗克常量取6.6×10－34 J·s，下列說法正確的是(　　)
A．發射電子的動能約為8.0×10－15 J
B．發射電子的物質波波長約為5.5×10－11 m
C．只有成對電子分別同時通過雙縫才能發生干涉
D．如果電子是一個一個發射的，仍能得到干涉圖樣
答案　BD
解析　根據動量的大小與動能的關系可知發射電子的動能約為Ek＝＝ J≈
8.0×10－17 J，故A錯誤；發射電子的物質波波長約為λ＝＝ m＝5.5×10－11 m，故B正確；物質波也具有波粒二象性，故電子的波動性是每個電子本身的性質，則每個電子依次通過雙縫都能發生干涉現象，只是需要大量電子顯示出干涉圖樣，故C錯誤，D正確．
例8　(2023·上海市師大附中高三月考)用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗，隨著時間的增加，在屏上先后出現如圖(a)、(b)、(c)所示的圖像，則(　　)
A．圖像(a)表明光具有波動性
B．圖像(c)表明光具有粒子性
C．用紫外線觀察不到類似的圖像
D．實驗表明光是一種概率波
答案　D
解析　題圖(a)只有分散的亮點，表明光具有粒子性；題圖(c)呈現干涉條紋，表明光具有波動性，A、B錯誤；紫外線也具有波粒二象性，也可以觀察到類似的圖像，C錯誤；實驗表明光是一種概率波，D正確．
課時精練
1．關于光電效應，下列說法正確的是(　　)
A．極限頻率越大的金屬材料逸出功越大
B．只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能發生光電效應
C．從金屬表面逸出的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小
D．入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內逸出的光電子數就越多
答案　A
解析　逸出功W＝hνc，W∝νc，A正確；只有照射光的頻率大于或等于金屬極限頻率，才能發生光電效應，與光照的時間無關，B錯誤；由光電效應方程有Ek＝hν－W，知入射光頻率ν不確定時，無法確定Ek與W的關系，C錯誤；發生光電效應的前提下，入射光的光強一定時，頻率越高，光子數越少，單位時間內逸出的光電子數越少，D錯誤．
2．(多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征，以下說法正確的有(　　)
A．光電效應現象揭示了光的粒子性
B．熱中子束射到晶體上產生衍射圖樣說明中子具有波動性
C．黑體輻射的實驗規律可用光的波動性解釋
D．動能相等的質子和電子，它們的德布羅意波的波長也相等
答案　AB
3．(2022·江蘇卷·4)上海光源通過電子－光子散射使光子能量增加，光子能量增加后(　　)
A．頻率減小 B．波長減小
C．動量減小 D．速度減小
答案　B
解析　根據ε＝hν可知光子的能量增加后，光子的頻率增加，又根據λ＝，可知光子波長減小，故A錯誤，B正確；根據p＝，可知光子的動量增加，又因為光子質量不變，根據p＝mv可知光子速度增加，故C、D錯誤．
4．(多選)(2023·福建省莆田二中模擬)膠片電影利用光電管把“聲音的照片”還原成聲音，原理如圖所示，在電影放映機中用頻率為ν、強度不變的一極窄光束照射音軌，由于影片上各處的音軌寬窄不同，在影片移動的過程中，通過音軌后的光強隨之變化，射向光電管后，在電路中產生變化的電流，經放大電路放大后，通過喇叭就可以把聲音放出來．則(　　)
A．只減小光的頻率，一定可以還原出聲音
B．只增大光的頻率，一定可以還原出聲音
C．a端為電源正極
D．a端為電源負極
答案　BC
