6.3光的波粒二象性 综合训练（word版含解析）

6.3光的波粒二象性
一、选择题（共13题）
1．下列叙述正确的是（ ）
A．普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元
B．康普顿效应表明光子具有能量
C．牛顿运动定律至适用于宏观低速物体，动量守恒定律只能适用于微观高速物体的碰撞
D．汤姆逊通过α粒子散射实验，提出了原子具有核式结构
2．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
3．人类对光的本性的认识经历了曲折的过程．下列关于光的本性的陈述不符合科学规律或历史事实的是A．牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的．
B．光的双缝干涉实验显示了光具有波动性．
C．麦克斯韦预言了光是一种电磁波．
D．光具有波粒二象性．
4．以下说法正确的是（　　）
A．光从空气进入水中后波长变大
B．康普顿效应表明光子具有动量
C．自然光透过一个偏振片后就成为偏振光，偏振光经过一个偏振片后又还原为自然光
D．在真空中传播的光是横波，在空气中传播的光是纵波
5．两束单色光A、B的波长分别为、，且，已知普朗克常量为h、光速为c，则下列说法正确的是（　　）
A．B光在水中发生全反射时的临界角较大
B．用同一装置进行杨氏双缝干涉实验时，可以观察到B光产生的条纹间距较大
C．A、B两种光子的动量之比为
D．光电效应实验中，单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出。当单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为
6．物理学发展史上有重要地位的物理实验，以及与之相关的物理学发展史的说法，其中错误的是（ ）
A．粒子散射实验是原子核式结构理论的实验基础
B．光电效应实验表明光具有粒子性
C．电子的发现揭示了原子不是构成物质的最小微粒
D．康普顿效应进一步证实了光的波动特性
7．下列说法中正确的是( )
A．爱因斯坦把物理学带进了量子世界
B．光的波粒二象性推翻了麦克斯韦的电磁理论
C．光波与宏观现象中的连续波相同
D．光波是表示大量光子运动规律的一种概率波
8．下列说法正确的是（ ）
A．光电效应是原子核吸收光子向外释放电子的现象
B．康普顿在研究石墨对ⅹ射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大
C．波尔首先把能量子引入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念
D．由可知，在密闭的容器中混合存放一定比例的氦气和氮气，几天后将有氧气生成
9．康普顿效应揭示了光既有能量也有动量。如图所示为X射线中的光子与晶体中的电子在碰撞前、后的示意图。则碰撞后（　　）
A．光子的动量大小不变 B．光子的速度减小
C．光子的波长变长 D．电子的动量增加了
10．假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子发生碰撞后，电子向某一方向运动，光子将偏离原来的运动方向，这种现象称为光子的散射，散射后的光子跟原来相比（　　）
A．光子将从电子处获得能量，因而频率增大
B．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上
C．由于电子受到碰撞，散射光子的频率低于入射光子的频率
D．散射光子虽改变原来的运动方向，但频率不变.
11．下面有关光的说法正确的是( )
A．雨后马路上的油渍呈现彩色条纹是光的干涉现象
B．天空出现彩虹是白光的色散现象
C．光是一种电磁波，能发生干涉、衍射等现象，没有动量和能量
D．在折射率越大的介质中，光的传播速度越快
12．下列说法正确的有(　　)
A．如果用紫光照射某种金属发生光电效应,改用绿光照射这种金属不一定发生光电效应
B．α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转,这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一
C．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,要释放一定频率的光子,同时电子的动能减小,电势能增大
D．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
13．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
二、填空题
14．康普顿效应和光子的动量
（1）康普顿效应：在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长____λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
（2）康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量。
（3）光子的动量
a.表达式：。
b.说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小。因此，有些光子散射后波长_____。
15．判断下列说法的正误。
（1）光子的动量与波长成反比。( )
（2）光子发生散射后，其波长变大。( )
（3）光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。( )
（4）光在传播过程中，有的光是波，有的光是粒子。( )
16．科学家通过X射线的衍射来获得晶体的结构图像．已知普朗克常量为h，真空的光速为c.若X射线在真空中的波长为λ，其对应的光子能量E＝________，该光子与电子碰撞后其波长将________(选填“变大”“不变”或“变小”)．
17．光电效应实验中，用波长为的单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出．当波长为的单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为______，A、B两种光子的动量之比为_____． （已知普朗克常量为h、光速为c）
三、综合题
18．用频率为1.00×1015Hz的紫外线照射钠的表面，释放出来的光电子的最大动能为1.86eV，求钠的光电效应极限频率.
