6.2实物粒子的波粒二象性 同步作业 —2021-2022学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第三册（word含答案）

6.2实物粒子的波粒二象性
同步作业（解析版）
1．关于波粒二象性，下列说法正确的是（　　）
A．光电效应证明了光具有粒子性，康普顿效应证明了光具有波动性
B．光的波长越长，其粒子性越显著；波长越短，其波动性越显著
C．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
D．电子绕原子核运动时只能在一定的轨道上运动，此时电子只有粒子性，没有波动性
2．下列说法正确的是（　　）
A．电子显微镜的电子束速度越小，电子显微镜分辨本领越低
B．在振荡电路中，当线圈中电流变大时，电容器里的电场强度也变大
C．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的磁场一定产生变化的电场
D．照相机镜头表面的镀膜是光的偏振现象的应用
3．下列说法错误的是（　　）
A．爱因斯坦通过对光电效应的研究，建立了光电效应方程
B．波尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律
C．德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长
D．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型
4．下列说法中正确的是（　　）
A．泊松亮斑证实了光的粒子性
B．光的偏振现象说明光是一种纵波
C．康普顿效应进一步证实了光的粒子性
D．干涉法检查被检测平面的平整度应用了光的双缝干涉原理
5．在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量，普朗克常量，可以估算德布罗意波长的热中子动量的数量级为（　　）
A．
B．
C．
D．
6．以下说法中正确的是（　　）
A．链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
B．在光电效应实验中，入射光的频率越高，单位时间内发射的光电子数一定越多
C．拍摄玻璃窗内物品时在镜头前加一偏振片，可增强窗内透射光的强度使照片更清晰
D．一个电子和一个质子具有同样的动能时，质子的德布罗意波波长更长
7．下列说法正确的是（　　）
A．黑体辐射强度与温度、材料种类、表面状况有关
B．电子衍射实验证明电子具有波动性，这种波叫物质波或德布罗意波
C．单缝衍射中央亮条纹最宽，圆孔衍射中会出现泊松亮斑
D．自然光通过一偏振片a后得到偏振光，该偏振光再通过另一偏振片b，两偏振片的透振方向成45°，则没有光透过b
8．氚核的质量是3.016050u，质子的质量为1.007277u，中子的质量是1.008665u。已知1u相当于931MeV，h＝6.63×10－34J·s，一个质子和两个中子结合为氚核时，下列说法正确的是（　　）
A．本次核反应释放能量2.66MeV
B．本次核反应吸收能量7.97MeV
C．氚核的结合能为7.97MeV，比结合能为2.66MeV
D．如果这些能量对应一个光子能量，则该光子的频率是1.92×1015Hz
9．美国物理学家阿瑟阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖，原来光在接触物体后，会对其产生力的作用，这个来自光的微小作用可以让微小的物体（如细胞）发生无损移动，这就是光技术．在光镊系统中，光路的精细控制非常重要。对此下列说法正确的是（　　）
A．光镊技术利用光的粒子性
B．光镊技术利用光的波动性
C．红色激光光子能量大于绿色激光光子能量
D．红色激光光子动量大于绿色激光光子动量
10．地球半径约为6400km，地球表面的大气随海拔高度增加而变薄，大气压强也随之减小到零，海拔100km的高度被定义为卡门线，为大气层与太空的分界线。有人设想给太空飞船安装“太阳帆”，用太阳光的“光子流”为飞船提供动力来实现星际旅行。已知在卡门线附近，一个正对太阳光、面积为1.0×106m2的平整光亮表面，受到光的压力约为9N；力虽小，但假设以同样材料做成面积为1.0×104m2的
“帆”安装在飞船上，若只在光压作用下，从卡门线附近出发，一个月后飞船的速度可达到2倍声速。设想实际中有一艘安装了“帆”（面积为1.0×104m2）的飞船，在卡门线上正对太阳光，下列说法正确的是（　　）
A．飞船无需其他动力，即可不断远离太阳
