第四章 波粒二象性 单元测试（Word版含解析）

2021-2022学年粤教版（2019）选择性必修第三册
第四章
波粒二象性
单元测试（解析版）
第I卷（选择题）
一、选择题（共40分）
1．下列说法正确的是（　　）
A．声波是概率波
B．地震波是概率波
C．水波是概率波
D．光波是概率波
2．下列有关光现象的说法中正确的是（
）
A．太阳光下的肥皂泡表面呈现出彩色条纹，这是光的衍射现象
B．电视机遥控器是利用发出红外线脉冲信号来变换频道的
C．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波长太短
D．在光的双缝干涉实验中，若仅将两缝间距增大，则条纹间距一定变大
3．在研究光电效应现象时，先后用单色光a、b、c照射同一光电管，所得到的光电流，与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是（　　）
A．b、c两种单色光的颜色相同
B．a、b两种单色光的光照强度相同
C．增大c光的光照强度，电路中的饱和光电流将增大
D．增大b光的光照强度，射出的光电子的最大初动能增大
4．一束复色光沿方向射向半圆形玻璃砖的圆心O，与界面的夹角为。两条出射光光、光与法线的夹角分别为和，半圆形玻璃砖的半径为R，真空中光速为C。则下列说法正确的是（　　）
A．玻璃砖对光的折射率大于对光的折射率
B．在玻璃砖中光的速度小于光的速度
C．在玻璃砖中光光子的动量大于光光子的动量
D．光与光在玻璃砖中传播的时间差为
5．如图所示，用某一频率的光照射光电管的阴极，阴极材料的逸出功为W，光电子的最大初动能为Ek。将开光S闭合，并从滑动变阻器的最左端缓慢向右移动滑片至滑动变阻器的最右端，发现电流表示数逐渐增大。已知h为普朗克常量，下列说法中正确的是（　　）
A．A端接的是电源的负极
B．滑片至滑动变阻器的最右端时，电流表中的电流一定为饱和光电流
C．根据爱因斯坦的光子说，入射光的频率可能为
D．若将电源极性颠倒，从滑动变阻器的最左端缓慢向右移动滑片，当电流表示数刚好为零时，电压表示数为
6．为了做好疫情防控工作，考试时工作人员利用红外线体温计对考生进行体温检测。红外线体温计的工作原理是：被测人员辐射的光线只有红外线可被捕捉，并转变成电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。图为氢原子能级示意图，已知普朗克常量为，光在真空中的速度为，元电荷。红外线中只有波长在0.76至14的范围内的才能被捕捉。要使氢原子辐射出的光子可被红外线体温计捕捉，最少应给处于n=1的氢原子提供的能量为（　　）
A．2.55eV
B．12.09eV
C．12.75eV
D．10.20eV
7．研究光电效应的电路图如图所示，关于光电效应，下列说法正确的是（　　）
A．任何一种频率的光，只要照射时间足够长，电流表就会有示数
B．若电源电动势足够大，滑动变阻器滑片向右滑，电流表的示数能一直增大
C．调换电源的正负极，调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数可能会消失
D．光电效应反应了光具有波动性
8．下列关于概率波的说法中，正确的是（　　）
A．概率波就是机械波
B．物质波是一种概率波
C．概率波和机械波的本质是一样的，都能发生干涉和衍射现象
D．在光的双缝干涉实验中，若有一个粒子，则不能确定它从其中的哪一个缝中穿过
9．关于光电效应及波粒二象性，下列说法正确的是（　　）
A．光的波长越大，能量越大
B．光电效应揭示了光的粒子性
C．紫外线照射锌板，发生光电效应，锌板带负电
D．光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率有关
