4.3光的波粒二象性 自主提升过关练（Word版含解析）

4.3光的波粒二象性 自主提升过关练（含解析）
一、选择题
1．关于下列教材中的四副图片，说法正确的是（　　）
A．图甲表明光具有波动性
B．图乙接收信号的频率从95HZ到100HZ，可以将可变电容的正对面积调大
C．图丙中的微波炉的微波是原子外层电子受激发后产生的
D．图丁中的高频扼流圈的匝数要比低频扼流圈少
2．关于下列物理问题的理解，正确的是（　　）
A．康普顿研究X射线被较轻物质(石墨)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分，所以康普顿效应说明光具有波动性
B．光电效应实验中，用某一频率的光照射金属，电压不变时，光照越强，光电流越大，说明遏止电压和光的强度有关
C．当用能量为11eV的电子撞击处于基态的氢原子（E1=-13.6eV）时，氢原子一定不能跃迁到激发态
D．氘核分离成质子与中子的过程中需要吸收的最小能量就是氘核的结合能
3．下列哪些现象或者效应能说明光具有粒子性（　　）
A．偏振现象 B．干涉现象
C．康普顿效应 D．衍射现象
4．下列说法正确的是（　　）
A．紫光照射某金属时有电子向外发射，红光照射该金属时也一定有电子向外发射
B．康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量
C．任一运动的物体都有一种波和它对应，这就是物质波
D．德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长
5．下列叙述正确的是（　　）
A．康普顿效应和光电效应深入地揭示了光的粒子性的一面。 前者表明光子具有能量，后者表明光子除具有能量之外还具有动量
B．氢原子的核外电子，由离核较远的轨道自发跃迁到离核较近轨道，放出光子，电子的动能减小，电势能增加
C．处于基态的氢原子吸收一个光子跃迁到激发态，再向低能级跃迁时辐射光子的频率一定大于吸收光子的频率
D．卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度偏转提出了原子的核式结构模型
6．2021年1月21日，包括中国科研人员在内的一支国际团队，使用冷冻镜断层成像技术“拍摄”到新冠病毒的3D影像，测得新冠病毒的平均尺度是100nm，如图所示。已知普朗克常量为，下列说法正确的是（　　）
A．100nm相当于m
B．想要“看清”新冠病毒，所用“光波”的波长应该大于100nm
C．用能量为2.55eV的可见光照射，在显微镜下病毒清晰可见
D．波长100nm的光子动量数量级为10-27kg·m/s
7．关于物理学家的历史贡献下列说法中不正确的是
A．康普顿在研究电子对X射线的散射时，证实了光既具有能量也具有动量
B．查德威克发现了中子，根据粒子散射实验提出了原子核式结构模型
C．贝克勒尔发现了天然放射现象，说明原子核具有复杂的内部结构
D．巴尔末归纳总结了一些氢原子光谱的波长规律，推动了玻尔原子量子化轨道理论的建立
8．物理学的发展极大地丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。关于对物理学发展过程的认识，下列说法正确的是（　　）
A．贝克勒尔发现天然放射现象，其中射线来自原子最外层电子的运动
B．康普顿效应说明光具有波动性
C．德布罗意首先提出了物质波的猜想，而电子衍射实验证实了他的猜想
D．卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，揭示了原子核的复杂结构
9．下列说法正确的是
A．就物质波来说，速度相等的电子和质子，电子的波长长
B．原来不带电的一块锌板，被弧光灯照射锌板时，锌板带负电
C．红光光子比紫光光子的能量大
D．光电效应和康普顿效应均揭示了光具有波动性
10．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
11．下列说法中正确的是（ ）
A．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
B．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