19．对应于的能量子，其电磁辐射的频率和波长各是多少？它是什么颜色的？
20．在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大量的光子。试估算的白炽灯泡内发出的光子数。（白炽灯发出的光子频率为6×1014Hz）
21．原子激光制冷是一种利用激光使原子减速、降低原子温度的技术。冷原子实验中减速原子束流的塞曼减速装置如图所示：一束与准直后的原子束流反向传播的单频激光与原子发生散射，以达到使原子减速的目的。原子和光子的散射后过程可理解为原子吸收光子、随即各向同性地发射相同能量光子的过程。单位时间内一个原子散射光子的数目称为散射速率是。当原子的能级与激光频率共振时，原子散射光子的散射速率最大，减速效果最好。然而，在正常情况下，当原子速度改变（被减速）后，由于多普勒效应，原子与激光不再共振，造成减速暂停。塞曼减速装置利用原子跃迁频率会受磁场影响的特性（塞曼效应：原子的能级会受到外磁场影响，从而能级间跃迁所吸收的光的频率也会受到外磁场的影响），利用随空间变化的磁场来补偿多普勒效应的影响，使原子在减速管中处处与激光共振，直至将原子减速至接近静止。
（1）考虑被加热到的原子气体，问准直后（假设准直后原子只有一个方向的自由度）的原子的方均根速率是多少？
（2）激光与对应的原子跃迁共振时，原子对光子的散射速率为。已知用于减速原子的激光波长是，问原子做减速运动时的加速度为多少？将具有方均根速率的原子一直被激光共振减速至静止所需的距离是多少？
（3）不考虑磁场的影响，试计算激光频率应该比原子静止时的激光共振频率减小多少才能与以方均根速率（向着光源方向）运动的原子发生共振跃迁？
（4）已知在磁场的作用下，原子对应的跃迁的频率随磁感应强度变大而线性变小（塞曼效应）式中，系数。假设在准直管出口处原子以均方根速率朝激光射来的方向运动，同时假设在准直管出口处的磁感应强度为0.为了使原子在减速管中（直至原子减速至接近静止）处处被激光共振减速，需要加上随着离准直管出口处距离而变化的磁场来补偿多普勒效应的影响。试求需要加上的磁场的磁感应强度与的关系。已知普朗克常量，玻尔兹曼常量，单位原子质量。
试卷第1页，共3页
参考答案：
1．A
【详解】
普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元,选项A正确；康普顿效应表明光子具有粒子性，选项B错误； 牛顿运动定律只适用于宏观低速物体，而动量守恒定律也是经典物理的内容，也只适用于宏观低速的物体；故C错误；卢瑟福通过α粒子散射实验，提出了原子具有核式结构，选项D错误；故选A.
2．A
【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．
3．A
【详解】
试题分析：牛顿的“微粒说”认为光子是一个个实物粒子，爱因斯坦的“光子说”认为光子是一份份能量，两者有本质上的区别，所以A项正确；干涉现象和衍射现象都能显示光的波动性，所以B项错误；麦克斯韦预言了光是一种电磁波，赫兹用实验证实了预言，所以C项错误；现代物理认为光具有波粒二象性，所以D项错误．
4．B
【详解】
A．光从空气进入水中后，频率和周期不变，波速减小，则波长变小，选项A错误；
B．康普顿效应表明光子具有动量，选项B正确；
C．自然光透过偏振片后成为偏振光，偏振光透过偏振片后不能还原为自然光，故C错误；
D．无论是在真空中传播的光还是在空气中传播的光都是横波，选项D错误。
故选B。
5．D
【详解】
A．对同一种介质，光的波长越大，折射率越小，因为，所以，
由全反射临界角与折射率关系
可得B光在水中发生全反射时的临界角较小，故A错误；
B．双缝干涉产生的干涉条纹间距
因为，所以同一装置进行杨氏双缝干涉实验时，可以观察到A光产生的条纹间距较大，故B错误；
C．光子的动量为
故A、B两种光子的动量之比为
故C错误；
D．由光电效应方程
可知，当A光照射金属板时有
已知，所以当单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为
故D正确。
故选D。
6．D
【详解】
试题分析：卢瑟福根据粒子散射实验现象提出原子的核式结构学说，A正确；光电效应实验证实了光具有粒子性，B正确；电子的发现，知原子还可以再分，原子不是构成物质的最小微粒，C正确；康普顿效应证实了光的粒子特性，D错误；本题选错误的，故选D．
7．D
【详解】
A．普朗克创立了量子理论，把物理学带进了量子世界，故A错误；
