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粵教版高中物理選擇性必修第三冊第四章波粒二象性章末小結與素養(yǎng)評價課件+檢測含答案(教師用)

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粵教版高中物理選擇性必修第三冊第四章波粒二象性章末小結與素養(yǎng)評價課件+檢測含答案(教師用)

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第四章 階段評價查缺漏
(本試卷滿分:100分)
一、單項選擇題(本題共7小題,每小題4分,共28分。在每小題給出的四個選項中,只有一項是符合題目要求的。)
1.關于光電效應的規(guī)律,下面說法中正確的是(  )
A.當某種色光照射金屬表面時,能產(chǎn)生光電效應,則入射光的頻率越高,產(chǎn)生的光電子的最大初動能也就越大
B.當某種色光照射金屬表面時,能產(chǎn)生光電效應,如果入射光的強度減弱,從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加
C.對某種金屬來說,入射光波長必須大于一極限值,才能產(chǎn)生光電效應
D.同一頻率的光照射不同金屬,如果都能產(chǎn)生光電效應,則所有金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動能一定相同
解析:選A 從光照至金屬表面上到發(fā)射出光電子之間的時間間隔只與光和金屬種類有關,B錯;由光電效應方程可知入射光波長必須小于一極限值,才能產(chǎn)生光電效應,光子的最大初動能與入射光的頻率和金屬的種類有關,C、D錯,A對。
2.如圖所示是研究光電管產(chǎn)生電流的電路圖,A、K是光電管的兩個電極,已知該光電管陰極的極限頻率為ν0,元電荷為e,普朗克常量為h。現(xiàn)將頻率為ν(大于ν0)的光照射在陰極上,則下列方法一定能夠增加飽和光電流的是(  )
A.照射光強度不變,增加光的頻率
B.照射光頻率不變,增加照射光強度
C.增加A、K電極間的電壓
D.減小A、K電極間的電壓
解析:選B 照射光強度不變,增加光的頻率,則單位時間內入射光的光子數(shù)目變小,光電流的飽和值變小,A錯誤;照射光頻率不變,增加光強,則單位時間內入射光的光子數(shù)目增多,使光電流的飽和值增大,B正確;飽和光電流與入射光強度有關,增減A、K電極間的電壓,飽和光電流不變,C、D錯誤。
3.下列說法正確的是(  )
A.質子的德布羅意波長與其動能成正比
B.天然放射的三種射線,穿透能力最強的是α射線
C.光電效應實驗中的截止頻率與入射光的頻率有關
D.電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣說明電子具有波動性
解析:選D 由德布羅意波長λ=可知,質子的波長與動量成反比,而動量與動能關系為p=,所以A項錯誤;天然放射的三種射線,穿透能力最強的是γ射線,B項錯誤;光電效應實驗中的截止頻率是指使金屬恰好發(fā)生光電效應時入射光的頻率,即hν=W,只與金屬的逸出功W有關,C項錯誤;衍射是波的特性,所以電子束穿過鋁箔的衍射圖樣說明電子具有波動性,D項正確。
4.在光電效應實驗中,某實驗小組用同種頻率的單色光,先后照射鋅和銀的表面,都能產(chǎn)生光電效應。對這兩個過程,下列四個物理量中,可能相同的是 (  )
A.飽和光電流       B.遏止電壓
C.光電子的最大初動能 D.逸出功
解析:選A 飽和光電流和光的強度有關,這個實驗可以通過控制光的強度來實現(xiàn)飽和光電流相同,A正確;不同的金屬其逸出功是不同的,根據(jù)光電效應方程:Ek=hν-W,用同種頻率的單色光,光子能量hν相同,光電子的最大初動能Ek不同,C、D錯誤;根據(jù)遏止電壓和最大初動能關系U=可知,光電子的最大初動能不同,遏止電壓也不同,B錯誤。
5.可見光的波長的大致范圍是400~760 nm,如表給出了幾種金屬發(fā)生光電效應的極限波長,下列說法正確的是(  )
