高中物理 第四章 波粒二象性單元質(zhì)量評估 教科版選修35

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1、 第四章 波粒二象性 單元質(zhì)量評估(四) (90分鐘　100分) 一、選擇題(本大題共12小題,1～8單選,9～12多選,每小題4分,共48分) 1.物理學(xué)的發(fā)展和物理學(xué)家的努力是分不開的,下列關(guān)于各個物理學(xué)家的貢獻(xiàn)表述正確的是　(　　) A.牛頓在理論上預(yù)言了電磁波存在 B.愛因斯坦首次提出了物質(zhì)波假設(shè) C.普朗克首次提出了“量子”的概念 D.德布羅意提出了波粒二象性,解釋了光的性質(zhì) 【解析】選C。麥克斯韋在理論上預(yù)言了電磁波的存在,A錯;德布羅意首次提出了物質(zhì)波假設(shè),B錯;普朗克首次提出了“量子”的概念,C正確;愛因斯坦提出了波粒二象性,解釋了光的性質(zhì),D錯。 2.

2、普朗克量子假說是為解釋　(　　) A.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律而提出的 B.X射線散射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律而提出的 C.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律而提出的 D.以上說法都不對 【解析】選C。根據(jù)量子化知識,普朗克量子假說是為解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律而提出的,故選項(xiàng)C正確。 3.所謂“黑體”是指這樣的一種物體　(　　) A.不能反射任何可見光的物體 B.不能發(fā)射任何電磁輻射的物體 C.能夠吸收外來的任何電磁輻射的物體 D.顏色是純黑的物體 【解析】選C。黑體是指能夠吸收外來的任何電磁輻射的物體,與物體的顏色和自身是否發(fā)射電磁輻射無關(guān),故選項(xiàng)C正確。 4.一個光子和一個電子具有相同的波長,則　(　　)

3、 A.光子具有較大的動量 B.電子具有較大的能量 C.電子與光子的動量相等 D.電子和光子的動量不確定 【解析】選C。根據(jù)λ=可知,相同的波長光子和電子具有相同的動量,故選項(xiàng)C正確。 5.某激光器能發(fā)射波長為λ的激光,發(fā)射功率為P,c表示光速,h為普朗克常數(shù)。則激光器每秒發(fā)射的光子數(shù)為　(　　) A.　　　 B.　　　 C.　　　 D.λPhc 【解析】選A。本題考查光子論及能量守恒。由P1=nh得n=.故正確選項(xiàng)為A。 6.科學(xué)研究表明,光子既有能量也有動量,當(dāng)光子與電子碰撞時(shí),光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子。假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ,碰撞后的波長為λ′,則碰撞過程

4、中　(　　) A.能量守恒,動量守恒,且λ=λ′ B.能量不守恒,動量不守恒,且λ=λ′ C.能量守恒,動量守恒,且λ<λ′ D.能量守恒,動量守恒,且λ>λ′ 【解析】選C。能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律,適用于宏觀世界也適用于微觀世界。光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個守恒定律。光子與電子碰撞前光子的能量ε=hν=h,當(dāng)光子與電子碰撞時(shí),光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子,光子的能量ε′=hν′=h,由ε>ε′,可知λ<λ′,選項(xiàng)C正確。 7.氫原子的能級如圖所示,一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài),在向基態(tài)躍遷的過程中,下列說法中正確的是　(　　) A.這群氫原子能發(fā)射出三種頻率不同的

5、光,其中從n=3躍遷到n=2所發(fā)出的光的波長最短 B.這群氫原子能發(fā)射出兩種頻率不同的光,其中從n=3躍遷到n=1所發(fā)出的光的頻率最大 C.用這群氫原子所發(fā)射出的光照射逸出功為2.49eV的金屬鈉,則從金屬鈉表面所發(fā)出的光電子的最大初動能可能為11.11eV D.用這群氫原子所發(fā)射出的光照射逸出功為2.49eV的金屬鈉,則從金屬鈉表面所發(fā)出的光電子的最大初動能可能為9.60eV 【解析】選D。一群處于n=3能級態(tài)的氫原子能發(fā)射出=3種頻率的光,由hν=可知,由n=3躍遷到n=2能級發(fā)射出的光的波長最長,故A、B均錯誤;這群氫原子發(fā)射出的光子的能量分別為1.89eV、10.2eV、12.