C．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下1个原子核了
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
12．2018年11月16日，第26届国际计量大会通过“修订国际单位制”决议，正式更新包括国际标准质量单位“千克”在内的4项基本单位定义。其中，千克将用普朗克常量（h）定义，安培将用电子电荷量（e）定义，以基本物理常数定义计量单位，可大大提高稳定性和精确度。关于普朗克常量和电子电荷量的单位，下列正确的是（　　）
A．电子电荷量的单位为 B．电子电荷量的单位为
C．普朗克常量的单位为 D．普朗克常量的单位为
13．下列关于光的干涉和衍射说法中正确的是（ ）
A．双缝干涉证明光具有波动性，单缝衍射证明光具有粒子性
B．双缝干涉是两束相干光叠加出现的干涉现象；薄膜干涉是一束光经薄膜的前后表面反射后叠加形成的干涉现象
C．照相机镜头镀有增透膜，其作用是让各种色光都发生干涉相消，增强透射光
D．双缝干涉时，双缝间距越小，干涉条纹间距越大
E．泊松亮斑是衍射现象，证明了光具有波动性
14．1924年法国物理学家德布罗意提出物质波的概念，任何一个运动着的物体，小到电子，大到行星、恒星都有一种波与之对应，波长为λ=h/p，p为物体运动的动量，h是普朗克常数．同样光也具有粒子性，光子的动量为：p=h/λ．根据上述观点可以证明一个静止的自由电子如果完全吸收一个γ光子会发生下列情况：设光子频率为ν，则E＝hν，p=h/λ=hν/c，被电子吸收后有hν/c = meV，hν=，解得：v = 2c，电子的速度为光速的二倍，显然这是不可能的．关于上述过程以下说法正确的是
A．因为在微观世界动量守恒定律不适用，上述论证错误，所以电子有可能完全吸收一个γ光子
B．因为在微观世界能量守恒定律不适用，上述论证错误，所以电子有可能完全吸收一个γ光子
C．动量守恒定律、能量守恒定律是自然界中普遍适用规律，所以唯一结论是电子不可能完全吸收一个γ光子
D．若γ光子与一个静止的自由电子发生作用，则γ光子被电子散射后频率会减小
15．科学家们在探索微观世界奥秘的过程中不断取得新的认知，下列对微观领域认知的理解正确的是（　　）
A．射线与阴极射线本质一样，都是原子核外电子所形成的粒子流
B．氢原子的核外电子由外轨道跃迁至内轨道上时，氢原子电势能的减少量大于电子动能增加量
C．用激光照射某金属，金属中吸收两个光子的电子逸出时的最大初动能，是指吸收一光子的电子逸出时最大初动能的两倍
D．在康普顿效应中，当入射光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，散射后光的波长变长了
二、解答题
16．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？
17．量子理论是20世纪物理学发展的重大成就之一，玻尔提出的原子结构理论推动了量子理论的发展。玻尔理论的一个重要假设是原子能量的量子化，1914年，弗兰克和赫兹利用粒子碰撞的方式证明了原子能量的量子化现象。
弗兰克—赫兹实验原理如图甲所示，灯丝K发射出初速度不计的电子，K与栅极G间加有电压为U的电场使电子加速，GA间加0.5V的反向电压使电子减速。当电子通过K-G 空间加速后进入G-A空间时，如果能量较大，就可以克服G-A间的反向电场到达接收极A，形成电流通过电流表。在原来真空的容器中充入汞蒸汽，当电子的动能小于汞原子从基态跃迁到第一激发态所需的能量时，由于汞原子的能量不能连续变化，电子与汞原子发生弹性碰撞；当电子的动能大于汞原子从基态跃迁到第一激发态所需的能量时，电子与汞原子发生非弹性碰撞，汞原子吸收电子的一部分动能，使自己从基态跃迁到第一激发态。已知电子质量为m，电荷量为e，汞原子质量远大于电子质量。
(1)求容器中未充入汞蒸汽时电子被加速到栅极G的速度大小；
(2)证明一个运动的电子与一个静止的汞原子发生弹性正碰时，电子几乎不会因碰撞损失能量；（证明过程中需要用到的物理量请自行设定）
(3)实验得到如图乙所示的I－U图像，从图中看出，每当KG间电压增加4.9V时，电流就会大幅下降，请解释这一实验结果。
参考答案
1．D
【解析】
A．电子与光子碰撞表明光具有粒子性，故A错误；