金屬 鎢 鈣 鈉 鉀
極限波長/nm 274 388 542 551
A.表中所列金屬,鉀的逸出功最大
B.只要光照時間足夠長或強度足夠大,所有波長的可見光都可以使鈉發(fā)生光電效應
C.用波長760 nm的光照射金屬鈉、鉀,則鈉逸出的光電子最大初動能較大
D.用波長400 nm的光照射金屬鈉、鉀,則鉀逸出的光電子最大初動能較大
解析:選D 根據(jù)逸出功與極限頻率、極限波長的關系可知,W=hν=h,金屬鉀的極限波長最大,則鉀的逸出功最小,故A錯誤;根據(jù)光電效應的產(chǎn)生條件可知,當入射光的頻率大于或等于金屬的極限頻率時,或入射光的波長小于或等于金屬的極限波長時,會發(fā)生光電效應,與光照時間和光照強度無關,故B錯誤;根據(jù)光電效應的產(chǎn)生條件可知,用波長760 nm的光照射金屬鈉、鉀,由于入射光的波長均大于兩金屬的極限波長,不能發(fā)生光電效應,故C錯誤;鉀的逸出功小,根據(jù)愛因斯坦光電效應方程可知,Ek=h-W,當用波長400 nm的光照射金屬鈉、鉀時,可以發(fā)生光電效應,并且鉀逸出的光電子最大初動能較大,故D正確。
6.用光照射某種金屬,有光電子從金屬表面逸出,如果光的頻率不變,而減弱光的強度,則(  )
A.逸出的光電子數(shù)減少,光電子的最大初動能不變
B.逸出的光電子數(shù)減少,光電子的最大初動能減小
C.逸出的光電子數(shù)不變,光電子的最大初動能減小
D.光的強度減弱到某一數(shù)值,就沒有光電子逸出了
解析:選A 根據(jù)光電效應方程Ekm=hν-W0得,光的強度不影響光電子的最大初動能,光電子的最大初動能與入射光的頻率有關;光電效應發(fā)生的條件是入射光的頻率大于極限頻率,與光的強度無關;入射光的強度影響單位時間內發(fā)出光電子的數(shù)目,光的強度減弱,單位時間內發(fā)出光電子數(shù)目減少。故A正確,B、C、D錯誤。
7.圖甲為光電效應實驗的電路圖,利用不同頻率的光進行光電效應實驗,測得光電管兩極間所加電壓U與光電流I的關系如圖乙中a、b、c、d四條曲線所示。用νa、νb、νc、νd表示四種光的頻率,下列判斷正確的是(  )
A.νb>νc>νd>νa     B.νd>νb>νc>νa
C.νd>νc>νb>νa D.νa>νc>νb>νd
解析:選A 光電效應實驗的I?U圖像中,圖像在橫坐標的截距的絕對值表示遏止電壓Uc,根據(jù)光電效應方程:Ek=hν-W,最大初動能和遏止電壓的關系:eUc=Ek,可得:ν=Uc+,可見,遏止電壓Uc越大,ν越大,根據(jù)乙圖可知:νb>νc>νd>νa,故A正確,B、C、D錯誤。
二、多項選擇題(本題共3小題,每小題6分,共18分。在每小題給出的四個選項中,有多項符合題目要求。全部選對的得4分,選對但不全的得2分,有選錯的得0分。)
8.物理學家做了一個有趣的實驗:在雙縫干涉實驗中,光屏處放上照相底片,若減弱光波的強度,使光子只能一個一個地通過狹縫,實驗結果表明,如果曝光時間不太長,底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點;如果曝光時間足夠長,底片上就會出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋,下列對這個實驗結果的認識正確的是(  )
A.曝光時間不長時,光子的能量太小,底片上的條紋看不清楚,故出現(xiàn)不規(guī)則的點
B.單個光子的運動沒有確定的軌道
C.干涉條紋中明亮的部分是光子到達概率較大的地方
D.只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動性
解析:選BCD 光波是概率波,單個光子沒有確定的軌道,其到達某點的概率受波動規(guī)律支配,少數(shù)光子落點不確定,體現(xiàn)粒子性,大量光子的行為符合統(tǒng)計規(guī)律,受波動規(guī)律支配,才表現(xiàn)出波動性,出現(xiàn)干涉條紋中的亮條紋或暗條紋,故A錯誤,B、D正確;干涉條紋中的亮條紋處是光子到達概率較大的地方,暗條紋處是光子到達概率較小的地方,但也有光子到達,故C正確。