B．一年后，飞船的速度将达到24倍声速
C．与太阳中心的距离为日地间距离2倍时，“帆”上的压力约为2.25×10-2N
D．与太阳中心的距离为日地间距离2倍时，飞船的加速度为出发时的
11．“4G改变生活，5G改变社会”，中国已正式进入5G时代．4G所使用的电磁波频率一般都低于6GHz（1G=109），
而5G所用的电磁波频率一般在24GHz到100GHz之间，与4G使用的电磁波相比，5G使用的电磁波（　　）
A．光子能量较小
B．光子动量较大
C．在真空中传播速度更大
D．遇到障碍物更容易发生衍射现象
12．已知A、B两种光子的动量之比为1∶2，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为、，则（　　）
A．A、B两种光子的波长之比为1∶2
B．A、B两种光子的能量之比为2∶1
C．该金属的逸出功为
D．若A、B两种光入射到同一双缝干涉装置上，则相邻亮条纹的间距之比为2∶1
13．COVID﹣19引起的肺炎病人在进行CT诊断时，肺部影像呈白色（“白肺”），其物理原理是利用X射线穿透人体肺部进行扫描并呈现灰度不同的图象。X射线的穿透量受物质吸收程度的影响，吸收程度与物质的密度等因素有关。密度越小，吸收X射线的本领越弱，透过人体的量就越多，呈现的图片就越暗，如空气等。密度越大，吸收X射线的本领越强，透过人体的量就越少，呈现的图片为白色，如骨骼等。X射线被物质的吸收主要产生两种效应：光电效应和康普顿效应。依据以上信息，下列说法中，正确的是（　　）
A．光电效应现象是爱因斯坦最先发现的
B．X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象，属于光电效应，说明X射线具有粒子性
C．光电效应中，X射线频率越高，从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大
D．X射线光子只被电子部分吸收，电子能量增大，光子被散射出去，散射光子波长变长，这说明光子既具有能量又具有动量，这属于康普顿效应，说明了X射线具有粒子性
14．历史上美国宇航局曾经完成了用“深度撞击”号探测器释放的撞击器“击中”坦普尔１号彗星的实验．探测器上所携带的重达400kg的彗星“撞击器”将以1.0×104m/s的速度径直撞向彗星的彗核部分，撞击彗星后“撞击器”融化消失，这次撞击使该彗星自身的运行速度出现1.0×10-7m/s的改变．已知普朗克常量h=6.6×10-34J·s．则：
（1）撞击前彗星“撞击器”对应物质波波长为____________；
（2）根据题中相关信息数据估算出彗星的质量为_______________．
15．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向___________运动，并且波长___________（填“不变”“变小”或“变长”）．
16．我国计划在南京建立国际领先的大科学工程装置——“强流高亮度超导质子源”．超导直线加速器将质子加速至0.9倍光速以上，加速过程中，质子的能量增加，则质子的质量________(选填“增加”“不变”或“减小”)，其物质波波长________(选填“增加”“不变”或“减小”)．
17．原子核的半径为，请估计核内质子的动量不确定范围。如果电子被限制在核内，其动量的不确定范围又是多少？
18．电子质量，中子质量，普朗克常量，能量为2000eV的电子和中子的波长分别是多少？说明为什么中子衍射实验要采用能量很低的慢中子。
19．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性。爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论表明，光在某些方面确实也会表现得像是由一些粒子（即一个个有确定能量和动量的“光子”）组成的。人们意识到，光既具有波动性，又具有粒子性。（c为光速，h为普朗克常量）我们在磁场中学习过磁通量，其实在物理学中有很多通量的概念，比如电通量、光通量、辐射通量等等。辐射通量表示单位时间内通过某一截面的辐射能，其单位为J/s。
(1)光子具有能量。一束波长为λ的光垂直照射在面积为S的黑色纸片上，其辐射通量为φc，且全部被黑纸片吸收，求该束光单位体积内的光子数n；
(2)光子具有动量。当光照射到物体表面上时，不论光被物体吸收还是被物体表面反射，光子的动量都会发生改变，因而对物体表面产生一种压力。求上一问中的光对黑纸片产生的压力大小，并判断若将黑纸片换成等大的白纸片，该束光对白纸片的压力有何变化。
