5.4初识光量子与量子世界-同步训练（Word版含答案）

5.4初识光量子与量子世界
一、选择题（共14题）
1．能量子假设是对经典物理学思想与观念的一次突破。“振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍”，作出这一大胆假设的科学家是（　　）
A．库仑 B．普朗克
C．密立根 D．爱因斯坦
2．德国物理学家冯·克里芩在1980年发现了量子霍尔效应，霍尔电阻值出现量子化现象，与量子数n成反比，还与普朗克常量h和电子电荷量e有关。下列关于霍尔电阻公式正确的是（　　）
A． B． C． D．
3．如图所示，画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系图象，从图象可以看出，随着温度的升高，则下列说法错误的是(　　)
A．各种波长的辐射强度都有增加
B．只有波长短的辐射强度增加
C．辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
D．辐射强度仍然是随波长的增大而先增大再减小
4．下列说法正确的是（　　）
A．法拉第发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系
B．奥斯特实现了“磁生电”，使人们对电与磁的内在联系的认识更加深入
C．爱因斯坦首提“能量子”概念，是量子力学的奠基人
D．赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论
5．伽利略、牛顿、爱因斯坦、霍金，这一串光辉的名字将永载世界科学的史册．关于他们 对物理学的贡献，下列说法正确的是（ ）
A．伽利略主张用实验——数学方法研究自然规律
B．牛顿被誉为第一个称量地球质量的人
C．爱因斯坦创立能量子概念
D．霍金最先提出黑洞概念
6．下列物理学的发展史，表述正确的是（　　）
A．开普勒得出的开普勒第三定律中，其中是与中心天体质量无关的恒量
B．牛顿发现的万有引力定律中，引力常量是由牛顿测得
C．库仑发现的库仑定律，并测出了电子的电量
D．普朗克提出了能量子假说中，普朗克常量的单位是J·s
7．下列说法正确的是（　　）
A．在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子永远不能到达的地方
B．如果利用蓝光照射某种金属可以发生光电效应，改用黄光一定不能发生光电效应
C．光的衍射和光电效应说明光具有波粒二象性
D．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
8．第26届国际计量大会决定，质量单位“千克”用普朗克常量h来定义，“国际千克原器”于2019年5月20日正式“退役”。h的值为6.63×10-34 J s，则h的单位“J s”用国际单位制中的基本单位表示为（　　）
A．kg m2/s2 B．kg m2/s C．N s/m D．N s m
9．“千克”这一基本单位原由国际千克原器来定义。国际千克原器是1889年第一届国际计量大会批准制造的，它是一个用铂依合金制成的圆柱体，高度和直径均为，原型保存在巴黎国际计量局。因受空气污染和氧化等因素影响，国际千克原器的质量出现细微变化，已难以适应现代精密测量要求。因此科学界一直想用一种基于物理常数的定义来取代。2018年11月16日，第26届国际计量大会决定，千克由普朗克常量h及米和秒定义，即。该决定已于2019年5月20日生效。此次标准实施后，国际单位制中7个基本单位全部建立在不变的自然常数基础上，保证了国际单位的长期稳定性和通用性。以下说法正确的是（ ）
A．普朗克常量h是一个无单位的常量
B．普朗克常量h的单位等效于
C．普朗克常量h的单位等效于
D．普朗克常量h的单位等效于
10．如图所示，一束光射向半圆形玻璃砖的圆心O，经折射后分为两束单色光a和b。下列判断不正确的是
A．a光的频率小于b光的频率
B．a光光子能量小于b光光子能量
C．玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率
D．a光在玻璃砖中的速度大于b光在玻璃砖中的速度
11．下列说法正确的是（　　）
A．随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都会增加，另一方面辐射强度的极大值向波长较长的方向移动
B．振动的带电微粒辐射或吸收的能量可以是任意数值
C．动能相同的质子和电子相比，质子的波动性更为明显
D．光的波动性不是光子之间相互作用引起的，而是光子自身固有的性质
12．下列说法正确的是（　　）
A．只有温度高的物体才会有热辐射
B．黑体只是从外界吸收能量，从不向外界辐射能量
C．黑体可以看起来很明亮，是因为黑体可以有较强的辐射
D．一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关
13．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有________。
A．光电效应现象揭示了光的粒子性
B．黑体辐射的实验规律可用光的波动规律解释
C．电子束通过双缝实验装置后形成干涉图样说明电子具有波动性
D．一个动量为p的电子对应的物质波波长为hp（h为普朗克常量）
14．以下说法中正确的是（　　）
A．麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波并用实验证实了电磁波的存在
B．根据麦克斯韦的电磁场理论，只要有变化的电场，就可以形成电磁波