6、09eV。照射逸出功為2.49eV的金屬鈉時(shí),發(fā)出的光電子的最大初動能為7.71eV或9.6eV,故D正確,C錯誤。 8.關(guān)于光電效應(yīng)的規(guī)律,下列說法不正確的是　(　　) A.當(dāng)某種色光照射金屬表面時(shí),能產(chǎn)生光電效應(yīng),則入射光的頻率越高,產(chǎn)生的光電子的最大初動能越大 B.當(dāng)某種色光照射金屬表面時(shí)能產(chǎn)生光電效應(yīng),則入射光的強(qiáng)度越大產(chǎn)生的光電子數(shù)越多 C.對某金屬,入射光波長必須小于其極限波長,才能產(chǎn)生光電效應(yīng) D.同一頻率的光照射不同金屬,如果都能產(chǎn)生光電效應(yīng),則逸出功大的金屬產(chǎn)生的光電子的最大初動能也越大 【解析】選D。由愛因斯坦光電效應(yīng)方程,Ek=hν-W,可知入射光頻率ν越高,

7、Ek值越大,故A項(xiàng)正確。當(dāng)某種色光照射金屬表面能產(chǎn)生光電子,入射光強(qiáng)度越大,單位時(shí)間照射金屬單位面積上的光子數(shù)就越多,光子與光電子是一對一的關(guān)系,因而產(chǎn)生的光電子數(shù)越多,故B項(xiàng)正確。產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬極限頻率.所以入射光波長必須小于極限波長,才能產(chǎn)生光電效應(yīng),故C項(xiàng)正確。由Ek=hν-W,不同金屬A不一樣,同頻率的光照射時(shí),逸出功W大的金屬,光電子的最大初動能小,所以D錯誤。 【總結(jié)提升】光電效應(yīng)問題的解答技巧 (1)利用光電效應(yīng)規(guī)律解題,關(guān)鍵是在理解的基礎(chǔ)上熟練記住光電效應(yīng)規(guī)律,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律可理解記憶為:“放(出光電子)不放,看光限(入射光最低頻率);放多少(光

8、電子),看光強(qiáng);(光電子的)最大初動能(大小),看(入射光的)頻率;要放瞬時(shí)放”。 (2)理解光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的兩個關(guān)系: ①光電子的最大初動能m,與入射光頻率ν成一次函數(shù)關(guān)系,不是成正比。 ②光電流的飽和值跟入射光的強(qiáng)度成正比,這是因?yàn)?在發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),吸收一個光子產(chǎn)生一個光電子,光電子個數(shù)決定了光電流強(qiáng)度,而光電子個數(shù)取決于入射光強(qiáng)度,我們?nèi)菀淄频?光電流的飽和值跟入射光的強(qiáng)度成正比。 9.關(guān)于物質(zhì)波的認(rèn)識,正確的是　(　　) A.電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假說是正確的 B.物質(zhì)波也是一種概率波 C.任何一物體都有一種波和它對應(yīng),這就是物質(zhì)波 D.物質(zhì)波就是光波 【解析

9、】選A、B。本題綜合考查物質(zhì)波概念,電子衍射圖像的觀測證明德布羅意關(guān)于物質(zhì)波的假說是正確的。所以A正確。只有運(yùn)動的物質(zhì)才有物質(zhì)波與它對應(yīng),故C錯誤。物質(zhì)波與光波一樣,也是一種概率波,即粒子在各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵循波動規(guī)律,但物質(zhì)波不是光波,所以B正確,D錯誤。 10.如圖所示,該光電管中陰極材料的逸出功為1.9eV,當(dāng)電鍵S斷開時(shí),用某種光照射陰極K,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零(滑動變阻器滑動觸頭置于最左端)。則 　(　　) A.閉合電鍵后,觸頭向右移動,電流表示數(shù)會增大 B.若選用光子能量為1.7eV的光照射光電管則電流表示數(shù)為0 C.當(dāng)滑動變阻器觸頭向右滑動一定距離時(shí)電流表示數(shù)可能減為