10．某同学采用如图所示的实验装置来研究光电效应现象。当用某单色光照射光电管的阴极K时，会发生光电效应现象。闭合开关S，在阳极A和阴极K之间加上反向电压，通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压，直至电流计中电流恰为零，此电压表的电压值U称为遏止电压，根据遏止电压，可以计算出光电子的最大初动能Ek。现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极，测量到遏止电压分别为U1和U2，设电子质量为m、电荷量为e，则下列关系式中正确的是（　　）
A．用频率为ν1的光照射时，光电子的最大初速度
B．阴极K金属的逸出功
C．阴极K金属的极限频率
D．普朗克常量
第II卷（非选择题）
二、实验题（共15分）
11．某学习小组决定探究“光电效应”的实验规律，采用如图所示的实验电路，用稳定的黄色强光照射光电管的阴极板：
（1）要描绘光电管的伏安曲线，开关闭合前，滑动变阻器的滑片P应该在______端（选填“a或b”）。
（2）实验过程中发现，实验室提供的微电流传感器G（电阻为Rg=1995Ω）量程太小了，该小组同学决定把量程放大400倍，应该给微电流传感器______联一个______Ω的电阻。
（3）滑动滑片P，读出电压表示数U，微电流传感器示数I示，并换算成光电管的实际电流I实际，如表：
通过所采集的数据描出光电管的伏安曲线，实验证实：随着电压的增大，电流有饱和值的存在。
（4）在上述探究“光电效应”中的“饱和电流”实验中，电路图中电源的负极为______端（选填“M或N”）。每个光电子带电量为e=1.6×10-19C，则在第（3）步的实验中每秒钟阴极板上被光照射而逸出的光电子个数约为______个。（结果保留3位有效数字）
12．探究光电效应现象的实验装置如图所示。若要探究光电效应中光电流与光照强度的关系，则电源左端应为电源的___________（填“正”或“负”）极。在探究光电效应中铷的遏止电压与入射光的频率之间的关系时，当滑动变阻器从___________（填“左”或“右”）向另一侧慢慢滑动时，光电流逐渐减小到零。
三、解答题（共45分）
13．可利用如图l所示的电路研究光电效应中电子的发射情况与光照的强弱、光的频率等物理量间的关系。K、A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K受到光照时能够发射电子，K与A之间的电压大小可以调整，电源的正负极也可以对调。
(1)a.电源按图1所示的方式连接，且将滑动变阻器中的滑片置于中央位置附近，试判断：光电管中从K发射出的电子由K向A的运动是加速运动还是减速运动？
b.现有一电子从K极板逸出，初动能忽略不计，已知电子的电量为e，电子经电压U加速后到达A极板，求电子到达A极板时的动能Ek；
(2)美国物理学家密立根为了检验爱因斯坦光电效应方程的正确性，设计实验并测量了某金属的遏止电压UC与入射光的频率。根据他的方法获得的实验数据绘制成如图2所示的图线。已知电子的电量e=1.6l0－19C，求普朗克常量h。（将运算结果保留l位有效数字）
14．如图是电子束穿过铝箔后的衍射图样，结合图样及课本内容回答下列问题：
（1）德布罗意提出“实物粒子也具有波动性”假设的理论基础是什么？
（2）电子束穿过铝箔的衍射图样说明了什么？
15．铝的逸出功是3.0eV，现在用波长为300nm的光照射铝的表面有光电子逸出，其中普朗克常量，电子的电荷量为。求：
(1)光电子的最大初动能？
(2)金属铝的遏止电压？
(3)铝的截止频率？
16．(1)动量定理可以表示为FΔt=△p，其中力，和动量p都是矢量。在运用动量定理处理二维问题时，可以在相互垂直的x、y两个方向上分别研究。如图1所示，质量为m的小球斜射到钢板上，入射的角度是θ，碰撞后弹出的角度也是θ，碰撞前后的速度大小都是v，碰撞过程中忽略小球所受重力，碰撞时间△t为已知。求小球对钢板的作用力F1。
(2)光子除了有能量，还有动量。若光子能量为E，动量为J），则光子动量，式中
