4.3光的波粒二象性 课时作业（word 解析版）

2021-2022学年粤教版（2019）选择性必修第三册
4.3光的波粒二象性 课时作业（解析版）
1．下列叙述中不正确的是（　　）
A．光的粒子性被光电效应和康普顿效应所证实
B．玻尔建立了量子理论，成功解释了所有原子发光现象
C．在光的干涉现象中，干涉亮条纹部分是光子到达几率大的地方
D．宏观物体的物质波波长非常小，不易观察到它的波动性
2．下列说法正确的是（ ）
A．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果保持光的频率不变，而逐渐减弱光的强度，有可能不再发生光电效应
B．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此光子散射后波长变长
C．天然放射性现象说明原子具有复杂的结构
D．原子核内所有核子之间都有很强的核力相互作用
3．下列说法正确的是（　　）
A．由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能减小，电势能增大
B．在光电效应实验中，用同种频率的光照射不同的金属表面，从金属表面逸出的光电子最大初动能越大，则这种金属的逸出功W0越小
C．康普顿效应成功地解释了光的波动性
D．结合能越大的原子核越稳定
4．人们对“光的本性”的认识，经历了漫长的发展过程．下列符合物理学史实的是（　　）
A．牛顿提出光是一种高速粒子流，并能解释一切光的现象
B．惠更斯认为光是机械波，并能解释一切光的现象
C．为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子说
D．为了说明光的本性，麦克斯韦提出了光的波粒二象性
5．下列说法正确的是
A．光电效应和康普顿效应揭示了光具有波粒二象性
B．牛顿第一定律是利用逻辑推理对实验事实进行分析的产物，能够用实验直接验证
C．英国物理学家汤姆孙发现了电子，否定了“原子不可再分”的观点
D．爱因斯坦首先把能量子的概念引入物理学，否定了“能量连续变化”的观点
6．下列事例中表明光子不但具有能量，而且象实物粒子一样具有动量的是 （ ）
A．康普顿效应 B．光的偏振现象
C．光的色散现象 D．光的干涉现象
7．下列说法正确的是（ ）
A．汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况，判定其本质是带负电的粒子流，并最终发现了电子
B．爱因斯坦提出了能量量子化的概念
C．不确定关系告诉我们，微观物理学中，粒子的位置和动量测不准
D．康普顿效应说明光具有波动性
8．巴耳末系是指氢原子从能级跃迁到能级时发出的光谱线系如图甲所示。图乙中给出了巴耳末谱线对应的波长，已知可见光的波长在400nm-700nm之间，则下列说法正确的是（　　）
A．谱线对应光子的能量大于谱线对应光子的能量
B．属于巴耳末系的、、、谱线均属于可见光
C．大量处于能级的氢原子向基态跃迁过程，可辐射出6种处于巴耳末线系的光子
D．谱线的光照射极限频率为的钨，能发生光电效应现象
9．用a、b两种不同的单色光在相同条件下分别经同一单缝衍射装置得到的衍射图样如图甲、乙所示。现使a光从水中斜射向水面上的O点，其入射角为i、折射角为r，如图丙所示。对于这两种单色光，下列说法正确的是（　　）
A．在真空中a光波长比b光短
B．水对a光的折射率
C．a光子的动量小于b光子的动量
D．从水中射向空气发生全反射时a光的临界角比b光小
10．奥地利维也纳理工大学的一个科学家团队成功在两个单光子之间建立起强大的相互作用，据科学家介绍：两个相互作用的光子同时到达时显示出与单个光子完全不同的行为，该项成果朝着轻拍校验量子通道或建立光学逻辑门发送信息迈出了重要一步．我们通过学习也了解了光子的初步知识，下列有关光子的现象以及相关说法正确的是( )
A．大量光子产生的效果往往显示出波动性
B．如果利用紫光照射某种金属可以发生光电效应，改用红光一定不能发生光电效应
C．一个处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时最多可以释放3种不同频率的光子
D．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子之间发生碰撞时，将一部分动量转移给电子，所以光子散射后波长变短
11．下列说法中正确的是 （ ）
A．黑体辐射时，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向频率较小的方向移动
B．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分能量转移给电子，因此光子散射后波长变短
C．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子核的组成．
D．各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的发光频率不一样，因此每种原子都有自己的特征谱线，人们可以通过光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成．
12．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变．下列说法正确的是
A．当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B．康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C．X光散射后与散射前相比，速度变小
D．散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
13．下列物理实验中，能说明粒子具有波动性的是（ ）
A．通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系，证明了爱因斯坦方程的正确性
B．通过测试多种物质对X射线的散射，发现散射射线中有波长变大的成分
C．通过电子双缝实验，发现电子的干涉现象
D．利用晶体做电子束衍射实验，证实了电子的波动性