10、0 D.達(dá)到飽和光電流后,要增大電流只能通過增大正向電壓來實(shí)現(xiàn) 【解析】選A、B。由電鍵S斷開時(shí),發(fā)現(xiàn)電流表示數(shù)不為零,說明該入射光能使光電管發(fā)生光電效應(yīng).當(dāng)閉合電鍵后,觸頭向右移動時(shí),光電管中兩極之間的電壓增大,參與導(dǎo)電的光電子數(shù)量增加,電流表示數(shù)會增加,A正確;若入射光子能量為1.7eV,小于逸出功W,則光電管不發(fā)生光電效應(yīng),B正確;因光電管接正向電壓,故當(dāng)觸頭向右移動時(shí),電流表示數(shù)不可能為零,C錯誤;達(dá)到飽和光電流后,要增大電流,只能通過增大入射光的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn),D錯誤。 11.利用金屬晶格(大小約10-10m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣,方法是讓電子通過電場加速,然后讓電子束照射

11、到金屬晶格上,從而得到電子的衍射圖樣。已知電子質(zhì)量為m、電量為e、初速度為零,加速電壓為U,普朗克常量為h,則下列說法中正確的是　(　　) A.該實(shí)驗(yàn)說明物質(zhì)波的存在 B.實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波長為λ= C.加速電壓U越大,電子的衍射現(xiàn)象越不明顯 D.若用相同動能的質(zhì)子代替電子,衍射現(xiàn)象將更加明顯 【解析】選A、B、C。衍射現(xiàn)象是波的特有現(xiàn)象,能通過金屬晶格觀察到電子的衍射圖樣,說明實(shí)物粒子具有波動性,德布羅意物質(zhì)波的確存在,A正確;由Ue=mv2,λ=可得λ=,B正確;由公式可知,加速電壓越大,λ越小,越不易觀察到電子的衍射現(xiàn)象,C正確;由p=,λ=可知,λ=,現(xiàn)用相同動能的質(zhì)子

12、代替電子,質(zhì)子的物質(zhì)波波長更短,衍射現(xiàn)象將更加不明顯,D錯誤。 12.關(guān)于光的波粒二象性,以下說法正確的是　(　　) A.光有時(shí)是波,有時(shí)是一種粒子 B.光子實(shí)質(zhì)上就是一個微觀粒子,只不過太小,一般不易觀察 C.一個光子與一個靜止的自由電子相互碰撞后,光子散射出去,該光子的波長增大 D.紫外線、X射線和γ射線中,γ射線的粒子性最強(qiáng),紫外線的波動性最顯著 【解析】選C、D。波動性和粒子性是光同時(shí)具備的兩種性質(zhì),只是有時(shí)光易顯示出波動性,有時(shí)光易顯示出粒子性。光雖然具有粒子性,每一份就是一個光子,但光子與電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子不同,前者沒有一定的形狀,而后者有一定的形狀,前者在真空中的速

13、度總是不變的,而后者卻以低于光速的速度運(yùn)動,且速度可以不斷變化。我們說光具有粒子性,只是說光是一份一份的,是不連續(xù)的,并不是說光子與質(zhì)子、電子等微小的實(shí)物粒子是一樣的粒子,故A、B選項(xiàng)錯誤;光子與電子碰撞以后能量減小,但速度仍是光速,故其頻率減小,波長增大,故C選項(xiàng)正確;在紫外線、X射線和γ射線中,紫外線的波長最長,最易發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象,波動性最強(qiáng),而γ射線波長最短,最不容易發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象,因而其波動性最弱,粒子性最強(qiáng),D選項(xiàng)正確;故選C、D。 二、計(jì)算題(本大題共4小題,共52分,要有必要的文字說明和解題步驟,有數(shù)值計(jì)算的要注明單位) 13.(10分)X射線管中陽極與陰極間所加電壓