C．普朗克最早提出量子假说，开创了量子理论的新时代
D．量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位的整数倍
二、填空题
15．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长______的方向移动。
16．能量的量子化∶在微观世界中能量是_____的，或者说微观粒子的能量是____的。这种现象叫能量的量子化。
17．表达式：ε＝______。其中ν是带电微粒的振动频率，即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率．h称为______。h＝6.62607015×10－34J·s。
18．能量的量子化：微观粒子的能量是______的，或者说微观粒子的能量是______的。
三、综合题
19．请思考：量子论关于能量的观点与经典物理学的观点有什么不同？请结合图，与同学们交流体会。
20．红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲．现有一红宝石激光器，发射功率为，所发射的每个光脉冲持续的时间为，波长为793.4nm．已知光速，问每列光脉冲的长度是多少？其中含有的光子数n是多少？
21．处于自然状态的物体会不断地向外辐射电磁波，同时也会吸收由其他物体辐射来的电磁波，当辐射和吸收达到平衡时，物体的温度保持不变。如果某物体能完全吸收入射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就称为黑体。黑体也会同时向外辐射电磁波，已知单位时间内从黑体表面单位面积辐射出电磁波的能量I与黑体表面热力学温度T的4次方成正比，即I=σT4，其中σ为已知常量。
（1）若将火星看成表面温度相同的球形黑体，火星的半径为r，火星中心到太阳中心的距离为L，且L远远大于r，所以火星接收到来自太阳的辐射可视为垂直射到面积为πr2的圆面上。已知太阳向外辐射电磁波的总功率为P1。火星大气层对太阳辐射的吸收和反射、太阳辐射在传播过程中的能量损失，以及其他天体和宇宙空间的辐射均可忽略不计。
① 求在火星表面垂直于太阳和火星连线的单位面积接收到的来自太阳辐射的功率P0；
② 设火星向四面八方各个方向均匀辐射，请写出当吸收和辐射达到平衡时火星表面热力学温度T火的表达式。
（2）太阳辐射电磁波的能量来源于如图甲所示的太阳中心的“核反应区”。“核反应区”产生的电磁波在向太阳表面传播的过程中，会不断被太阳的其他部分吸收，然后再辐射出频率更低的电磁波。为了研究“核反应区”的温度，某同学建立如下简化模型：如图乙所示，将“核反应区”到太阳表面的区域视为由很多个“薄球壳层”组成，第1“薄球壳层”的外表面为太阳表面；各“薄球壳层”的内、外表面都同时分别向相邻内“薄球壳层”和外“薄球壳层”均匀辐射功率相等的电磁波（第1“薄球壳层”的外表面向太空辐射电磁波，最内侧的“薄球壳层”的内表面向“核反应区”辐射电磁波），如图丙所示；“核反应区”产生的电磁波的能量依次穿过各“薄球壳层”到达太阳的表面，每个“薄球壳层”都视为黑体，且辐射和吸收电磁波的能量已达到平衡，所以各“薄球壳层”的温度均匀且恒定。
已知太阳表面热力学温度为T1，所构想的“薄球壳层”数目为N，太阳半径R1与“核反应区”的半径RN满足R1=kRN（k为已知的常数），第1“薄球壳层”的外表面向外辐射电磁波的总功率为P1。请根据该同学建立的模型和题目中给出的信息，解答下列问题。
① 求第2、第3和第N“薄球壳层”向相邻的外“薄球壳层”辐射电磁波的功率P2、P3和PN；
② 若认为“核反应区”的温度和第N“薄球壳层”的温度TN相等，请推导出“核反应区”热力学温度TN的表达式。结合所得到TN的表达式，请说明该同学的模型是否合理？若不合理，请说明理由。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．B
【详解】
能量子假设是对经典物理学思想与观念的一次突破。“振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍”，作出这一大胆假设的科学家是普朗克。
故选B。
2．B
【详解】
由于为电阻，单位为Ω，普朗克常量的单位为，电荷量的单位为，则有
故选B。
3．B
【详解】
由图象可以看出，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故B错误，AC正确．随着温度的升高，黑体的辐射强度仍然是随波长的增大而先增大再减小，故D正确．此题选择错误的选项，故选B．
4．D
【详解】
A．奥斯特发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系，故A错误；
B．法拉第实现了“磁生电”，使人们对电与磁的内在联系的认识更加深入，故B错误；
C．普朗克首提“能量子”概念，故C错误；
D．赫兹通过实验捕捉到了电磁波，证实了麦克斯韦的电磁场理论，故D正确。
故选D。
5．A
【详解】
A、伽利略主张用实验——数学方法研究自然规律，是第一个把实验引进力学的科学家，利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律，故A正确；
B、卡文迪许测量出了引力常量的值，卡文迪许被称为“第一个称量出地球质量的人”，故B错误；
C、普朗克创立能量子概念，故C错误；
D、黑洞概念早在18世纪就已经提出， 霍金不是最先提出黑洞概念，故D错误；
故选A．
6．D
【详解】
A．根据万有引力定律得
变形得
所以，是与中心天体质量有关的恒量，A错误；
