新課改高中物理選修第3冊 第06 講《波粒二象性》 中檔版 試卷

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波粒二象性一、光的電磁理論1．光是一種電磁波⑴ 光具有波的特性，在同一介質(zhì)中光速、波長和頻率之間滿足：。（請注意分清和這兩個(gè)易混的字母）⑵ 在可見光中，各色光頻率的大小關(guān)系是：。典例精講【例1.1】（2019春?南關(guān)區(qū)校級月考）光的　　現(xiàn)象和光的　　現(xiàn)象證明光是一種波，光的　　現(xiàn)象證明光是橫波。2．介質(zhì)對光速的影響⑴ 光在真空中的速度：。⑵ 光在不同的介質(zhì)中的速度由可知，介質(zhì)的折射率越大，光速越小。⑶ 不同色光在同一介質(zhì)中的速度由三棱鏡光的色散實(shí)驗(yàn)可知，同一介質(zhì)對紫光的折射率最大，紅光的最小。再由得到，在同一介質(zhì)中有：。二、光的粒子1．光電效應(yīng)如圖所示，把一塊鋅板連接在驗(yàn)電器上，手觸鋅板使驗(yàn)電器指示歸零。用紫外線照射鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器的指針張開。  物理學(xué)家赫茲（德國）、勒納德（德國）、湯姆孫（英國）等相繼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了這樣一個(gè)現(xiàn)象：照射到金屬表面的光，能使金屬表面的電子從表面逸出。這個(gè)現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，這種電子常被稱為光電子。⑴ 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律① 任何一種金屬，都有一個(gè)截止頻率，也稱極限頻率。入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)。② 逸出光電子的動(dòng)能只與入射光的頻率有關(guān)，而與入射光的強(qiáng)弱無關(guān)。入射光的頻率越大，逸出光電子的動(dòng)能就越大。③ 對于一定顏色的光（），入射光越強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)越多。④ 無論入射光（）怎樣微弱，光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。⑵ 光電效應(yīng)與經(jīng)典電磁理論的沖突① 按照光的電磁理論，光是電磁波，是變化的電場與變化的磁場的傳播。入射光照射到金屬上時(shí)，金屬中的自由電子受變化電場的驅(qū)動(dòng)力作用而做受迫振動(dòng)，增大入射光的強(qiáng)度，光波的振幅增大，當(dāng)電子做受迫振動(dòng)的振幅足夠大時(shí)，總可以掙脫金屬束縛而逸出，成為光電子，不應(yīng)存在極限頻率。② 按照光的電磁理論，光越強(qiáng)，光子的初動(dòng)能應(yīng)該越大。③ 按照光的電磁理論，光電子的產(chǎn)生需要較長的時(shí)間而不是瞬間。⑶ 光子說① 在空間傳播的光不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光子，光子的能量與光的頻率成正比，即，其中普朗克常量。② 光子說對光電效應(yīng)的解釋：(a) 光子的能量只與光的頻率有關(guān)，電子吸收到光子的頻率越大，獲得的能量也就越多。當(dāng)能量足以使電子擺脫金屬的束縛時(shí)，它就從金屬表面逸出，成為光電子，因而存在一個(gè)截止頻率。(b) 根據(jù)能量守恒定律，逸出光電子的最大初動(dòng)能：。這就是著名的愛因斯坦光電效應(yīng)方程，為金屬的逸出功。(c) 入射光越強(qiáng)，單位體積內(nèi)的光子數(shù)就越多。光子數(shù)越多，單位時(shí)間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)也就越多。(d) 電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時(shí)間，因此光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的。典例精講【例1.1】（2019春?沙雅縣校級期中）科學(xué)家　　提出光子說，很好地解釋了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)；光電效應(yīng)說明光具有　　性。【例1.2】（2019春?芮城縣期末）用圖所示的光電管研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計(jì)G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時(shí)，電流計(jì)G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么（　　）A．a光的頻率一定小于b光的頻率 B．增加b光的強(qiáng)度可能使電流計(jì)G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．用a光照射光電管陰極K時(shí)通過電流計(jì)G的電流是由d到c D．只增加a光的強(qiáng)度可使通過電流計(jì)G的電流增大【例1.3】（2019?讓胡路區(qū)校級四模）甲、乙兩種金屬發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能與入射光頻率間的關(guān)系圖象分別如圖中的Ⅰ、Ⅱ所示．下列判斷正確的是（　　）A．Ⅰ與Ⅱ不一定平行 B．甲金屬的極限頻率大 C．圖象縱軸截距由入射光強(qiáng)度決定 D．Ⅰ、Ⅱ的斜率是定值，與入射光和金屬材料均無關(guān)系2．