B．由
可知电容对高频的响应差，对低频的响应好，图乙接收信号的频率所以从95HZ到100HZ，可以将可变电容的正对面积调小，故B错误；
C．微波是在电真空器件或半导体器件上通以直流电或50Hz的交流电，利用电子在磁场中作特殊运动来获得的，家用微波炉中应用的是磁控管，可以说成是自由电子受激发产生的， 故C错误；
D．高频扼流圈和低频扼流圈的区别是匝数不同，高频扼流圈匝数少，低频扼流圈匝数多，故D正确。
故选D。
2．D
【解析】
【详解】
A．康普顿根据X射线的光子与石墨中的电子碰撞的过程，发现既满足能量守恒又满足动量守恒，证实了光子不但具有能量还具有动量，揭示了光的粒子性，选项A错误；
B．根据光电效应方程和动能定理有
可知入射光的频率越大，遏止电压越大，与入射光的强度无关；入射光的强度影响的是光电流的大小，选项B错误；
C．当用能量为11eV的电子撞击处于基态的氢原子时，氢原子可以吸收其中的10.2eV的能量，可能跃迁到激发态，选项C错误；
D．质子与中子结合成氘核的过程中会放出的能量或者氘核分离成质子与中子的过程中需要吸收的最小能量就是氘核的结合能，选项D正确。
故选D。
3．C
【解析】
【详解】
A．光的偏振现象说明光是一种横波而不是纵波，A错误；
B．光的干涉现象说明光具有波动性，B错误；
C．康普顿效应证明了光不仅仅具有能量，光还具有动量，说明光具有粒子性，C正确；
D．光的衍射现象说明光具有波动性，D错误。
故选C。
4．C
【解析】
【详解】
A．入射光的频率大于金属的极限频率时，才能发生光电效应，红光的频率小于紫光的频率，故紫光照射某金属时，有电子向外发射，红光照射不一定有电子向外发射，故A错误；
B．康普顿效应表明光不仅具有能量，还具有动量，故B错误；
C．德布罗意指出波粒二象性不只是光子才有，一切运动的物质都有波粒二象性，故C正确；
D．微观粒子的德布罗意波长为
其中p为微观粒子的动量，故动量越大，其对应的波长就越短，故D错误。
故选C。
5．D
【解析】
【详解】
A．康普顿效应和光电效应深入地揭示了光的粒子性的一面，前者表明光子除具有能量之外还具有动量，后者表明光子具有能量，A错误；
B．氢原子的核外电子，由离核较远的轨道自发跃迁到离核较近轨道，释放一定频率的光子，电子的轨道半径变小，电场力做正功，电子的动能增大，电势能减小，B错误；
C，处于基态的氢原子吸收一个光子跃迁到激发态，再向低能级跃迁时辐射光子的频率应小于或等于吸收光子的频率，C错误；
D．α粒子散射实验中极少数α粒子发生大角度偏转是卢瑟福提出原子核式结构模型的主要依据，D正确.。
故选D。
6．D
【解析】
A．单位换算得
故A错误；
B．波长大于100nm，射到新冠病毒上衍射现象明显（绕过障碍物），反射光少，看不清。故B错误；
C．能量为2.55eV的可见光波长为
波长大于100nm，射到新冠病毒上衍射现象明显（绕过障碍物），反射光少，看不清。故C错误；
D．波长100nm的光子动量数量级为
故D正确。
故选D。
7．B
【解析】
【详解】
A.康普顿通过研究石墨对X射线的散射，说明光子不仅具有能量，而且具有动量，
故A正确；
B.查德威克在利用粒子轰击铍（Be）原子核的实验中发现了中子，卢瑟福根据粒子散射
实验的结果提出了原子核式结构模型，故B错误；
C.贝克勒尔发现了天然放射现象，说明原子核具有复杂的内部结构，故C正确；
D.巴尔末根据氢原子光谱分析，总结了一些氢原子光谱的波长规律，玻尔根据氢原子光谱分
立的特性，引入了量子观点，从而建立了玻尔原子量子化轨道理论，故D正确．
8．C
【解析】
【详解】
A．贝克勒尔发现天然放射现象，其中射线来自原子核内的中子转化为质子时放出的电子，选项A错误；
B．康普顿效应说明光具有粒子性，选项B错误；
C．德布罗意首先提出了物质波的猜想，而电子衍射实验证实了他的猜想，选项C正确；
D．卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，选项D错误。
故选C。
9．A
【解析】
【详解】
A：物质波波长，速度相等的电子和质子，电子质量较小，则电子的波长长．故A项正确．
B：原来不带电的一块锌板，被弧光灯照射锌板时，电子从锌板逸出，锌板带正电．故B项错误．
C：红光的频率小于紫光频率，光子能量，则红光光子比紫光光子的能量小．故C项错误．
