高中物理 第2章 波粒二象性 第3節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第4節(jié) 光的波粒二象性學(xué)業(yè)分層測評 粵教版

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第3節(jié) 康普頓效應(yīng)及其解釋 第4節(jié) 光的波粒二象性 (建議用時(shí)：45分鐘) [學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 1．下列說法正確的是 (　　) A．概率波就是機(jī)械波 B．物質(zhì)波是一種概率波 C．概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象 D．在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若有一個(gè)光子，則無法確定這個(gè)光子落在哪個(gè)點(diǎn)上 E．光波是一種概率波 【解析】　機(jī)械波是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，而概率波是粒子所到達(dá)區(qū)域的機(jī)率大小可以通過波動(dòng)的規(guī)律來確定，故其本質(zhì)不同，A、C錯(cuò)，B對；由于光是一種概率波，光子落在哪個(gè)點(diǎn)上不能確定，D、E對． 【答案】　BDE 2．在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上．假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子能通過單縫，那么該光子(　　) A．一定落在中央亮紋處 B．一定落在亮紋處 C．可能落在亮紋處 D．可能落在暗紋處 E．落在中央亮紋處的可能性最大 【解析】　根據(jù)光的概率波的概念，對于一個(gè)光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達(dá)95%以上．當(dāng)然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，只不過落在暗處的概率很小而已，故只有C、D、E正確． 【答案】　CDE 3．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法中正確的是(　　) A．光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到 B．光的頻率越高，粒子性越顯著 C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動(dòng)性 D．光的波粒二象性否定了光的電磁說 E．麥克斯韋提出的光的電磁說，將光的波動(dòng)說發(fā)展到了相當(dāng)完美的地步 【解析】　光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的電磁說，只是說某些情況下粒子性明顯，某些情況下波動(dòng)性明顯，故D錯(cuò)誤．光的頻率越高，波長越短，粒子性越明顯，波動(dòng)性越不明顯，越不易看到其衍射現(xiàn)象，故B正確、A錯(cuò)誤．大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性，故C正確．麥克斯韋提出了光是一種電磁波的學(xué)說，將光的波動(dòng)說發(fā)展到了相當(dāng)完善的地步，E正確． 【答案】　BCE 4．對光的認(rèn)識，下列說法正確的是(　　) A．個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性 B．光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的 C．光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí)，就不具有粒子性了，光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動(dòng)性了 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某些場合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯，在某些場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯 E．光表現(xiàn)出波動(dòng)性還是粒子性由光的頻率大小決定，頻率大的光就顯示粒子性 【解析】　本題考查光的波粒二象性．光是一種概率波，少量光子的行為易顯示出粒子性，而大量光子的行為往往顯示出波動(dòng)性，A選項(xiàng)正確；光的波動(dòng)性不是由光子之間的相互作用引起的，而是光的一種屬性，這已被弱光照射雙縫后在膠片上的感光實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，B選項(xiàng)正確；粒子性和波動(dòng)性是光同時(shí)具備的兩種屬性，C、E選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確． 【答案】　ABD 5．為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成照相底片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說法正確的是 (　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的狹縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣 B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的狹縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣 C．