B．牛顿发现的万有引力定律中，引力常量是由卡文迪许通过扭秤测得的，B错误；
C．库仑通过库仑扭秤实验发现的库仑定律，并没有测出电子的电量，C错误；
D．普朗克提出了能量子假说中，普朗克常量的单位是J·s，D正确。
故选D。
7．C
【详解】
A．在光的双缝干涉实验中，暗条纹的地方是光子到达概率低的地方，故A错误；
B．如果黄光的频率高于金属的截止频率，那么也可以发生光电效应，故B错误；
C．光的衍射说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性，光具有波粒二象性，故C正确；
D．黑体辐射的实验规律可用量子理论来解释，故D错误。
故选C。
8．B
【详解】
能量的单位是J，由功能关系可知
h的单位是J s，由可得
则
故选B。
9．C
【详解】
A．根据，可得，则普朗克常量h的单位为，故A错误；
B．根据牛顿第二定律
可知，则
故B错误；
CD．根据功的定义
可知
则
故C正确，D错误；
故选C。
10．C
【详解】
A．b光的偏折程度比a大，则b的折射率大， 故b的频率较大，A说法正确，故A不符合题意。
B．根据可知，b光的频率大于a光，故b光光子能量较大，B说法正确，故B不符合题意。
C．因为b光的偏折程度大于a光，所以玻璃对b光的折射率大于对a光的折射率。C说法不正确，故C符合题意。
D．根据公式可知，a的折射率小，所以a光在玻璃砖中的速度大于b光在玻璃砖中的速度，故D说法正确，故D不符合题意。
故选C。
11．D
【详解】
A．由黑体辐射的实验规律可知，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都会增加，另一方面辐射的极大值向波长较短的方向移动，所以A错误；
B．振动着的带电微粒辐射或吸收的能量是某一最小能量值的整数倍，所以B错误；
C．德布罗意波的波长公式为
又因为质子的质量比电子的质量大，则如果质子和电子的动能相等时，质量小的波长大，波动性明显，所以电子的波动性更为明显，所以C错误；
D．使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上中央到达的机会最多，其它地方机会较少。因此光的波动性是光子自身固有的性质，不是光子之间相互作用引起的，所以D正确。
故选D。
12．CD
【详解】
A．任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，故A错误；
BC．能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，故B错误，C正确；
D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，与构成黑体的材料、形状无关，而一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类和表面情况有关，故D正确。
故选CD。
13．AC
【详解】
A．光电效应现象揭示了光具有粒子性，A正确；
B．黑体辐射的实验规律可用量子理论来解释，但不能用光的波动性解释，B错误；
C．电子束射到晶体上产生的衍射图样说明中子具有波动性，C正确；
D．根据德布罗意波波长公式，一个动量为p的电子对应的物质波波长
（h为普朗克常量），D错误。
故选AC。
14．CD
【详解】
A．麦克斯韦提出了电磁场理论，预言了电磁波，赫兹用实验证实了电磁波的存在，A错误；
B．根据麦克斯韦的电磁场理论，均匀变化的电场，不能形成电磁波，B错误；
C．普朗克最早提出量子假说，开创了量子理论的新时代，C正确；
D．量子假说认为，物质辐射（或吸收）的能量只能是某一最小能量单位的整数倍，D正确。
故选CD。
15．较短
16． 量子化 分立
【详解】
能量的量子化∶在微观世界中能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。这种现象叫能量的量子化。
17． hν 普朗克常量
18． 量子化 分立
19．量子论认为能量是一份一份的进行辐射或吸收；经典物理学认为能量是连续变化的
【详解】
量子论关于能量的观点是：在微观世界中能量不能连续变化，只能取分立值，也就是认为微粒辐射或吸收能量时只能一份一份的进行；
经典物理学中认为能量是连续变化的。
20．3.0mm 个
【详解】
由题意可知
．
用P和E分别表示红宝石激光器的发射功率和光脉冲的能量，则有
用和分别表示红宝石激光器发射的激光的波长和频率，则有．因此得到的每个激光光子的能量
所以该列光脉冲含有的光子数
个个
21．（1）①；②T火=；（2）①2P1，3P1，NP1；②见解析
【详解】
（1）①在以太阳为中心L为半径的球面上，单位面积接收到的太阳辐射的功率为
这就是在火星表面垂直于太阳和火星连线上单位面积接收到的来自太阳辐射的功率。
②火星接收到的来自太阳的电磁辐射总功率
P火=
火星吸收太阳的电磁波的能量与自身辐射电磁波的能量达到平衡时有
P火=
根据题意有
I=σT火4
联立以上3式，解得
T火=
（2）①根据题意，当辐射和吸收电磁波的能量达到平衡时
对于第一层有
P2=2P1
对于第二层有
2P2= P3+P1
所以
P3=3P1
对于第三层有
2P3= P4+P2
所以
P4=4P1
由此可推知
PN=NP1
② 太阳表面单位时间内向外辐射的总功率为P1，则在太阳表面
同理，对于第N薄球壳层应有
联立以上两式得
这个模型不太合理。薄球壳的层数没有确定，而根据表达式，分的薄球壳层数越多，核反应层温度越高，当N趋近无穷大时，温度趋近于无穷高。但实际核反应层的温度应该是一个有限值。
答案第1页，共2页