康普頓效應(yīng)⑴ 光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。⑵ 康普頓效應(yīng)1918~1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長相同的成分外，還有波長大于的成分，這個(gè)現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)。康普頓的學(xué)生，中國留學(xué)生吳有訓(xùn)測試了多種物質(zhì)對X射線的散射，證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性。⑶ 康普頓效應(yīng)與經(jīng)典電磁理論的沖突按照經(jīng)典電磁理論，由于光是電磁振動(dòng)的傳播，入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動(dòng)，振動(dòng)著的帶電微粒從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光。散射光的頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動(dòng)的頻率，也就是入射光的頻率，因而散射光的波長與入射光的波長應(yīng)該相同，不會出現(xiàn)的散射光。經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)又一次出現(xiàn)矛盾。⑷ 光子模型對康普頓效應(yīng)的解釋康普頓用光子的模型成功地解釋了這種效應(yīng)?；舅枷胧牵?/span>X射線的光子不僅具有能量，也像其他粒子那樣具有動(dòng)量，X射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)要遵守能量守恒和動(dòng)量守恒定律，求解這些方程，可以得出散射光波長的變化值。理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得很好。⑸ 光子的動(dòng)量：典例精講【例2.1】（2019?南昌三模）康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動(dòng)量。圖中給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰后光子可能沿那個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，波長如何變化（　?。?/span>A．3、變長 B．1、變短 C．1、變長 D．2、不變【例2.2】（2019春?海安市校級月考）下列說法中正確的是（　?。?/span>A．黑體輻射時(shí)，隨著溫度的升高，一方面各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面輻射強(qiáng)度的極大值向頻率較小的方向移動(dòng)????????????? B．在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后波長變短????????????? C．盧瑟福通過對α粒子散射實(shí)驗(yàn)的研究，揭示了原子核的組成 D．各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜，不同原子的發(fā)光頻率不一樣，因此每種原子都有自己的特征譜線，人們可以通過光譜分析來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成三、波粒二象1．光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象和光的電磁理論，證明光具有波動(dòng)性；光電效應(yīng)現(xiàn)象和光子說證明光具有粒子性。無法用其中的一種性質(zhì)解釋所有光現(xiàn)象，所以認(rèn)定光既有粒子性，又有波動(dòng)性，即具有波粒二象性。當(dāng)研究個(gè)別光子的行為時(shí)，呈現(xiàn)的是粒子性；當(dāng)研究大量光子的連續(xù)行為時(shí)，呈現(xiàn)的是波動(dòng)性。光的波長越長，其波動(dòng)性越顯著，光的波長越短，其粒子性越顯著。典例精講【例1.2】（2019春?河南月考）在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是（　?。?/span>A．光子通過狹縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏 B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將會顯示衍射圖樣 C．單個(gè)光子通過單縫后，底片上也會出現(xiàn)完整的衍射圖樣 D．單個(gè)光子通過單縫后的運(yùn)動(dòng)情況具有隨機(jī)性，大量光子通過單縫后的運(yùn)動(dòng)情況也呈現(xiàn)隨機(jī)性【例1.3】（2019春?徐州期末）從古代光的微粒說，到托馬斯?楊和菲涅爾的光的波動(dòng)說，從麥克斯韋的光的電磁理論，到愛因斯坦的光子理論，人類對光的認(rèn)識構(gòu)成了一部科學(xué)史詩。如果現(xiàn)在要問光的本性是什么？我們的回答是（　?。?/span>A．大量光子表現(xiàn)出光具有粒子性 B．光是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是一份一份的 C．光的波動(dòng)性是大量光子之間的相互作用引起的 D．光具有波粒二象性，大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性【例1.4】（2019春?成都月考）關(guān)于近代物理學(xué)，下列說法正確的是（　?。?/span>A．玻爾原子模型能很好地解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 B．