大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯示出光的粒子性 D．個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示出光的粒子性 E．大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯示出光的波動(dòng)性 【解析】　單個(gè)光子運(yùn)動(dòng)具有不確定性，大量光子落點(diǎn)的概率分布遵循一定規(guī)律，顯示出光的波動(dòng)性．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫，如果時(shí)間足夠長，底片上會(huì)出現(xiàn)明顯的干涉圖樣，A、E正確，B、C錯(cuò)誤；由光的波粒二象性知，個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示出光的粒子性，D正確． 【答案】　ADE 6．關(guān)于電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以下說法不正確的是 (　　) A．電子如果表現(xiàn)粒子性，則無法用軌跡來描述它們的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律 B．電子如果表現(xiàn)粒子性，則可以用軌跡來描述它們的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律 C．電子如果表現(xiàn)波動(dòng)性，則無法用軌跡來描述它們的運(yùn)動(dòng)，空間分布的概率遵循波動(dòng)規(guī)律 D．電子如果表現(xiàn)波動(dòng)性，則可以用軌跡來描述它們的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律 E．電子如果表現(xiàn)出粒子性，則無法用軌跡來描述它們的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)也不遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律 【解析】　由于運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的物質(zhì)波是概率波，少量電子表現(xiàn)出粒子性，無法用軌跡描述其運(yùn)動(dòng)，也不遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律，A、B錯(cuò)誤，E正確；大量電子表現(xiàn)出波動(dòng)性，無法用軌跡描述其運(yùn)動(dòng)，可確定電子在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率，且概率遵循波動(dòng)規(guī)律，C正確，D錯(cuò)誤． 【答案】　ABD 7．物理學(xué)家做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在光屏處放上照相底片，若減弱光的強(qiáng)度，使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長，底片上只出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子；如果曝光時(shí)間足夠長，底片上就出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋，對這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有下列認(rèn)識，其中正確的是(　　) A．曝光時(shí)間不長時(shí)，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(diǎn)子 B．單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)沒有確定的軌道 C．干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方 D．只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出波動(dòng)性 E．只有個(gè)別光子的行為才能表現(xiàn)出波動(dòng)性 【解析】　光波是概率波，單個(gè)光子沒有確定的軌道，其到達(dá)某點(diǎn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，少數(shù)光子落點(diǎn)不確定體現(xiàn)粒子性，大量光子的行為符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，受波動(dòng)規(guī)律支配，才表現(xiàn)出波動(dòng)性，出現(xiàn)干涉中的亮紋或暗紋，故A、E錯(cuò)誤，B、D正確；干涉條紋中的亮紋處是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方，暗紋處是光子到達(dá)機(jī)會(huì)少的地方，但也有光子到達(dá)，故C正確． 【答案】　BCD 8．紫外線光子的動(dòng)量為.