解析　只增大光的頻率，肯定有光電子從光電管的陰極到達陽極，從而使電路導通，一定可以還原出聲音，反之則不一定發生光電效應現象使電路導通，故A錯誤，B正確；光照射部分為陰極材料，光電子到達另一側，故a端為電源正極，故C正確，D錯誤．
5．(多選)在光電效應實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub，光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb，h為普朗克常量．下列說法正確的是(　　)
A．若νa＞νb，則一定有Ua＜Ub
B．若νa＞νb，則一定有Eka＞Ekb
C．若Ua＜Ub，則一定有Eka＜Ekb
D．若νa＞νb，則一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb
答案　BC
解析　由愛因斯坦光電效應方程得Ek＝hν－W，由動能定理得Ek＝eU，用a、b單色光照射同種金屬時，逸出功W相同．當νa＞νb時，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故選項A錯誤，B正確；若Ua＜Ub，則一定有Eka＜Ekb，故選項C正確；因逸出功相同，有W＝ hνa－ Eka＝ hνb－ Ekb，故選項D錯誤．
6．(多選)(2023·天津市模擬)如圖所示，甲、乙為兩束光經過同一雙縫干涉裝置后產生的干涉條紋，丙圖為光電效應實驗圖，實驗中施加反向電壓得到的光電流I與光電管兩端電壓U的關系如圖丁所示，下列說法正確的是(　　)
A．若甲光能使丙圖中產生光電流，則乙光一定能使丙圖中產生光電流
B．當UAK小于0，但UAK沒有達到遏止電壓時，流經電流表方向為從上到下
C．若甲光對應丁圖中曲線b，則乙光可能對應丁圖中曲線c
D．a光照射光電管產生的光電子動能一定小于b光照射光電管產生的光電子動能
答案　AB
解析　根據Δy＝λ，可知甲光波長比乙光長，甲光頻率小于乙光，若甲光能使題圖丙中產生光電流，則乙光一定能使題圖丙中產生光電流，選項A正確；UAK沒有達到遏止電壓時，光電子在光電管中的運動方向由右至左，電流流經電流表方向由上至下，選項B正確；發生光電效應產生光電子的最大初動能Ek＝hν－W，要想使得光電流為零，即反向遏止電壓靜電力做功eUc＝Ek，因此根據題圖丁可知，b、c兩種光射向同一光電管，反向遏止電壓是一樣的，說明b、c是同一種頻率的光，但是由題圖甲和題圖乙可知通過同一雙縫干涉的條紋間距不同，說明波長不同，兩者是矛盾的，選項C錯誤；根據上述分析可知，a光遏止電壓小，說明光子頻率比b光頻率低，由愛因斯坦光電效應方程可知，a光照射產生的光電子的最大初動能一定小于b光照射的，但是a光照射光電管產生的光電子動能不一定小于b光照射光電管產生的光電子動能，選項D錯誤．
7．(2020·江蘇卷·12(1)(2))(1)“測溫槍”(學名“紅外線輻射測溫儀”)具有響應快、非接觸和操作方便等優點．它是根據黑體輻射規律設計出來的，能將接收到的人體熱輻射轉換成溫度顯示．若人體溫度升高，則人體熱輻射強度I及其極大值對應的波長λ的變化情況是________．
A．I增大，λ增大 B．I增大，λ減小
C．I減小，λ增大 D．I減小，λ減小
(2)大量處于某激發態的氫原子輻射出多條譜線，其中最長和最短波長分別為λ1和λ2，則該激發態與基態的能量差為________，波長為λ1的光子的動量為________．(已知普朗克常量為h，光速為c)
答案　(1)B　(2)h　
解析　(1)若人體溫度升高，則人體的熱輻射強度I增大，由ε＝hν可知，對應的頻率ν變大，由c＝λν知對應的波長λ變小，選項B正確．
(2)該激發態與基態的能量差ΔE對應著輻射最短波長的光子，故能量差為ΔE＝hν＝h；波長為λ1的光子的動量p＝.