D：光电效应和康普顿效应均揭示了光具有粒子性．故D项错误．
10．B
【解析】
【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。
11．D
【解析】
【详解】
A．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，则波长变长，选项A错误；
B．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小频率较大的方向移动，选项B错误；
C．半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少量的原子核衰变不适应，选项C错误；
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，选项D正确。
故选D。
12．A
【解析】
【详解】
AB．根据
电流单位A，时间单位s，电子电荷量的单位为 ，B错误，A正确；
CD．根据
动量P的单位为 ，波长λ的单位为m，那么普朗克常量的单位为 ，CD错误。
故选A。
13．BDE
【解析】
【详解】
A．双缝干涉证明光具有波动性，单缝衍射也证明光具有波动性，选项A错误；
B．双缝干涉是两束相干光叠加出现的干涉现象；薄膜干涉是一束光经薄膜的前后表面反射后叠加形成的干涉现象，选项B正确；
C．照相机镜头镀有增透膜，增透膜的厚度为绿光在增透膜内波长的，各种色光的波长不同，不可能让各种色光都发生干涉相消，故C错误；
D．根据，双缝干涉时，双缝间距d越小，干涉条纹间距越大，选项D正确；
E．泊松亮斑是衍射现象，证明了光具有波动性，选项E正确；
故选BDE.
14．CD
【解析】
【详解】
根据常识“动量守恒定律、能量守恒定律是自然界中普遍适用的规律”从而可判断AB错误，光电效应中金属内部电子在吸收一定能量的光子后克服逸出功从而成为自由电子、以及玻尔能级跃迁中基态的电子吸收一定频率的光子后能跃迁到较高能级的印象，在这两个例子中，都是电子吸收光子的，C正确；同时学生头脑中有康普顿效应的印象，所以能判断光子被电子散射后因能量变小从而频率降低，D正确．
15．BD
【解析】
【详解】
A．射线与阴极射线本质一样，都是电子流，但阴极射线的形成来自核外电子，射线是由原子核中的中子转化而来的，A错误；
B．氢原子的核外电子由外轨道跃迁至内轨道上时，会辐射一定频率的光子，根据能量守恒氢原子电势能的减少量大于电子动能增加量，B正确；
C．用激光照射某金属，根据光电效应体现的粒子性，一个光电子只能吸收一个光子，故逸出的每一电子逸出时最大初动能相等，C错误；
D．在康普顿效应中，当入射光光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，根据
可知散射后光的波长变长，D正确。
故选BD。
16．(1)；(2)
【解析】
【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′=
17．(1)；(2)见解析所示；(3)见解析所示
【解析】
【详解】
(1)对某一电子从K与栅极G间，应用动能定理得
eU=
解得
(2)设汞原子的质量为M，碰撞前电子的速度为v，碰后瞬间电子和汞原子速度分别为v1、v2，电子与汞原子发生弹性正碰时，由动量守恒定律得
mv=mv1+Mv2
由机械能守恒定律得
联立解得
当m<因此发生弹性正碰时电子几乎没有能量损失；
(3)当K-G间电压达到4.9 V时，电子在到达G极附近时获得的能量是4.9 eV，与汞原子发生非弹性碰撞时，有可能把全部能量传递给汞原子，使汞原子从基态跃迁到最近的一个能量较高（4.9 eV）的激发态，碰后的电子无法克服G-A间的反向电压到达A极，因此A极电流大幅度下降；
等到K-G间的电压超过4.9 V较多时，电子在K-G空间与汞原子碰撞而转移掉4.9 eV的能量后，还留有足够的能量，又能克服反向电压从G极到达A极，电流又上升了；
当K-G间的电压是4.9 V的2倍或3倍时，电子在K-G空间有可能经过两次或三次碰撞而耗尽能量，从而使电流再次下降。
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