9.下列四個圖中,N為鎢板,M為金屬網(wǎng),它們分別與電池兩極相連,各電池的電動勢E和極性已在圖中標出,鎢的逸出功為4.5 eV,現(xiàn)分別用能量不同的光子照射鎢板(各光子的能量也已在圖上標出),那么下列圖中從鎢板逸出的光電子能到達金屬網(wǎng)的是(  )
解析:選BC 由于鎢的逸出功為4.5 eV,當用能量為3 eV的光子照射鎢板時,不會發(fā)生光電效應,故A錯誤。當用能量為8 eV的光子照射鎢板時,會發(fā)生光電效應,逸出的光電子的最大初動能為Ek=8 eV-4.5 eV=3.5 eV。在題圖B中,由于電池的電動勢為2 V,電場力對光電子做正功,則電子能到達金屬網(wǎng)。在題圖C中,由于電池的電動勢為2 V,電場力對光電子做負功,光電子克服電場力做功為2 eV,2 eV<3.5 eV,則光電子能到達金屬網(wǎng)。在題圖D中,由于電池的電動勢為4 V,電場力對光電子做負功,4 eV>3.5 eV,則光電子不能到達金屬網(wǎng)。故B、C正確,D錯誤。
10.場致發(fā)射顯微鏡的構造如圖所示:一根金屬針的尖端直徑約為100 nm,位于真空玻璃球泡的中心,球的內表面涂有熒光材料導電膜,在膜與針之間加上如圖所示的高電壓,使針尖附近的電場強度高達4×109 V/m,電子就從針尖表面被拉出并加速到達涂層,引起熒光材料發(fā)光。這樣,在熒光屏上就看到了針尖的某種像(針尖表面的發(fā)射率圖像),如果分辨率足夠高,還可以分辨出針尖端個別原子的位置。但由于電子波的衍射,會使像模糊,影響分辨率。將電極方向互換,并在玻璃泡中充進氦氣,則有氦離子產(chǎn)生并打到熒光屏上,這樣可使分辨率提高,以下判斷正確的是(  )
A.氦原子變成氦離子是在針尖端附近發(fā)生的
B.電子從針尖到導電膜的運動過程中加速度不斷減小
C.電子或氦離子的撞擊使熒光材料的原子躍遷到了激發(fā)態(tài)
D.分辨率提高是因為氦離子的德布羅意波長比電子的長
解析:選ABC 當無規(guī)則運動的氦原子與針尖上的金屬原子碰撞時,氦原子由于失去電子成為正離子,故A正確;電場強度從針尖到導電膜由強變弱,電子從針尖到導電膜的運動過程中加速度不斷減小,故B正確;當電子或氦離子以很大的速度撞擊熒光材料時,電子或氦離子把一部分動能轉移給了熒光材料的原子,從而使其躍遷到了激發(fā)態(tài),故C正確;要想使分辨率提高,就要使衍射變得不明顯,可知氦離子的德布羅意波長比電子的短,故D錯誤。
三、計算題(本題共4小題,共54分。要有必要的文字說明和解題步驟,有數(shù)值計算的要注明單位。)
11.(11分)在“焊接”視網(wǎng)膜的眼科手術中,所用激光的波長λ=6.4×10-7 m,每個激光脈沖的能量E=1.5×10-2 J。求每個脈沖中的光子數(shù)目。(已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3×108 m/s。計算結果保留1位有效數(shù)字)
解析:光子能量ε=,光子數(shù)目n=
代入數(shù)據(jù)得n≈5×1016。
答案:5×1016
12.(12分)鋁的逸出功為4.2 eV,現(xiàn)用波長200 nm的光照射鋁的表面。已知h=6.63×10-34 J·s,求:
(1)光電子的最大初動能;
(2)遏止電壓;
(3)鋁的極限頻率。
解析:(1)根據(jù)光電效應方程Ek=hν-W
有Ek=-W= J-4.2×1.6×10-19 J=3.225×10-19 J。
(2)由Ek=eUc
可得Uc== V≈2.016 V。
(3)由hνc=W
知νc== Hz≈1.014×1015 Hz。
答案:(1)3.225×10-19 J (2)2.016 V
(3)1.014×1015 Hz
13.(15分)圖甲為利用光電管研究光電效應的電路圖,其中光電管陰極K的材料是鉀,鉀的逸出功為W0=3.6×10-19 J,圖乙為實驗中用某一頻率的光照射光電管時,測量得到的光電管伏安特性曲線,當U=-2.5 V時,光電流剛好截止,已知h=6.63×10-34 J·s,e=1.6×10-19 C,求:
(1)本次實驗入射光的頻率是多少?