電子的衍射現(xiàn)象說明電子具有波動(dòng)性 C．德布羅意指出微觀粒子的動(dòng)量越大，其對應(yīng)的波長就越大 D．目前我國核電站的能量來源于輕核聚變2．粒子的波動(dòng)性德布羅意考慮到普朗克量子理論和愛因斯坦光子理論的成功，大膽把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等。他提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波后來稱為德布羅意波，也叫做物質(zhì)波。1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。說明：這部分內(nèi)容深入講解的話涉及量子力學(xué)的知識，高考也極少考察，因此老師根據(jù)課堂實(shí)際情況簡單說明即可。隨堂練習(xí)一．選擇題（共10小題）1．（2015?永安市模擬）下列說法正確的是（　?。?/span>A．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，提出原子的核式結(jié)構(gòu)模型 B．金屬的逸出功隨入射光的頻率增大而增大 C．核力存在于原子核內(nèi)所有核子之間 D．核子平均結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定2．（2017?江蘇一模）如圖所示為研究光電效應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，電路中所有元件完好，當(dāng)光照射到光電管上時(shí)，靈敏電流計(jì)中沒有電流通過，可能的原因是（　?。?/span>A．入射光強(qiáng)度較弱 B．入射光波長太長 C．電源電壓太高 D．光照射時(shí)間太短3．（2017春?煙臺期末）如圖所示，在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下a、b兩光束分別經(jīng)過同一雙縫干涉裝置后在距雙縫相同距離的光屏上得到的干涉圖樣，則 （　?。?/span>A．若a光束為綠色光，則b光束可能為紅色光 B．在相同條件下，a光束比b光束更容易產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象 C．照射在同一金屬板上發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，a光束的飽和電流大 D．兩光束都以相同的入射角從水中射向空氣時(shí)，若b光束在兩界面上恰好發(fā)生了全反射，則a光束一定發(fā)生了全反射4．（2017秋?湛江月考）光照射到金屬鈉表面上產(chǎn)生了光電效應(yīng)，逸出電子的遏止電壓是5.0V，鈉的逸出功為2.2eV，此入射光的光子能量為（　?。?/span>A．2.2eV B．2.8eV C．5.0eV D．7.2eV5．（2017?興慶區(qū)校級一模）關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是（　?。?/span>A．極限頻率越大的金屬材料逸出功越大 B．只要光照射的時(shí)間足夠長，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng) C．從金屬表面出來的光電子的最大初動(dòng)能越大，這種金屬的逸出功越小 D．入射光的光強(qiáng)一定時(shí)，頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多6．（2016?合肥校級模擬）愛因斯坦提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．某種金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示，其中ν0為極限頻率．從圖中可以確定的是（　?。?/span>A．Ekm與入射光強(qiáng)度成正比 B．圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān) C．光電子的逸出功與入射光頻率ν無關(guān) D．當(dāng)ν＜ν0時(shí)，無論入射光強(qiáng)度多大都不會逸出光電子 E．當(dāng)ν＜ν0時(shí)，只要入射光強(qiáng)度足夠強(qiáng)也會逸出光電子7．（2018春?長治縣校級期末）實(shí)物粒子和光都具有波粒二象性。下列事實(shí)中突出體現(xiàn)實(shí)物粒子波動(dòng)性的是（　　）A．可見光通過雙縫實(shí)驗(yàn)裝置后可以形成干涉圖樣 B．β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡 C．人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) D．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)8．（2018春?河北期末）近年來，數(shù)碼相機(jī)幾乎家喻戶曉，用來衡量數(shù)碼相機(jī)性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是像素，像素可理解為光子打在光屏上的一個(gè)亮點(diǎn)，現(xiàn)知300萬像素的數(shù)碼相機(jī)拍出的照片比30萬像素的數(shù)碼相機(jī)拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解為（　?。?/span>A．大量光子表現(xiàn)光具有粒子性 B．光的波動(dòng)性是大量光子之間的相互作用引起的 C．光是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是一份一份的 D．