8．(多選)如圖所示，甲、乙、丙、丁是關于光電效應的四個圖像(電子電荷量為e)，以下說法正確的是(　　)
A．由圖甲可求得普朗克常量h＝
B．由圖乙可知虛線對應金屬的逸出功比實線對應金屬的逸出功小
C．由圖丙可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大
D．由圖丁可知電壓越高，則光電流越大
答案　BC
解析　根據光電效應方程，結合動能定理可知eUc＝Ek＝hν－W＝hν－hνc，變式可得Uc＝ν－νc，斜率k＝＝，解得普朗克常量為h＝，故A錯誤；根據愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W可知，題圖乙中縱軸截距的絕對值表示逸出功，則實線對應金屬的逸出功比虛線對應金屬的逸出功大，故B正確；入射光頻率一定，飽和電流由入射光的強度決定，即光的顏色不變的情況下，入射光越強，光子數越多，飽和電流越大，故C正確；分析題圖丁可知，當達到飽和電流以后，增加光電管兩端的電壓，光電流不變，故D錯誤．
9．用金屬銣為陰極的光電管，觀測光電效應現象，實驗裝置示意圖如圖甲所示，實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關系如圖乙所示，圖線與橫軸交點的橫坐標為5.15×1014 Hz.已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s.則下列說法中正確的是(　　)
A．欲測遏止電壓，應選擇電源左端為正極
B．當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，電流表的示數持續增大
C．增大照射光的強度，產生的光電子的最大初動能一定增大
D．如果實驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014 Hz，則產生的光電子的最大初動能約為1.2×10－19 J
答案　D
解析　遏止電壓產生的電場對電子起阻礙作用，則電源的右端為正極，故A錯誤；當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，加速電場增強，電流增加到一定值后不再增加，故B錯誤；由Ek＝hν－W可知，最大初動能與光的強度無關，故C錯誤；Ek＝hν－W＝hν－hνc，νc＝5.15×1014 Hz，代入數值求得Ek≈1.2×10－19 J，故D正確．
10.(2023·福建省福州第一中學模擬)如圖所示為研究光電效應的裝置，當分別用波長為2λ、λ的單色光照射鋅板時，從鋅板表面逸出的光電子的最大初速度之比為1∶3，電流計的示數均不為零．已知光在真空中的傳播速度為c，普朗克常量為h，則 (　　)
A．鋅板的逸出功為
B．鋅板的極限頻率為
C．用波長為2λ的光照射鋅板時，電流計的示數較大
D．用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時，二者遏止電壓之比為1∶3
答案　B
解析　根據愛因斯坦光電效應方程可知mvm2＝－hνc，m(3vm)2 ＝－hνc，解得νc＝，逸出功W＝hνc＝，故A錯誤，B正確；用波長不同的兩種單色光照射鋅板都能發生光電效應，但是兩種光的強度關系不確定，則單位時間內逸出光電子的數量不確定，不能比較光電流的大小關系，故C錯誤；用波長為2λ、λ的單色光分別照射鋅板時，因Uce＝Ek，且光電子的最大初速度之比為1∶3，則最大初動能之比為1∶9，所以二者遏止電壓之比為1∶9，故D錯誤．
11.(多選)(2023·浙江省高三檢測)如圖所示為研究光電效應的實驗裝置，此時滑片P位于中點O的正上方，用光束照射光電管的極板K，電流表的指針發生偏轉．移動滑片P，當電流表示數恰好為0時，電壓表指針指向某一刻度，下列說法正確的是(　　)
A．滑片P應向右滑動
B．電流表示數恰好為0時，電壓表示數為遏止電壓的大小
C．電壓表指針指向某一刻度后，再移動滑片P，指針將不再偏轉
D．用某種頻率的光照射，電流表示數恰好為0時，讀取電壓表示數；換用另一種頻率的光，同樣操作后也讀取電壓表示數，若兩種光頻率和電子電荷量已知，就可以測定普朗克常量
答案　BD
解析　分析可知光電管應加上反向電壓，故滑片P向左滑動，A錯誤；電流表示數恰好為0時，電壓表的示數為遏止電壓的大小，B正確；電壓表測量滑動變阻器部分兩端電壓，指針一直偏轉，C錯誤；由eUc＝hν－W可知，兩組數據可以測定普朗克常量，D正確．
12．(2023·山東淄博市模擬)某光電管的陰極在某單色光照射下恰好發生光電效應．陰極與陽極之間所加電壓大小為U，光電流為I.已知電子的質量為m、電荷量為e，假設光電子垂直碰撞陽極且碰撞后即被吸收，則光電子對陽極板的平均作用力F的大小為(　　)
A. B.
C. D.
答案　A
解析　根據題意，陰極金屬恰好發生光電效應，則說明光電子離開陰極的速度為0，根據動能定理有eU＝mv2，可得v＝，每個光電子到達陽極板時的動量變化量大小為Δp0＝mv＝，設時間Δt內有n個電子打在陽極板上，則有I＝＝，由動量定理可得平均作用力為F＝n，由以上整理得F＝，A正確，B、C、D錯誤．

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