一個(gè)靜止的O3吸收了一個(gè)紫外線光子后沿著________方向運(yùn)動(dòng)． 【解析】　由動(dòng)量守恒定律知，吸收了紫外線光子的O3分子與光子原來運(yùn)動(dòng)方向相同． 【答案】　光子原來運(yùn)動(dòng)的 [能力提升] 9．關(guān)于光的波粒二象性，下列說法正確的是(　　) A．光的粒子性說明每個(gè)光子就像一個(gè)極小的球體 B．光是波，與橡皮繩上的波相似 C．光的波動(dòng)性是大量光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn)，在干涉條紋中，那些光強(qiáng)度大的地方，光子到達(dá)的概率大 D．在宏觀世界中波動(dòng)性和粒子性是對立的，在微觀世界是可以統(tǒng)一的 E．單個(gè)光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性 【解析】　由于波動(dòng)性和粒子性是光同時(shí)具有的兩種屬性，不同于宏觀觀念中的波和粒子，故A、B選項(xiàng)錯(cuò)誤．在干涉實(shí)驗(yàn)中，光強(qiáng)度大的地方即為光子到達(dá)概率大的地方，表現(xiàn)為亮紋；光強(qiáng)度小的地方即為光子到達(dá)概率小的地方，表現(xiàn)為暗紋，故C選項(xiàng)正確．在宏觀世界中，牛頓的“微粒說”與惠更斯的“波動(dòng)說”是相互對立的，只有在微觀世界中，波動(dòng)性與粒子性才能統(tǒng)一，故D選項(xiàng)正確．光子通過單縫的運(yùn)動(dòng)路線是無法確定、毫無規(guī)律的，大量光子通過單縫后卻呈現(xiàn)規(guī)律性，E選項(xiàng)正確． 【答案】　CDE 10．白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果．美國物理學(xué)家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．假設(shè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，光子沿另一方向散射出去，則這個(gè)散射光子跟原來的光子相比光子能量變________，波長變________． 【解析】　光子與電子碰撞時(shí)，遵守動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，自由電子被碰前靜止，被碰后動(dòng)量、能量增加；所以光子的動(dòng)量、能量減小，頻率變小，波長變大． 【答案】　小　大 11．如圖243是一個(gè)粒子源．產(chǎn)生某種粒子，在其正前方安裝只有兩條狹縫的擋板，粒子穿過狹縫打在前方的熒光屏上使熒光屏發(fā)光．那么在熒光屏上將看到什么現(xiàn)象？ 【導(dǎo)學(xué)號：78220024】 圖243 【解析】　由于粒子源產(chǎn)生的粒子是微觀粒子，它的運(yùn)動(dòng)受波動(dòng)性支配，對大量粒子運(yùn)動(dòng)到達(dá)屏上的某點(diǎn)的概率，可以用波的特征進(jìn)行描述，即產(chǎn)生雙縫干涉，在屏上將看到干涉條紋． 【答案】　有多條明暗相間的條紋 12．光具有波粒二象性，光子的能量ε＝hν，其中頻率ν表示波的特征，在愛因斯坦提出光子說之后，法國物理學(xué)家德布羅意提出了光子動(dòng)量p與光波波長λ的關(guān)系p＝.若某激光管以P＝60 W的功率發(fā)射波長λ＝663 nm的光束，試根據(jù)上述理論計(jì)算： (1)該管在1 s內(nèi)發(fā)射出多少個(gè)光子？ (2)若光束全部被某黑體表面吸收，那么該黑體表面所受到光束對它的作用力F為多大？ 【導(dǎo)學(xué)號：78220025】 【解析】　(1)光子不僅有能量，而且有動(dòng)量，照射物體時(shí)，產(chǎn)生的作用力可根據(jù)動(dòng)量定理求解．設(shè)在時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)射出的光子數(shù)為n，光子頻率為ν，每個(gè)光子的能量ε＝hν，所以P＝(Δt＝1 s) 而ν＝ 解得n＝ ＝(個(gè)) ＝2.01020(個(gè))． (2)在時(shí)間Δt內(nèi)激光管發(fā)射出的光子全部被黑體表面吸收，光子的末動(dòng)量變?yōu)榱?，?jù)題中信息可知，n個(gè)光子的總動(dòng)量為 p總＝np＝n. 根據(jù)動(dòng)量定理有FΔt＝p總，解得黑體表面對光子束的作用力為 F＝＝＝＝＝ N ＝2.010－7 N. 又根據(jù)牛頓第三定律，光子束對黑體表面的作用力F′＝F＝2.010－7 N. 【答案】　(1)2.01020　(2)2.010－7 N 13．科學(xué)家設(shè)想未來的宇航事業(yè)中利用太陽帆來加速星際飛船，設(shè)該飛船所在地每秒每單位面積接收到的光子數(shù)為n，光子平均波長為λ，太陽帆面積為S，反射率100%，設(shè)太陽光垂直射到太陽帆上，飛船總質(zhì)量為m. (1)求飛船加速度的表達(dá)式(光子動(dòng)量p＝)； (2)若太陽帆是黑色的，飛船的加速度又為多少？ 【導(dǎo)學(xué)號：78220026】 【解析】　(1)光子垂直射到太陽帆上再反射，動(dòng)量變化量為2p，設(shè)光對太陽帆的壓力為F，單位時(shí)間打到太陽帆上的光子數(shù)為N，則N＝nS 由動(dòng)量定理有FΔt＝NΔt2p 所以F＝N2p 而光子動(dòng)量p＝，所以F＝ 由牛頓第二定律可得飛船加速度的表達(dá)式為 a＝＝. (2)若太陽帆是黑色的，光子垂直打到太陽帆上不再反射(被太陽帆吸收)，光子動(dòng)量變化量為p，故太陽帆上受到的光壓力為F′＝，飛船的加速度a′＝. 【答案】　(1)a＝　(2)a′＝