c为真空中的光速。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。
图2是1901年俄国物理学家列别捷夫测量光压的实验装置。T型架通过悬丝竖直悬挂，横臂水平，悬丝一端同定在横臂中点。在横臂的两侧有圆片P和Q，两圆片与T型架在同一竖直平面内。圆片P是涂黑的，当光线照射到P上时，可以认为光子全部被吸收；圆片Q是光亮的，当光线照射到Q上时，可以认为光子全部被反射。分别刚光线照射在P或Q上，都可以引起悬丝的旋转。在悬丝上固定一小平面M，N用一细光束照射时，就可以获知悬丝扭转的角度。已知光速为c，两个圆片P、Q的半径都为r。悬丝转过的角度与光对网片的压力成正比。
a．用光强（单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光能）为I0的激光束垂直照射整个圆片P，求激光束对圆片P的压力F2的大小；
b．实验中，第一次用光强为I0的激光束单独照射整个圆片P，平衡时，光束与圆片垂直，且悬丝有一扭转角；第二次仍用该光束单独照射整个圆片Q，平衡时，光束与圆片不垂直，悬丝的扭转角与第一次相同。求激光束与圆片Q所在平面的夹角。
参考答案
1．D
【详解】
ABC．声波、地震波和水波属于机械波，故ABC错误；
D．光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，光由光子组成，光的衍射干涉等说明光具有波动性，即光具有波粒二象性，按德布罗意的观点粒子波是一种概率波，所以光波是概率波，故D正确。
故选D。
2．B
【详解】
A．太阳光下的肥皂泡表面呈现出彩色条纹，这是光的干涉现象。故A错误；
B．遥控器是利用发出红外线，波长较长，来变换频道的，故B正确；
C．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的频率太小，波长太长，故C错误；
D．根据双缝干涉条纹间距公，仅将双缝间距增大，则条纹间距一定变小，故D错误。
故选B。
3．C
【详解】
A．根据图像可知单色光c的遏止电压小于单色光b，根据
可知b、c两种单色光频率不同，所以颜色不同，故A错误；
B．由图可知单色光a的饱和电流大于单色光b，故可知单色光a的光照强度大于单色光b，故B错误；
C．电路中的饱和光电流与光的强度有关，在其它条件相同的情况下，光强度越大，光电流越大；故增大c光的光照强度，电路中的饱和光电流将增大，C正确；
D．射出的光电子的最大初动能与光的强度无关，故D错误。
故选C。
4．D
【详解】
A．OB光的折射率为
OC光的折射率为
故玻璃砖对OC光的折射率小于对OB光的折射率，A错误；
B．根据公式
折射率大的，速度小。所以在玻璃砖中OC光的速度大于OB光的速度，B错误；
C．由于玻璃砖对OC光的折射率小于对OB光的折射率，所以OB光对应的频率大，波长小。而根据公式
可知在玻璃砖中OC光光子的动量小于OB光光子的动量，C错误；
D．OB光在玻璃砖中传播的时间为
OC光在玻璃砖中传播的时间为
所以时间差为
D正确。
故选D。
5．D
【详解】
A．向右移动滑片，电流表示数逐渐增大，说明电子从阴极向左做加速运动，所以极板间电场方向从左向右和光电子的初速度方向相反，故
A端接电源的正极，故A错误；
B．向右移动滑片到最右端，电流逐渐增大，并不清楚最大的电流是否为饱和光电流，所以是可能为饱和光电流，故B错误；
C．根据爱因斯坦光电放出
得
故C错误；
D．若将电源极性颠倒，光电子在极板间做减速运动，则有
解得
故D正确。
故选D。
6．C
【详解】
红外线中只有波长在0.76至14的范围内才能被捕捉，光子的能量与频率、波长关系为
代入数据可得能被捕捉的红外线能量范围为
由题图可知，当氢原子处于n=4的激发态，向低能级跃迁时，辐射的光子能量最小值为
才有光子能被捕获，若氢原子处于n=3的激发态，向低能级跃迁时，辐射的光子能量最小值为
辐射的光子均不能被捕获，故至少应使处于n=1的氢原子跃迁到n=4的能级，该提供的能量为