20．科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒每单位面积接收到的光子数为n，光子平均波长为λ，太阳帆面积为S，反射率100%，设太阳光垂直射到太阳帆上，飞船总质量为m。
(1)求飞船加速度的表达式（光子动量p=）；
(2)若太阳帆是黑色的，飞船的加速度又为多少？
21．氦氖激光器所发红光波长为λ＝6.238×10-7m，谱线宽度Δλ＝10－18m，求当这种光子沿x方向传播时，它的x坐标的不确定量多大？
参考答案
1．C
【详解】
A．光电效应和康普顿效应都证明了光具有粒子性，选项A错误；
B．光的波长越长，其波动性越显著，波长越短，其粒子性越显著，选项B错误；
CD．一切运动的微粒都具有波粒二象性，电子绕原子核运动时也有波动性，选项C正确，D错误。
故选C。
2．A
【详解】
A．电子显微镜的电子束速度越小，则电子动量越小，根据
可知电子的波长越长，电子显微镜分辨本领越弱，故A正确；
B．在LC振荡电路中，当线圈中电流变大时，电容器正在放电，则电容器里的电场强度变小，选项B错误；
C．根据麦克斯韦的电磁场理论，均匀变化的磁场产生稳定不变的电场，选项C错误；
D．在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损失，常在光学元件表面镀层透明介质薄膜，这种薄膜就叫增透膜，其原理是薄膜干涉。故D错误；
故选A。
3．C
【详解】
A．爱因斯坦在光的粒子性的基础，建立了光电效应方程，故A正确；
B．波尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，它的成功是因为引进了量子理论，故B正确；
C．德布罗意指出微观粒子的动量越小，其对应的波长就越长，故C错误；
D．卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现有些α粒子发生大角度偏转，卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，故D正确。
故选C。
4．C
【详解】
A．泊松亮斑证实了光的波动性，A错误；
B．光的偏振现象说明光是一种横波，B错误；
C．康普顿效应进一步证实了光的粒子性，C正确；
D．干涉法检查被检测平面的平整度应用了被测平面的上下表面反射回来的两列光发生干涉的原理，不是双缝干涉原理，D错误；
故选C。
5．D
【详解】
由德布罗意波公式
所以
因此热中子的动量的数量级。
故选D。
6．A
【详解】
A．由定义可知，链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，A正确；
B．单位时间内发射的光电子数还与光照强度有关，B错误；
C．偏振片的作用是减弱玻璃窗反射光的强度，并不能增强透射光，C错误；
D．由公式
可得
因为电子的质量小于质子的质量，故电子的德布罗意波波长更长，D错误。
故选A。
7．B
【详解】
A．黑体辐射强度与温度有关，随着温度的升高，辐射的强度增加，而与材料种类、表面状况无关，A错误；
B．电子衍射实验证明电子具有波动性，这种波叫物质波或德布罗意波，B正确；
C．单缝衍射中央亮条纹最宽，小的圆形障碍物衍射中会出现泊松亮斑，C错误；
D．自然光通过一偏振片a后得到偏振光，该偏振光再通过另一偏振片b，两偏振片的透振方向成45°时，仍有光透过b，当两偏振片的透振方向成90°时，没有光透过b，D错误。
故选B。
8．C
【详解】
A．根据题意可知，2个中子和1个原子结合成时质量亏损：
所以释放出能量。
根据爱因斯坦质能方程
放出的能量为
A错误；
B．由A选项可知，1个质子和2个中子结合释放出能量，B错误；
C．1个质子和2个中子结合释放出能量为，所以其结合能为
的平均结合能为
C正确；
D．光子的能量为
所以
D错误；
故选C。
9．A
【详解】
AB．光在接触物体后，会对其产生力的作用，则光镊技术利用光的粒子性，A正确，B错误；
C．红光的频率小于绿光的频率，根据
可知，红色激光光子能量小于绿色激光光子能量，C错误。
D．红色激光光子的频率小于绿色激光光子的频率，则红色激光光子的波长大于绿色激光光子的波长，根据
可知红色激光光子动量小于绿色激光光子动量，D错误。
故选A。
10．C
【详解】
A．因为飞船受到太阳的引力作用，飞船依靠光的压力不能远离太阳，A错误；
B．依据动量定理，只有持续受到恒定的光压一年，飞船的速度才能达到24倍声速，然而飞船运动到卡门点时才能接受光压而加速，一年时间内受到光压而加速的时间非常短，所以一年后，飞船的速度不能达到24倍声速，B错误；