14、為3104V,電子加速后撞擊X射線管陰極產(chǎn)生X射線,求X射線的最短波長。(電子電荷量e=1.610-19C,電子的初速度為零) 【解析】電子加速過程由動能定理可知:hν=eU　(3分) 又c=λν,　(3分) 故最短波長:λ==m =4.1410-11m　(4分) 答案:4.1410-11m 14.(12分)已知使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)的光的極限波長為λ0=372nm,按照玻爾的理論,氫原子的基態(tài)能量為-13.6eV,試通過計(jì)算說明利用氫原子光譜中的光能否使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)(真空中的光速為c=3.00108m/s,普朗克常數(shù)h=6.6310-34Js)。 【解析】由W=　(3分) 可

15、得鋅板的逸出功W=J =5.3510-19J=3.34eV(3分) 按照玻爾理論,氫原子各激發(fā)態(tài)向n=1能級態(tài)躍遷時(shí)放出的光子能量最小為Emin=10.2eV(3分) 故利用光譜中的光能使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。　(3分) 答案:見解析 【補(bǔ)償訓(xùn)練】 已知鈉發(fā)生光電效應(yīng)的極限波長為λ0=510-7m?，F(xiàn)用波長為410-7m的光照射用鈉做陰極的光電管。求: (1)鈉的逸出功W。 (2)為使光電管中的光電流為零,在光電管上所加反向電壓至少多大。 【解析】(1)鈉的逸出功 W=hν0=h=3.97810-19J (2)光電子最大初動能 Ek=hν-W=h-A=0.9910-19J

16、 Ek=eUe,Ue==0.62V 答案:(1)3.97810-19J　 (2)0.62V 15.(14分)愛因斯坦的相對論指出,物體的能量和質(zhì)量之間存在一個定量關(guān)系:E=mc2,其中c為光在真空中的速度。頻率為ν=51014Hz的光子具有的動量是多少?若一電子的動量與該光子相同,該電子的運(yùn)動速度是多少?該電子物質(zhì)波的波長λe是多少? 【解析】根據(jù)光子說,光子的能量E=hν=mc2,　(1分) 故得動量p=mc=　(2分) =kgms-1 =1.110-27kgms-1(3分) 設(shè)電子質(zhì)量為me,速度為ve,動量為pe, 則pe=meve,　(1分) 依題意pe=p,　(2分

17、) 則電子的速度大小為ve===m/s=1.2103m/s(2分) 該電子物質(zhì)波的波長為 λe==m=6.010-7m.　(3分) 答案:1.110-27kgms-1 1.2103m/s　6.010-7m 16.(16分)(1)氫原子從-3.4eV的能級躍遷到-0.85eV的能級時(shí),是發(fā)射還是吸收光子?這種光子的波長是多少(計(jì)算結(jié)果取一位有效數(shù)字)? (2)圖中光電管用金屬材料銫制成,電路中定值電阻R0=0.75Ω,電源電動勢E=1.5V,內(nèi)阻r=0.25Ω,圖中電路在D點(diǎn)交叉,但不相連。R為變阻器,O是變阻器的中間觸頭,位于變阻器的正中央,P為滑動端。變阻器的兩端點(diǎn)ab總阻

18、值為 14Ω。當(dāng)用上述氫原子兩能級間躍遷而發(fā)射出來的光照射圖中的光電管,欲使電流計(jì)G中電流為零,變阻器aP間阻值應(yīng)為多大?(已知普朗克常量h=6.6310-34Js,金屬銫的逸出功為1.9eV。1eV=1.610-19J) 【解題指南】解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn): (1)當(dāng)光電管接反向電壓且阻礙住具有最大初動能的光電子時(shí),電流計(jì)G中電流才為零。 (2)當(dāng)G中電流為零時(shí),有光電管的回路并不影響有電源回路的連接方式。 【解析】(1)氫原子從低能級向高能級躍遷時(shí),應(yīng)吸收光子, ΔE=-0.85eV-(-3.4eV)=2.55eV(2分) 由ΔE=可知 λ==m=510-7m(3分)

19、(2)由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知hν-W=Ek(2分) 又hν=ΔE　(1分) Ek=UoPe　(2分) UoP=RoP　(3分) RaP=-RoP　(2分) 解得RaP=0.5Ω(1分) 答案:(1)吸收光子　510-7m　(2)0.5Ω 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375