C正确。
故选C。
7．C
【详解】
A．能否发生光电效应取决于光的频率，与照射时间长短无关，A错误；
B．增加极板间电压，会出现饱和电流，不会一直增大，
B错误；
C．调换电源正负极，若反向电压达到遏止电压，则电流表示数消失，C正确；
D．光电效应反应了光具有粒子性，D错误。
故选C。
8．BD
【详解】
A．德布罗意波是概率波，它与机械波是两个不同的概念，二者的本质不同，故A错误；
B．物质波也就是德布罗意波，指粒子在空间中某点某时刻可能出现的几率符合一定的概率函数规律，故B正确；
C．概率波和机械波都能发生干涉和衍射现象，但其本质是不一样的，故C错误；
D．根据测不准原理，在光的双缝干涉实验中，若有一个粒子，则不能确定它从其中的哪一个缝中穿过，故D正确；
故选BD。
9．BD
【详解】
A．光速与波长公式，光子能量公式
联立可得
分析该式可知光的波长越大，能量越小，故A错误；
B．光电效应中光子与电子相互作用，揭示了光的粒子性，故B正确；
C．紫外线照射锌板，发生光电效应，锌板失去电子后本身带正电，故C错误；
D．根据爱因斯坦光电效应方程可知
光电子的最大初动能与入射光的频率有关，逸出功一定时，频率越大，最大初动能越大，故D正确。
故选BD。
10．ABC
【详解】
A．用频率为ν的光照射时，光电子在电场中做减速运动，根据动能定理得
则得光电子的最大初速度
故A正确；
BD．根据爱因斯坦光电效应方程得
解得
D错误，B正确；
C．阴极K金属的极限频率
C正确。
故选ABC。
11．a
并
5
N
7.19×1010
【详解】
（1）[1]．为了保护电表和光电管，开关闭合前，滑动变阻器的滑片P应该在a端。
（2）[2][3]．根据电表改装原理，小量程的电流表改装成大量程的电流表需要并联分流电阻，根据并联电路的规律可知
IgRg=（I-Ig）R并
解得并联电阻
R并=5Ω。
（4）[4]．研究“光电效应”的“饱和电流”需要在光电管两端加正向电压，电路图中电源的负极为N端；
[5]．分析光电管的伏安曲线可知，饱和电流
I=115×10-10A=1.15×10-8A
根据电流的定义式可知，每秒钟阴极板上被光照射而逸出的光电子个数
12．正
左
【详解】
[1]探究光电流与光照强度的关系时，应该接正向电压，则M极应为电源的正极。
[2]为了使光电流逐渐减小到0，应该接反向电压，并逐渐增大电压，即滑动变阻器的滑片从左向右滑动。
13．(1)a.加速运动；b.；(2)
【详解】
(1)a.根据电源的正负极和电路可知A极板的电势高于K极板，则光电子可加速运动；
b.电子由初速度为零加速，由动能定理得：
(2)爱因斯坦光电效应方程
遏止电压对应为具有最大初动能的光电子由K极板运动到A极板动能减为0，根据动能定理有：
联立以上各式得∶
可见，对于确定的金属来说，一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。斜率为普朗克常量与元电荷常量之比，由图像求得斜率：
得普朗克常量：
代入数据得：
14．（1）普朗克能量子和爱因斯坦光子理论；（2）电子具有波动性
【详解】
略
15．(1)；(2)；(3)
【详解】
(1)频率
金属的逸出功为
根据爱因斯坦光电效应方程可得
(2)遏止电压
(3)由逸出功可得
16．（1）；（2）a.
；b.
【详解】
（1）小球与钢板碰撞瞬间，设钢板对小球的作用力为F，对于小球，根据动量定理有：
x方向：
y方向：、
所以：
根据牛顿第三定律可知，小球对钢板作用力，负号表示与F的方向相反，即沿y的负方向．
（2）a.设在时间内，有个光子打到圆片P上，这些光子具有的总动量：
设圆片P对这些光子的平均作用力为．对于这些光子，根据动量定理有：
所以：
根据牛顿第三定律，激光束对圆片P的压力的大小为
b.在平行于圆片Q的方向上，光子动量不发生改变，光只在垂直于圆片方向上对圆片Q施加作用力．与（2）a同理可求得，光束对圆片Q压力的大小为，又有题意可知：，则