(2)當U′=2.5 V時,光電子到達陽極A的最大動能是多少?
解析:(1)由題圖像可知,反向遏止電壓為:Uc=-2.5 V
依據(jù)遏止電壓與最大初動能的關系,則有:
eUc=mvm2
根據(jù)光電效應方程,hν=W0+mvm2
代入數(shù)據(jù),解得:ν=1.1×1015 Hz。
(2)光電子由K運動到A的過程中,設光電子到達陽極A的最大動能為Ekm,
由動能定理,則有eU′=Ekm-mvm2
代入數(shù)據(jù),解得:Ekm=2eUc=8×10-19 J。
答案:(1)1.1×1015 Hz (2)8×10-19 J
14.(16分)電子和光一樣具有波動性和粒子性,它表現(xiàn)出波動的性質,就像X射線穿過晶體時會產(chǎn)生衍射一樣,這一類物質粒子的波動叫物質波。質量為m的電子以速度v運動時,這種物質波的波長可表示為λ=,電子質量m=9.1×10-31 kg,電子電荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。
(1)計算具有100 eV動能的電子的動量p和波長λ。
(2)若一個靜止的電子經(jīng)2 500 V電壓加速:
①求能量和這個電子動能相同的光子的波長,并求該光子的波長和這個電子的波長之比。
②求波長和這個電子波長相同的光子的能量,并求該光子的能量和這個電子的動能之比。(已知電子的靜止能量mc2=5.0×105 eV,m為電子的靜質量,c為光速)
解析:(1)電子的動量p=
= kg·m/s
≈5.4×10-24 kg·m/s。
電子的波長λ== m≈1.2×10-10 m。
(2)①電子的動量p′=mv′=
kg·m/s
≈2.7×10-23 kg·m/s。
電子的波長λ′== m≈2.5×10-11 m,
光子能量E=Ek′==2 500 eV=4.0×10-16 J得,
光子波長λ== m≈5.0×10-10 m,
則λ∶λ′=20∶1。
②光子能量ε=≈8.0×10-15 J。
電子動能Ek′=4.0×10-16 J,所以ε∶Ek′=20∶1。
答案:(1)5.4×10-24 kg·m/s 1.2×10-10 m
(2)①5.0×10-10 m 20∶1?、?.0×10-15 J 20∶1
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二、遷移交匯辨析清
(一)光電效應實驗規(guī)律及其應用
1.光電流的理解
只有當光電子從陰極流到陽極時才會形成電流,而到達陽極的光電子數(shù)除了與陰極發(fā)射的電子數(shù)目的多少(即入射光的強度)有關外,還與光電管陰極與陽極間的電壓有關。若兩極間電壓達到一定程度,陽極把所有光電子都吸收過來時,光電流達到最大,我們稱之為飽和光電流。飽和光電流的大小取決于光電子的數(shù)目,而光電子的數(shù)目又取決于入射光子的數(shù)目,在光的頻率一定的前提下,光子的數(shù)目又由入射光的強度決定。因此在入射光的頻率一定時,飽和光電流的大小隨入射光的強度增大而增大。
2.兩種常見錯誤及兩個決定因素
要特別注意的兩種錯誤認識如下。
錯誤一:認為頻率高,光子能量大,光就強,產(chǎn)生的光電流也強。
錯誤二:認為光電子的動能大,電子跑得快,光電流就強。
我們所研究的光電流是所有光電子都參與了導電,而由愛因斯坦光電效應方程可知一個光電子就對應著一個光子,因而光電流的強弱關鍵取決于單位時間來了多少個光子,即光強,而光電子的最大初動能與頻率有關,它們的關系如下:
3.兩個對應關系
光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大(同一種光);
光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動能大(同一種金屬)。
4.四點注意
(1)能否發(fā)生光電效應,不取決于光的強度,而取決于光的頻率。
(2)光電效應中的“光”不是特指可見光,也包括不可見光。