14．下列说法正确的是（ ）
A．方程式是重核裂变反应方程
B．光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性
C．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的
D．比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定
E.在光电效应实验中，某金属的截止频率对应的波长为，若用波长为的单色光做该实验，会产生光电效应
15．如图所示为氢原子的能级图，现有一群处于n=3激发态的氢原子，则这些原子（　　）
A．发出的光子最小能量是0.66eV
B．发出的光子最大能量是12.75eV
C．能发出3种不同频率的光子
D．由n=3跃迁到n=1时发出的光子频率最高
16．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。
17．根据光的粒子性，光的能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子，光子具有动量和能量．已知光在真空中的速度为c，普朗克常量为h．
（1）请根据爱因斯坦质能方程和光子说证明光子动量的表达式为P=，并由此表达式可以说明光具有什么特性？
（2）实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律．如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实．关于上述逆康普顿散射，请定性分析散射光的波长将如何变化？
（3）惯性质量和引力质量是两个不同的物理概念．万有引力定律公式中的质量称为引力质量，它表示物体产生引力场或变引力作用的本领，一般用天平称得的物体质量就是物体的引力质量．牛顿第二定律公式中的质量称为惯性质量，它是物体惯性的量度，用惯性秤可以确定物体的惯性质量．频率为的一个光子具有惯性质量，此质量由相对论知识可以推得可由光子的能量确定，请通过本题陈述和所给已知量确定光子的惯性质量m的表达式．
（4）接第三问，假定光子也有引力质量，量值等于惯性质量．据相对论等近代物理知识可知：从一颗星球表面发射出的光子，逃离星球引力场时，该光子的引力质量会随着光子的运动而发生变化，光子的能量将不断地减少．
a.试分析该光子的波长将如何变化？
b.若给定万有引力常量G，星球半径R，光子的初始频率，光子从这颗星球（假定该星球为质量分布均匀的圆球体）表面到达无穷远处的频移（频率变化量值）为，假定<<,星球和光子系统的引力势能表达式为：（选定光子和星球相距无穷远处为零势能处），此表达式中的r为光子到星球中心的距离，试求该星球的质量M．
参考答案
1．B
【详解】
A．光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故A正确；
B．玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，成功地解释了氢原子光谱的分列特征，并没有成功解释了各种原子发光现象，故B错误；
C．根据波粒二象性可知，干涉条纹亮的地方就是光子到达概率大的地方，故C正确；
D．根据，可知宏观物体的物质波波长非常小，不易观察到它的波动性，故D正确；
不正确的故选B。
2．B
【解析】某种金属能否发生光电效应只与入射光的频率有关，与光强无关，选项A错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此光子散射后波长变长，选项B正确；天然放射性现象说明原子核具有复杂的结构，选项C错误；核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m，原子核的半径数量级在10-15m，所以核力只存在于同一个原子核内的相邻的核子之间，两个相邻原子核之间的核子之间没有核力，故D错误；故选B.
3．B
【详解】
A．由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，库仑力做正功，电势能减小，库仑力提供向心力，即
轨道半径减小，动能增大，A错误；
B．根据光电效应方程
可知用同种频率的光照射不同的金属表面，从金属表面逸出的光电子最大初动能越大，则这种金属的逸出功W0越小，B正确；
C．康普顿效说明了光子具有动量，成功地解释了光的粒子性，C错误；
D．比结合能越大的原子核越稳定，D错误。
故选B。
4．C
【详解】
牛顿认为光是一种粒子流，他的观点支持了光的微粒说，能解释光的直线传播与反射现象，不能解释一切现象．故A错误．惠更斯认为光是一种机械波，并能解释光的反射、折射和衍射，但不能解释光的直线传播和光电效应等现象，故B错误．为了解释光电效应爱因斯坦提出光子说，认为光的发射、传播和吸收不是连续的而是一份一份的，每一份就是一个光子，故C正确．麦克斯韦提出了光的电磁波说，认为光是一种电磁波．康普顿效应证明光具有波粒二象性，故D错误．
故选C．
【点睛】
对于光是什么，最早的观点认为光是一种粒子，即光的微粒说，而与牛顿同时代的惠更斯提出了光的波动说，由于惠更斯认为光是纵波，偏振现象否定了光的波动说，而泊松亮斑推动了波动说的发展，双缝干涉实验和单缝衍射证明光是一种波，麦克斯韦认为光是一种电磁波，为解释光电效应爱因斯坦提出了光子说，康普顿效应证明光具有波粒二象性．
5．C
【详解】
光电效应和康普顿效应揭示了光具有，粒子性，A错误；牛顿第一定律是利用逻辑推理对实验事实进行分析的产物，不能够用实验直接验证，B错误；英国物理学家汤姆孙发现了电子，否定了“原子不可再分”的观点，C正确；普朗克在1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，D错误．
6．A
【详解】
康普顿效应表明光子不但具有能量，而且象实物粒子一样具有动量，光的偏振现象和干涉现象表明光具有波动性，故A正确
故选A
7．A
【解析】
【详解】
A项：汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成，并测出了该粒子的比荷，最终发现了电子，故A正确；
