2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——光電效應(yīng)在攝像頭中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項(xiàng)的字母填在括號內(nèi)，每題3分，共30分）1.下列哪個現(xiàn)象是光電效應(yīng)的直接證據(jù)？A.光的衍射B.光的干涉C.光電子的發(fā)射D.康普頓散射2.根據(jù)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是？A.發(fā)生光電效應(yīng)時，飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比。B.發(fā)生光電效應(yīng)時，光電子的最大初動能與入射光頻率成正比。C.發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的強(qiáng)度大于某個閾值。D.發(fā)生光電效應(yīng)時，截止頻率與金屬材料無關(guān)。3.愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν=W?+E?中，各物理量的含義是？A.h是光速，ν是入射光頻率，W?是光電子的最大初動能，E?是材料的逸出功。B.h是普朗克常數(shù)，ν是入射光頻率，W?是材料的逸出功，E?是光電子的最大初動能。C.h是普朗克常數(shù)，ν是入射光波長，W?是光電子的最大初動能，E?是材料的逸出功。D.h是光速，ν是入射光波長，W?是材料的逸出功，E?是光電子的動能。4.對于同一種金屬材料，能否發(fā)生光電效應(yīng)，主要取決于？A.入射光的光強(qiáng)B.入射光的顏色（頻率）C.入射時光的持續(xù)時間D.金屬片的溫度5.光電效應(yīng)證明了？A.波粒二象性B.能量守恒定律C.動量守恒定律D.電磁波理論6.在數(shù)碼相機(jī)中，CCD和CMOS傳感器都利用了光電效應(yīng)原理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。它們的主要區(qū)別在于？A.CCD對紅光的敏感度更高，CMOS對藍(lán)光的敏感度更高。B.CCD是將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，CMOS是將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號。C.CCD的功耗通常低于CMOS。D.CMOS像素單元的填充因子通常高于CCD。7.當(dāng)入射光的頻率ν大于金屬的紅限頻率ν?時，光電子的最大初動能？A.隨ν增大而線性增大。B.等于hν。C.等于hν?。D.隨ν?增大而線性增大。8.在數(shù)碼相機(jī)傳感器中，光電二極管的主要功能是？A.聚焦入射光線。B.將入射光子轉(zhuǎn)換為電子。C.放大產(chǎn)生的電信號。D.存儲數(shù)字圖像信息。9.下列哪項(xiàng)不是影響數(shù)碼相機(jī)傳感器感光靈敏度的因素？A.傳感器的像素尺寸。B.傳感器的材料（即其逸出功）。C.傳感器的填充因子。D.傳感器的讀出速度。10.光子能量與下列哪個物理量成正比？A.光的波長B.光的頻率C.光的強(qiáng)度D.光的傳播速度二、填空題（請將答案填在橫線上，每空3分，共30分）1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律表明，飽和光電流與入射光的________成正比；光電子的最大初動能與入射光的________成正比。2.愛因斯坦光電效應(yīng)方程hν=W?+E?表明，光子能量hν被用來克服材料的________（填“逸出功”）和給予光電子的________（填“最大初動能”）。3.攝像頭傳感器中的光電二極管，當(dāng)接收到光子時，其內(nèi)部會產(chǎn)生________對。4.在數(shù)碼相機(jī)中，傳感器上每個像素點(diǎn)對應(yīng)一個光電二極管（或像素陣列），用于探測入射光強(qiáng)，這個探測面積被稱為________。5.光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對物理學(xué)發(fā)展具有重要意義，它首次提供了________理論的有力證據(jù)，揭示了光的________（填“粒子性”）。6.對于某種金屬材料，只有當(dāng)入射光的頻率ν大于該材料的________（填“紅限頻率”）ν?時，才能發(fā)生光電效應(yīng)。7.攝像頭傳感器性能的一個重要指標(biāo)是填充因子，它定義為光電二極管的有效感光面積與像素總占用的芯片面積之比，高填充因子意味著________。8.