高三物理寒假练习光电效应与康普顿效应无答案Word下载.docx

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③光电池．

康普顿效应

（1）康普顿效应

X射线在石墨上散射时，发现部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．这种现象称为康普顿效应．

（2）康普顿的理论

当光子与电子相互作用时，既遵守能量守恒定律．又遵守动量守恒定律，在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了电子，光子能量减少，波长变长．

（3）康普顿效应的意义

康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面．

（4）光电效应与康普顿效应

当波长较短的X射线或γ射线入射时，产生康普顿效应；

当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生光电效应．

（5）光的波粒二象性

①光的本性：

光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性．

②光是一种电磁波．

③当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；

当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，粒子性明显．

光电效应两条对应关系

（1）光越强（一定频率）→光子数目越多→发射光电子越多→饱和光电流越大。

（2）光子频率越高→光子能量越大→光电子的最大初动能越大。

光电效应定量分析时应抓住三个关系式

（1）爱因斯坦光电效应方程：

Ek＝hν－W0。

（2）最大初动能与遏止电压的关系：

Ek＝eUc。

（3）逸出功与极限频率的关系：

W0＝hνc。

二、基本题型

类型一：

光电效应的实验

例1.图甲是研究光电效应的电路图，图乙是用a、b、c光照射光电管得到的IU图线，Uc1、Uc2表示遏止电压，下列说法正确的是（　　）

A．在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流一直会增加

B．a、c光的频率相等

C．光电子的能量只与入射光的强弱有关，而与入射光的频率无关

D．a光的波长大于b光的波长

类型二：

图像判断问题

例2.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为4.27，与纵轴交点坐标为0.5）。

由图可知

A．该金属的截止频率为4.27×

1014Hz

B．该金属的截止频率为5.5×

C．该图线的斜率表示普朗克常量

D．该金属的逸出功为0.5eV

类型三：

公式计算问题

例3.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。

强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实。

光电效应实验装置示意图如图所示。

用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；

此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场；

逐渐增大U，光电流会逐渐减小；

当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）

A．U＝hνe－We　　　　　　B．U＝2hνe－We

C．U＝2hν－WD．U＝5hν2e－We

类型四：

例4.频率为ν的光子，具有的能量为hν，动量为hν/c，将这个光子打在处于静止状态的电子上，光子将偏离原来的运动方向，这种现象称为光的散射．散射后的光子（　　）

A．改变原来的运动方向，但频率保持不变

B．光子将从电子处获得能量，因而频率将增大

C．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上，但方向相反

D．由于电子受到碰撞时会吸收光子的一部分能量，散射后的光子频率低于入射光的频率

三、练习提高

1.研究光电效应的实验规律的电路如图所示。

加正向电压时，图中光电管的A极接电源正极，K极接电源负极；

加反向电压时，反之。

当有光照射K极时，下列说法正确的是（　　）

A．K极中有无光电子射出与入射光频率无关

B．光电子的最大初动能与入射光频率有关

C．只有光电管加正向电压时，才会有光电流

D．光电管加的正向电压越大，光电流强度一定越大

2.康普顿散射的主要特征是（　　）

A．散射光的波长与入射光的波长全然不同

B．散射光的波长有些与入射光的相同，但有些变短了，散射角的大小与散射波长无关

C．散射光的波长有些与入射光的相同，但也有变长的，也有变短的

D．散射光的波长有些与入射光的相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关

3.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了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的光电子最大初动能

4.现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3。

当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek，若改用b光束照射该金属板，飞出的光电子最大动能为13Ek，当改用c光束照射该金属板时

A．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为16Ek[来源:

学,科,网Z,X,X,K]

B．能发生光电效应，飞出的光

电子最大动能为19Ek

C．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为112Ek

D．由于c光束光子能量较小，该金属板

不会发生光电效应

5.（多选）光电效应的实验结论是：

对于某种金属

A．无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应

B．无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应

C．超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小

D．超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大

6.（多选）关于光电效应，下列说法正确的是

A．极限频率越大的金属材料逸出功越大

B．只要光照射的

时间足够长，任何金属都能产生光电效应

C．从金属表面出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比

D．若发生了光电效应且入射光的频率一定时，光强越强，单位时间内逸出的光电子数就越多

7.实验表明：

光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。

如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实。

关于上述逆康普顿散射，下列说法中正确的是

A．该过程不遵循能量守恒定律B．该过程不遵循动量守恒定律

C．散射光中存在波长变长的成分D．散射光中存在频率变大的成分

8.图所示是研究光电管产生的电流的电路图，A、K是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的极限频率为ν0。