光具有波粒二象性，大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性9．（2018秋?忻府區(qū)校級期中）關(guān)于光的波粒二象性，以下說法中正確的是（　?。?/span>A．光的波動(dòng)性與機(jī)械波，光的粒子性與質(zhì)點(diǎn)都是等同的 B．光子和質(zhì)子、電子等是一樣的粒子 C．大量光子易顯出粒子性，少量光子易顯出波動(dòng)性 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(dòng)性最顯著10．（2009秋?太原月考）光子在介質(zhì)中和物質(zhì)微粒相互作用，可使光的傳播方向轉(zhuǎn)向任何方向，這種現(xiàn)象叫做光的散射。1922年，美國物理學(xué)家家康普頓研究了石墨中的電子對X射線的散射規(guī)律，若用λ、λ′表示散射前、后X射線的波長，用λe表示作用后電子的德布羅意波長，則（　?。?/span>A．λ′＞λ，碰撞過程動(dòng)量守恒，能量不守恒 B．λ′＜λ，碰撞過程能量守恒，動(dòng)量不守恒 C．λ′＞λ，碰撞過程動(dòng)量守恒，能量也守恒 D．碰后電子動(dòng)量為，碰撞過程滿足二．多選題（共3小題）11．（2019春?工農(nóng)區(qū)校級月考）下列說法正確的是（　?。?/span>A．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(qiáng)度，則逸出的光電子數(shù)減少，光電子的最大初動(dòng)能不變????????????? B．X射線的衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了物質(zhì)波假設(shè)是正確的 C．發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比 D．在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此光子散射后波長變長????????????? E．速度相等的電子和質(zhì)子，電子的波長大12．（2018春?涼州區(qū)校級期末）關(guān)于光子和運(yùn)動(dòng)著的電子，下列敘述正確的是（　?。?/span>A．光子和電子一樣都是實(shí)物粒子 B．光子和電子都能發(fā)生衍射現(xiàn)象 C．光子和電子都具有波粒二象性 D．光子具有波粒二象性，而電子只具有粒子性13．（2012?江西校級三模）下列說法正確的是（　?。?/span>A．在康普頓效應(yīng)中，當(dāng)入射光子與晶體中的電子碰撞時(shí)，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，因此，光子散射后波長變長????????????? B．將放射性元素?fù)诫s到其他穩(wěn)定元素中，并降低其溫度，它的半衰期會改變 C．玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論是在盧瑟福核式結(jié)構(gòu)學(xué)說上引入了量子理論 D．氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)軌道的過程中，原子吸收能量，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢能增大????????????? E．在黑體輻射中隨著溫度的升高，一方面各種波長的輻射強(qiáng)度都會增加；另一方面輻射強(qiáng)度的極大值向波長較長的方向移動(dòng)三．計(jì)算題（共2小題）14．（2017春?香坊區(qū)校級期中）用頻率為ν的光照射某光電管，發(fā)射的光電子的最大初動(dòng)能為E，若改用頻率為2ν的光照射該光電管，則發(fā)射的光電子的最大初動(dòng)能是多少？15．（2016?長沙校級模擬）光具有波粒二象性，光子的能量hν，其中頻率表征波的特性．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與光波波長的關(guān)系為p．若某激光管以P＝60W的功率發(fā)射波長λ＝6.63×10﹣7m的光束，試根據(jù)上述理論計(jì)算：（1）該管在1s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的光束對它的作用力F為多大？四．解答題（共2小題）16．（2019?東寶區(qū)校級學(xué)業(yè)考試）如圖所示是使用光電管的原理圖，當(dāng)頻率為v的可見光照射到陰極K上時(shí)，電流表中有電流通過．（1）當(dāng)變阻器的滑動(dòng)端P向　   　滑動(dòng)時(shí)（填“左”或“右”），通過電流表的電流將會增大．（2）當(dāng)電流表電流剛減小到零時(shí)，電壓表的讀數(shù)為U，則光電子的最大初動(dòng)能為　   　 （已知電子電荷量為e）．（3）如果不改變?nèi)肷涔獾念l率，而增加入射光的強(qiáng)度，則光電子的最大初動(dòng)能將　   　 （填“增加”、“減小”或“不變”）．17．（2014?甘肅一模）關(guān)于光的波粒二象性，下列理解正確的是　   　A．當(dāng)光子靜止時(shí)有粒子性，光子傳播時(shí)有波動(dòng)性B．光時(shí)一種宏觀粒子，但它按波的方式傳播C．光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大?。ǜ怕剩┛梢杂貌▌?dòng)規(guī)律來描述D．大量光子出現(xiàn)的時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子出現(xiàn)的時(shí)候表現(xiàn)出粒子性E．大量光子出現(xiàn)的時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子出現(xiàn)的時(shí)候表現(xiàn)出粒子性．