入射到光電二極管上的光強(qiáng)度增加，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)量________，從而形成的電流________。9.攝像頭傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，還需要經(jīng)過________和模數(shù)轉(zhuǎn)換等過程，最終得到數(shù)字圖像。10.愛因斯坦因?yàn)閷怆娦?yīng)的解釋而獲得了________年的諾貝爾物理學(xué)獎。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題10分，共30分）1.簡述光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其主要規(guī)律。2.簡要解釋光電二極管是如何將入射光轉(zhuǎn)換為電信號的，并說明影響其轉(zhuǎn)換效率的主要因素。3.在數(shù)碼相機(jī)拍攝照片時，如果環(huán)境光線較暗，為什么照片會顯得較暗？從光電效應(yīng)的角度解釋。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟，每題15分，共30分）1.已知鈉的逸出功為W?=2.28eV，藍(lán)光的頻率為ν=6.25x101?Hz。問：（1）能否發(fā)生光電效應(yīng)？（2）如果發(fā)生，光電子的最大初動能為多少？（普朗克常數(shù)h=6.63x10?3?J·s，1eV=1.60x10?1?J）2.某數(shù)碼相機(jī)傳感器像素尺寸為4.0x4.0μm，填充因子為0.65。假設(shè)在某個場景下，該像素接收到的平均光子數(shù)每秒為1.0x1012個，每個光子的能量為2.0eV。求：（1）該像素的有效感光面積是多少平方厘米？（2）該像素每秒產(chǎn)生的平均電信號（以能量形式估算）是多少焦耳？---試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.B5.A6.D7.A8.B9.D10.B二、填空題1.強(qiáng)度，頻率2.逸出功，最大初動能3.電子-空穴4.像素5.光子，粒子性6.紅限頻率7.高8.增加，增加9.放大10.1921三、簡答題1.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主要包括：只有當(dāng)入射光的頻率大于某個閾值頻率（紅限頻率）時才會發(fā)生；光電子的最大初動能與入射光頻率成正比，與光強(qiáng)無關(guān)；存在飽和光電流，且飽和光電流與光強(qiáng)成正比；光電效應(yīng)的發(fā)生具有瞬時性。主要規(guī)律是：發(fā)生條件為ν≥ν?；最大初動能E????=hν-W?；飽和光電流I_s∝I。2.光電二極管在反向偏壓下工作，當(dāng)光子入射到其半導(dǎo)體材料上時，光子能量被吸收，若能量足夠，則產(chǎn)生電子-空穴對。內(nèi)建電場將這些光生載流子分離，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，形成光電流。其轉(zhuǎn)換效率主要受像素尺寸（決定感光面積）、材料特性（如逸出功影響吸收效率）、填充因子（有效感光面積占比）等因素影響。3.在光線較暗的環(huán)境下，入射到光電二極管上的光子數(shù)量較少，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)量減少，導(dǎo)致形成的初始電流較小。經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，代表光強(qiáng)的信號電壓較低，最終存儲在圖像傳感器的數(shù)字信號也較低，因此拍攝的照片顯得較暗。四、計算題1.(1)計算入射光子能量：E=hν=(6.63x10?3?J·s)x(6.25x101?Hz)=4.14x10?1?J。換算成電子伏特：E=(4.14x10?1?J)/(1.60x10?1?J/eV)=2.59eV。比較入射光子能量E(2.59eV)和逸出功W?(2.28eV)，因?yàn)镋>W?，所以能發(fā)生光電效應(yīng)。(2)根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，光電子的最大初動能E????=hν-W?=2.59eV-2.28eV=0.31eV。2.(1)計算像素面積：A_pixel=4.0x4.0μm=16μm2。換算成平方米：A_pixel=16x(10??m/μm)2=16x10?12m2。換算成平方厘米：A_pixel=16x10?12m2x(10?cm2/m2)=1.6x10??cm2?？紤]填充因子，有效感光面積A_effective=A_pixelxFillFactor=(1.6x10??cm2)x0.65=1.04x10??