B项：普朗克提出了能量量子化的概念，故B错误；
C项：根据不确定关系可知，在微观物理学中，不能同时准确地测得粒子的位置和动量，故C错误；
D项：康普顿效应说明光的粒子性，故D错误。
8．B
【详解】
A．光的波长越长，由可知其频率就越低，由可知其能量就越小，故A错误；
B．由图乙可知巴耳末系的、、、谱线的波长在400nm-700nm之间，即属于可见光，故B正确；
C．巴耳末系是指氢原子从更高能级跃迁到能级时发出的光谱线系，从能级跃迁到能级，只能辐射出２种处于巴耳末线系的光子，故C错误；
D．谱线的光，波长约为，其频率为
所以照射钨时不能发生光电效应，故D错误。
故选B。
9．C
【详解】
A．根据甲图和乙图可知，甲的衍射条纹宽，说明a光的波长长，故A错误；
B．根据图丙可知水对a光的折射率
故错误；
C．根据公式，可知a光波长长，则动量小。故C正确；
D．光的波长越长则频率越小、折射率越小，根据可知，光从水中射向空气发生全反射时的临界角较大，故D错误。
故选C。
10．A
【详解】
A、大量光子产生的效果往往显示出波动性，少量光子体现粒子性，故A正确；
B、紫光照射某种金属发生光电效应，改用红光，因红光的频率小于紫光，则照射这种金属不一定发生光电效应，故B错误；
C、根据数学组合，一群处于能级的氢原子向基态跃迁时最多可以释放
种，但一个处于能级的氢原子向基态跃迁时最多可以释放2种不同频率的光子，故C错误；
D、康普顿效应中，碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此，光子散射后波长变长，故D错误．
点睛：考查光电效应发生条件，掌握原子核式结构模型内容，理解玻尔理论中跃迁时，动能与电势能的变化情况，最后掌握康普顿效应中的波长如何变化，注意一个与一群的电子跃迁辐射光子种类的区别．
11．D
【解析】
【详解】
黑体辐射时，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向波长较短、频率较大的方向移动，选项A错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分能量转移给电子，因此光子散射后能量变小，波长变长，选项B错误；卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子的核式结构理论，选项C错误；各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的发光频率不一样，因此每种原子都有自己的特征谱线，人们可以通过光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成，选项D正确；故选D．
12．B
【详解】
在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，则光子动量减小，但速度仍为光速c，根据：
知光子频率减小，康普顿效应说明光不但具有能量而且具有动量，证明了光的粒子性，故ACD错误，B正确；
故选B。
13．CD
【详解】
A．该选项解释光电效应现象，不能说明粒子的波动性；选项A错误；
B．该选项是康普顿效应，说明X射线具有粒子性；选项B错误；
C．该选项是说干涉现象，说明电子具有波动性；选项C正确；
D．晶体做电子束衍射实验说明电子具有波动性，选项D正确；
故选CD．
14．BCD
【详解】
A．核反应： 的过程中有α粒子( )生成，是衰变反应，不是重核裂变反应方程；故A错误；
B．光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，故B正确；
C．根据β衰变的实质可知，β衰变所释放的电子，是原子核内的中子转化成质子和电子时所产生的，故C正确；
D．比结合能用于表示原子核结合松紧程度，比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定，故D正确；
E．某金属的截止频率对应的波长为λ0，根据，结合光电效应发生的条件可知，若用波长为λ(λ>λ0)的单色光做该实验，其频率变小，不会产生光电效应，故E错误；
故选BCD．
【点睛光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，由β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子时所产生的；比结合能：原子核结合能对其中所有核子的平均值，亦即若把原子核全部拆成自由核子，平均对每个核子所要添加的能量．用于表示原子核结合松紧程度，根据光电效应的条件：入射光的频率大于极限频率，且波长越长，频率越小．
15．CD
【详解】
A．由n=3向n=2能级跃迁所辐射的光子能量最小，为
故A错误；
B．由n=3向n=1能级跃迁所辐射的光子能量最大，为
故B错误；
C．从n=3向低能级跃迁可辐射，三种频率的光子，故C正确；
D．由n=3向n=1能级跃迁所辐射的光子能量最大，发出的光子频率最高，故D正确。
故选CD。
16．(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。
17．(1) 波粒二象性；（2）散射光的波长将会变小；（3）；（4）a．波长将会变大；b. ；
【解析】
(1)根据爱因斯坦质能方程和光子说可以得到光子能量E=；
光子动量P=mc= ，光子动量表达式：P=h/λ，说明光具有波粒二象性．
(2)因为在散射过程中有能量从电子转移到光子，则光子的能量增大，因为光子的能量
E=，故散射光的波长将会变小．
(3)根据本题陈述和所给已知量确定光子的惯性质量m的表达式为
(4)a．因为光子能量减小，根据E=可知，该光子的波长将会变大．
b.根据能量守恒定律可知：光子能量的损失量等于星球与光子系统的引力势能的增加量．
假定光子到达无穷远处的频率为，，引力质量为m，，光子的初始引力质量为m，
则有：，
可得：．
<<意味着光子能量的相对变化量很小，故从第三问可知：
继而可做如下推演：
；
则有：
对于从半径为R的星球表面发射的光子，便有
由此可求得该星球的质量
【点睛】本题研究光的性质(波动性和粒子性)：光的波粒二象性也适用于物质波，要用和联立推出波长的计算公式.