现将频率为ν（大于ν0）的光照射在阴极上，则：

（1）________是阴极，阴极材料的逸出功等于________。

（2）加在A、K间的正向电压为U时，到达阳极的光电子的最大动能为________，将A、K间的正向电压从

零开始逐渐增加，电流表的示数的变化情况是________。

（3）为了阻止光电子到达阳极，在A、K间应加上U反＝________的反向电压。

（4）下列方法一定能够增加饱和光电流的是

A．照射光频率不变，增加光强

B．照射光强度不变，增加光的频率

C．增加A、K电极间的电压

D．减小A、K电极间的电压

9.某光源能发出波长λ＝0.60μm的可见光，用它照射某金属可发生光电效应，产生光电子的最大初动能Ek＝4.0×

10－20J。

已知普朗克常量h＝6.63×

10－34J·

s，光速c＝3.0×

108m/s求：

（计算结果保留两位有效数字）

（1）该可见光中每个光子的能量；

（2）该金属的逸出功。

10.如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。

用波长λ＝0.50μm的绿光照射阴极K，实验测得流过G表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h＝6.63×

s。

结合图象，求：

（结果保留两位有效数字）

（1）每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能；

（2）该阴极材料的极限波长。

11.如图2所示，用绿光照射一光电管，能产生光电效应。

欲使光电子从阴极逸出时的初动能增大，应该（）

A.改用红光照射B.改用紫光照射

C.增大光电管上的加速电压D.增大绿光的强度

12.以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子只能短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。

强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。

光电效应实验装置示意如图。

用频率为v的普通光源照射阴极k，没有发生光电效应，换同样频率为v的强激光照射阴极k，则发生了光电效应；

此时，若加上反向电压U，即将阴极k接电源正极，阳极A接电源负极，在kA之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；

当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）B

A.U=hv/e-w/eBU=2hv/e-w/e

C.U=2hv-WD.U=5hv/2e-w/e

13.光电效应的四条规律中，波动说仅能解释的一条规律是

A入射光的频率必须大于或等于被照金属的极限频率才能产生光电效应

B．发生光电效应时，光电流的强度与人射光的强度成正比

C．光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大

D．光电效应发生的时间极短，一般不超过10-9s

14.用频率为v的光照射某金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为EK，若改用频率为3v的光照射该金属，则逸出光电子的最大初动能为：

A．3EkB．

C．3hv-EK；

　　　D．2hv+EK

15.已知金属甲发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系如直线1所示。

现用某单色光照射金属甲的表面，产生光电子的最大初动能为E1，若用同样的单色光照射金属乙表面，产生的光电子的最大初动能E2，如图所示。

则金属乙发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系图线应是

A.a　B．bC．cD．上述三条图线都有可能

16.光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压，也称为辐射压强．1899年，俄国物理学家列别捷夫用实验测得了光压，证实了光压的存在．根据光的粒子性，在理解光压的问题上，可以简化为如下模型：

一束光照射到物体表面，可以看作大量光子以速度c连续不断地撞向物体表面（光子有些被吸收，而有些被反射回来），因而就对物体表面产生持续、均匀的压力．

（1）假想一个质量为m的小球，沿光滑水平面以速度v撞向一个竖直墙壁，若反弹回来的速度大小仍然是v．求这个小球动量的改变量（回答出大小和方向）．

（2）爱因斯坦总结了普朗克的能量子的理论，得出每一个光子的能量E=hν，在爱因斯坦的相对论中，质量为m的物体具有的能量为E=mc2，结合你所学过的动量和能量守恒的知识，证明：

光子的动量

（其中，c为光速，h为普朗克恒量，ν为光子的频率，λ为光子的波长）．

（3）由于光压的存在，科学家们设想在太空中利用太阳帆船进行星际旅行——利用太空中阻力很小的特点，制作一个面积足够大的帆接收太阳光，利用光压推动太阳帆船前进，进行星际旅行．假设在太空中某位置，太阳光在单位时间内、垂直通过单位面积的能量为E0，太阳光波长的均值为λ，光速为c，太空帆的面积为A，太空船的总质量为M，光子照射到太阳帆上的反射率为百分之百，求太阳光的光压作用在太空船上产生的最大加速度是多少？