(3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無關。
(4)光電子不是光子,而是電子。
(1)常見物理量的求解
(2)應用光電效應實驗規(guī)律解題的注意事項
①光電效應規(guī)律中“光電流的強度”指的是光電流的飽和值(對應從陰極發(fā)射出的電子全部被拉向陽極的狀態(tài))。因為光電流未達到飽和值之前,其大小不僅與入射光的強度有關,還與光電管兩極間的電壓有關。
②明確兩個決定關系
a.逸出功W一定時,入射光的頻率決定著能否產(chǎn)生光電效應以及光電子的最大初動能。
b.入射光的頻率一定時,入射光的強度決定著單位時間內發(fā)射出來的光電子數(shù)。
典例1 用金屬銣作為陰極的光電管,觀測光電效應現(xiàn)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(shù)一定持續(xù)增大
C.增大入射光的強度,產(chǎn)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(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek=1.23×10-19 J
[解析] 由題圖甲可知,若電源左端是正極,在光電管兩極間產(chǎn)生的電場促使光電子射向左端,無法達到遏止效果,則應選擇電源右端為正極,故A錯誤;當電源左端為正極時,將滑動變阻器的滑片從題圖示位置向右滑動的過程中,電壓增大,若光電流未飽和,則光電流增大,若電流已達到飽和值,則不再增大,由此可知,電流表示數(shù)可能持續(xù)增大,也可能先增大后不變,故選項B錯誤;光電子的最大初動能與入射光的頻率和金屬的逸出功有關,與入射光的強度無關,故選項C錯誤;根據(jù)題圖像可知,銣的極限頻率νc=5.15×1014 Hz,根據(jù)hνc=W,則可求出銣的逸出功大小W=6.63×10-34×5.15×1014 J=3.41×10-19 J,根據(jù)公式Ek=hν-W,當入射光的頻率為ν=7.00×1014 Hz時,最大初動能為Ek=6.63×10-34×7.00×1014 J-3.41×10-19 J=1.23×10-19 J,故選項D正確。
[答案] D
[針對訓練]
1.關于光電效應現(xiàn)象的規(guī)律,下列說法錯誤的是 (  )
A.入射光的頻率必須大于被照金屬的極限頻率時才產(chǎn)生光電效應
B.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
C.發(fā)生光電效應時,從金屬表面逸出的光電子速度大小為光速
D.當入射光頻率大于極限頻率時,光電子數(shù)目與入射光的強度成正比
解析:發(fā)生光電效應時,從金屬表面逸出的光電子速度大小一定小于光速,故C錯誤;根據(jù)光電效應的實驗規(guī)律,易知A、B、D正確。
答案:C 
2.(多選)用如圖甲所示的裝置研究光電效應現(xiàn)象,閉合開關S,用頻率為ν的光照射光電管時發(fā)生了光電效應,圖乙是該光電管發(fā)生光電效應時光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖像,圖線與橫軸交點的坐標為(a,0),與縱軸交點的坐標為(0,-b),下列說法正確的是 (  )
答案:AB 
(二)光的波粒二象性與物質波
1.光的波粒二象性
光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光具有波動性,光電效應和康普頓效應表明,光具有粒子性,理論和實驗表明,光既具有波動性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。
2.光的波粒二象性的理解
(1)光的波動性和粒子性是光在不同條件下的不同表現(xiàn)。