C．根据球表面积公式，半径变为原来的2倍，球的表面积变为原来的4倍，光子的密度减少为原来的，光子的压力也减少为原来的，与太阳中心的距离为日地间距离2倍时，“帆”上的压力约为
C正确；
D．与太阳中心的距离为日地间距离2倍时，飞船受到的来自太阳和其他天体的万有引力，远大于光子的压力，其加速度不可能是出发时加速度的，D错误。
故选C。
11．B
【详解】
A．根据光子能量
可知5G使用的电磁波光子能量较大，A错误；
B．根据光子动量
可知，5G使用的电磁波光子动量较大，B正确；
C．所有频率的光在真空中传播的速率均为，C错误；
D．由于波长
可知5G使用的电磁波波长更短，遇到障碍物不容易发生衍射现象，D错误。
故选B。
12．CD
【详解】
A．由动量
可得
可得A、B两种光子的波长之比为2∶1，故A错；
B．由光子能量
可得两种光子的能量之比为1∶2，故B错误；
C．由于
而
解得
故C正确；
D．由
可知若A、B两种光入射到同一双缝干涉装置上，则相邻亮条纹的间距之比为2∶1，故D正确。
故选CD。
13．BCD
【详解】
A．光电效应现象是赫兹最先发现的。故A错误；
B．X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象，属于光电效应，说明X射线具有粒子性。故B正确；
C．根据光电效应过程
可知，光电效应中，X射线频率越高，从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大。故C正确；
D．X射线光子只被电子部分吸收，电子能量增大，光子被散射出去，散射光子波长变长，这说明光子既具有能量又具有动量，这属于康普顿效应，说明了X射线具有粒子性。故D正确。
故选BCD。
14．
【详解】
（1）撞击前彗星“撞击器”的动量为
则撞击前彗星“撞击器”对应物质波波长为
；
（2）以彗星和撞击器组成的系统为研究对象，规定彗星初速度的方向为正方向，由动量守恒定律得
则得彗星的质量为
．
【点睛】
本题理解动量和能量守恒在实际中的应用，根据物质波波长公式以及动量的计算公式结合求撞击前彗星“撞击器”对应物质波波长；以彗星和撞击器组成的系统为研究对象，由动量守恒定律求解彗星的质量．
15．1
变长
【解析】
光子与电子碰撞过程系统动量守恒，系统动量的矢量和不变，碰前动量向右，故碰撞后系统的动量的矢量和也向右，故碰后光子可能沿方向1振动；由于电子动能增加，故光子动减量小，根据ε=hν，光子的频率减小，根据c=λυ，波长变长；
点睛：光电效应表明光具有粒子性，光子具有能量；康普顿效应进一步表面光子具有动量．
16．增加
减小
【解析】
根据爱因斯坦的狭义相对论质量公式：，可知接近光速运动的物体的质量会变大；因为动量变大，根据，可知物质波波长减小．
17．；
【详解】
由不确定关系可得质子动量的不确定范围
如果电子被限制在核内，电子的运动范围也是，其动量不确定范围也是
18．，，见解析
【详解】
粒子的能量
根据、可得
将代入得
则电子的物质波长
中子的物质波长
快中子速率大，运动起来动量比较大，导致物质波波长太短，难以观测，所以为了能观测到中子的波动性，应采用能量较低的慢中子，慢中子动量小，物质波波长较长，更容易观测其衍射现象。
19．(1)；(2)光对黑纸片产生的压力大小为，该束光对白纸片的压力变大
【详解】
(1)一个光子的能量为
光速
得
该束光单位体积内的光子数为n，则在t时间内的光子数
则该束光的辐射能
由辐射通量的定义知
所以
(2)单位时间内通过某一截面的辐射能为，光故单位时间内这些光子的动量为
黑纸片可以将光完全吸收，由
得到黑纸片对这束光的作用力大小为
由牛顿第三定律可知光对黑纸片的作用力大小为；如果换成等大的白纸片，则会发射一部分光，使得光的动量的变化量增大，作用力变大。
20．(1)；(2)
【详解】
(1)光子垂直射到太阳帆上再反射，动量变化量为2p，设光对太阳帆的压力为F，单位时间打到太阳帆上的光子数为N，则
N=nS
由动量定理有
FΔt=NΔt·2p
所以
F=N·2p
而光子动量，所以
F=
由牛顿第二定律可得飞船加速度的表达式为
a==
(2)若太阳帆是黑色的，光子垂直打到太阳帆上不再反射（被太阳帆吸收），光子动量变化量为p，故太阳帆上受到的光压力为
F′=
飞船的加速度
a′=
21．大于或等于7.96×10－20m
【详解】
解：红光光子动量的不确定量为
Δp＝
根据
ΔxΔp≥
得位置的不确定量为
Δx≥＝＝m≈7.96×10－20m