根据上述对太空帆船的了解及所学过的知识，你简单地说明一下，太空帆船设想的可能性及困难（至少两条）．

17.动量守恒定律是一个独立的实验定律，它适用于目前为止物理学研究的一切领域。

运用动量守恒定律解决二维问题时，可以在相互垂直的x、y两个方向上分别研究。

（1）如图1所示，质量分别为m1、m2的球1和球2构成一系统，不考虑系统的外力作用。

球1以速度v1（方向沿x轴正向）与静止的球2碰撞，若速度v1不在两球球心的连线上，碰撞之后两球的速度v1´

、v2´

都会偏离v1的方向，偏角分别为θ、φ，且v1、m1、m2、θ、φ均已知。

a．请写出计算v1´

的大小时主要依据的关系式；

b．请分析说明球1对球2的平均作用力F的方向。

（2）如图2所示，美国物理学家康普顿及其团队将X射线入射到石墨上，发现被石墨散射的X射线中除了有与入射波长相同的成分外，还有与入射波长不同的成分。

我国物理学家吴有训在此项研究中也做出了突出贡献，因此物理学界也把这一效应称为“康普顿-吴效应”。

由于这一现象很难用经典电磁理论解释，所以康普顿提出光子不仅有能量，也具有动量，光子的动量p与其对应的波长λ之间的关系为

（h为普朗克常量）。

进一步研究表明X射线的散射实质是单个光子与单个电子发生碰撞的结果。

由于电子的速度远小于光的速度，可认为电子在碰撞前是静止的。

现探测到散射X射线的波长不同于入射X射线的波长，请你构建一个合理的相互作用模型，解决以下问题：

a．请定性分析散射后X射线的波长λ´

与入射X射线的波长λ的大小关系；

b．若已知入射X射线的波长为λ，散射后X射线的波长为λ´

。

设散射X射线相对入射方向的偏转角为θ。

求θ=

时电子获得的动量。

18.在不受外力或合外力为零的弹性碰撞中，碰撞前后系统同时遵从能量守恒和动量守恒．上述理论不仅在宏观世界中成立，在微观世界中也成立．康普顿根据光子与电子的弹性碰撞模型，建立的康普顿散射理论和实验完全相符．这不仅证明了光具有粒子性，而且还证明了光子与固体中电子的相互作用过程严格地遵守能量守恒定律和动量守恒定律．

（1）根据玻尔的氢原子能级理论，

（其中E1

为氢原子的基态能量，En

为电子在第n条轨道运行时氢原子的能量），若某个处于量子数为n的激发态的氢原子跃迁到基态，求发出光子的频率．

（2）康普顿在研究X射线与物质散射实验时，他假设X射线中的单个光子与轻元素中的电子发生弹性碰撞，而且光子和电子、质子这样的实物粒子一样，既具有能量，又具有动量（光子的能量hν，光子的动量

）．现设一光子与一静止的电子发生了弹性斜碰，如图所示，碰撞前后系统能量守恒，在互相垂直的两个方向上，作用前后的动量也守恒．

a．若入射光子的波长为λ0，与静止电子发生斜碰后，光子的偏转角为α=37°

，电子沿与光子的入射方向成β=45°

飞出．求碰撞后光子的波长λ和电子的动量P．（sin37°

=0.6，cos37°

=0.8）．

b．试从理论上定性说明，光子与固体靶中的电子（电子的动能很小，可认为静止）发生碰撞，波长变长的原因．

19.光电效应现象中逸出的光电子的最大初动能不容易直接测量，可以利用转换测量量的方法进行测量。

（1）如图10所示为研究某光电管发生光电效应的电路图，当用频率为ν的光照射金属阴极K时，通过调节光电管两端电压U，测量对应的光电流强度I，绘制了如图11所示的I-U图象。

根据图象求光电子的最大初动能Ekm和金属K的逸出功W。

已知电子所带电荷量为e，图象中Uc、Im、入射光的频率ν及普朗克常量h均为已知量。

（2）有研究者设计了如下的测量光电子最大初动能的方法。

研究装置如图12所示，真空中放置的两个平行正对金属板可以作为光电转换装置。

用频率一定的细激光束照射A板中心O，板中心O点附近将有大量的电子吸收光子的能量而逸出。

B板上涂有特殊材料，当电子打在B板上时会在落点处留有可观察的痕迹。

若认为所有逸出的电子都以同样大小的速度从O点逸出，且沿各个不同的方向均匀分布，金属板的正对面积足够大（保证所有逸出的电子都不会射出两极板所围的区域），光照条件保持不变。

已知A、B两极板间的距离为d，电子所带电荷量为e，电子所受重力及它们之间的相互作用力均可忽略不计。

①通过外接可调稳压电源给A、B两极板间加上一定的电压，A板接电源的负极，由O点逸出的电子打在B板上的最大区域范围为一个圆形，且圆形的半径随A、B两极板间的电压变化而改变。

通过实验测出了一系列A、B两极板间的电压值U与对应的电子打在B板上的最大圆形区域半径r的值，并画出了如图13所示的r2-1/U图象，测得图线的斜率为k。

请根据图象，通过分析计算，求出电子从A板逸出时的初动能；

②若将A板换为另一种金属材料，且将其与可调稳压电源的正极连接，B板与该电源的负极连接，当两极板间电压为U0时，电子打在B板上的最大区域范围仍为一个圆，测得圆的半径为R。

改变两极板间的电压大小，发现电子打在B板上的范围也在发生相应的变化。

为使B板上没有电子落点的痕迹，试通过计算分析两金属板间的电压需满足什么条件？

20.电磁波频率与自感线圈和电容、折射率、全反射角、干涉条纹的宽度、波速、波长、光子能量、遏止电压、光电子动能、光子动量、巴尔末公式的相关性