(2)大量的光子產(chǎn)生的效果波動性比較明顯;個別光子產(chǎn)生的效果粒子性比較明顯。
(3)波長短的光粒子性顯著,波長長的光波動性顯著。
(4)當光和其他物質發(fā)生相互作用時表現(xiàn)為粒子性。當光在傳播時表現(xiàn)為波動性。
(5)光波不同于宏觀觀念中那種連續(xù)的波,它是表示大量光子運動規(guī)律的一種概率波。
[答案] (1)1.8 N·s (2)1.8×10-3 m/s2 6.5 m/s
解析:光電效應、康普頓效應都揭示了光的粒子性,A正確;德布羅意提出實物粒子也具有波動性,B正確;光的波長越短,則頻率越大,光子的能量越大,光的粒子性越明顯,C正確;如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的德布羅意波長相等,則它們的動量也相等,但動能不相等,D錯誤。
答案:D 
4.用能量為50 eV的光子照射到光電管陰極后,測得光電流與電壓的關系如圖所示。已知電子的質量m=9.0×10-31 kg、元電荷e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。試求:
(1)光電管陰極金屬的逸出功W;
(2)光電子的最大動量和對應物質波的波長λ。(保留2位有效數(shù)字)
三、創(chuàng)新應用提素養(yǎng)
1.我國研制的“大連光源”——極紫外自由電子激光裝置,發(fā)出了波長在100 nm(1 nm=10-9 m)附近連續(xù)可調的世界上最強的極紫外激光脈沖。大連光源因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技術、霧霾治理等領域的研究中發(fā)揮重要作用。一個處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個分子,但又不會把分子打碎。據(jù)此判斷,能夠電離一個分子的能量約為(取普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,真空光速c=3×108 m/s) (  )
A.10-21 J          B.10-18 J
C.10-15 J D.10-12 J
解析:光子的能量E=hν,c=λν,聯(lián)立解得E≈2×10-18 J,B項正確。
答案:B
2.(2024·浙江1月選考)如圖所示,金屬極板M受到紫外線照射會逸出光電子,最大速率為vm。正對M放置一金屬網(wǎng)N,在M、N之間加恒定電壓U。已知M、N間距為d(遠小于板長),電子的質量為m,電荷量為e,則(  )
3.(2024·貴州高考)(多選)我國在貴州平塘建成了世界最大單口徑球面射電望遠鏡FAST,其科學目標之一是搜索地外文明。在宇宙中,波長位于搜索地外文明的射電波段的輻射中存在兩處較強的輻射,一處是波長為21 cm的中性氫輻射,另一處是波長為18 cm的羥基輻射。在真空中,這兩種波長的輻射相比,中性氫輻射的光子(  )
A.頻率更大       B.能量更小
C.動量更小 D.傳播速度更大
4.下表是按照密立根的方法研究光電效應實驗時得到的某金屬的遏止電壓Uc與照射光頻率ν的幾組數(shù)據(jù),并由此繪制Uc-ν圖像如圖甲所示(已知e=1.6×10-19 C)。
Uc/V 0.541 0.637 0.714 0.809 0.878
ν/(×1014 Hz) 5.644 5.888 6.098 6.303 6.501
(1)求這種金屬的極限頻率;
(2)求普朗克常量;
(3)如圖乙,在給定的坐標系中完成光電子最大初動能Ek與照射光頻率ν之間的關系圖像。
(3)由于Ek=hν-h(huán)νc,聯(lián)立(1)(2)中的數(shù)據(jù)可畫出
Ek-ν關系圖像如圖所示。
答案:(1)4.25×1014 Hz (2)6.4×10-34 J·s (3)見解析圖

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