B．麦克斯韦根据他所创立的电磁理论指出了光的电磁本质，之后赫兹证实了麦克斯韦关于光的电磁理论，光的波粒二象性说明光既具有粒子性也具有波动性，并没有推翻麦克斯韦的电磁理论，故B错误；
CD．光波不同于宏观现象中的连续波，它是表示大量光子运动规律的一种概率波，故C错误，D正确。
故选D。
8．B
【详解】
A项：光电效应是原子吸收光子向外释放电子的现象，选项A错误；
B项：康普顿在研究石墨对ⅹ射线的散射时发现，有些散射波的波长比入射波的波长略大，有些散射波的波长与入射波的波长相等，故B正确；
C项：普朗克首先把能量子引入物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，故C错误；
D项：卢瑟福发现质子的核反应是用高速粒子作为“炮弹”轰击氮核，故D错误．
9．C
【详解】
AC．光子和电子碰撞动量守恒，则光子的动量会减小，由
可知光子的波长变长，故C正确，A错误；
B．由光速不变原理可知，光子的速度不变，故B错误；
D．由动量守恒定律结合题意可知，电子的动量增加量小于，故D错误。
故选C。
10．C
【详解】
ACD．光子与静止的电子碰撞，一部分能量转移给电子，所以光子能量减小，根据可得减小，即光子频率减小，所以散射后光子的频率小于入射光子的频率，故AD错误，C正确；
B．光子与静止的电子碰撞后偏离原来的运动方向，根据动量守恒可知，散射后光子的运动方向与电子的运动方向不在同一条直线上，故B错误。
故选C。
11．AB
【详解】
试题分析：雨后马路上的油渍呈现彩色条纹是由于油层的厚度不同而出现的光的干涉现象，故选项A正确；天空出现彩虹是空气中的小水滴充当三棱镜，而对光发生的色散现象，选项B正确；光是一种电磁波，能发生干涉、衍射等现象，它也是有动量和能量的，选项C错误；在折射率越大的介质中，根据公式v=c/n中，光的传播速度越慢，选项D错误．
12．ABD
【详解】
A、紫光照射某种金属发生光电效应，改用绿光，因绿光的频率小于紫光，则照射这种金属不一定发生光电效应，故A正确；
B、卢瑟福用α粒子散射实验现象，提出原子核式结构模型，故B正确；
C、玻尔理论可知，核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小，故C错误；
D、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，光子的动量变小，由可知，光子散射后的波长变长，故D正确；
故选ABD．
13．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。
14． 大于 变大
15． 对 对 对 错
16． 变大
【详解】
光子的能量，而光子的频率和波长关系，故；
光子与电子的碰撞过程中，系统不受外力，也没有能量损失，故系统动量守恒，系统能量也守恒，光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据E=hv，光子的频率减小，根据知，波长变大.
17． 1:2
【详解】
根据光电效应方程，又，所以有，解得；又光子动量，所以A、B两种光子的动量之比为1:2.
18．5.5×1014Hz
【详解】
因逸出功：W=hγ0；根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能为：EKm=hγ-hγ0
则
19．频率为5.13×1014Hz，波长为5.85×10-7m，为黄色光。
【详解】
由光子的能量值
该光子的频率为

该光的波长为
根据可见光不同的色光的频率范围可知，该光为黄色光。
20．
【详解】
白炽灯发出的光子频率为，每份光子的能量为
60W的白炽灯在1s内发出的光子数
21．（1）（2） （3）（4）
【详解】
（1）根据能量按自由度均分定理，任一自由度的能量的平均值都是。因此准直后的原子速率平均的平均值满足
①
式中是原子的质量
②
而
③
是原子气体的温度。由①②③式与题给常量得，原子方均根速率为
④
（2）按照牛顿第二定律，原子做减速运动时的加速度大小满足：
⑤
式中是原子所受到的激光对它的作用力的大小：
⑥
这里，是原子在受到激光照射时间间隔内其动量的减少。这种减少源自原子在时间间隔内共振吸收了与原子初速度反向运动的个光子：
⑦
式中是单个光子动量
⑧
联立⑤⑥⑦⑧式得
⑨
将初速度为的原子减速直至静止，该原子所通过的距离是
⑩
（3）设激光的频率为；当原子以速度与激光光子相向运动时它所感受到的激光的频率为，此即该原子在其静止的参考系中所接受到的激光的频率。根据多普勒效应公式
①
当时，可得
②
设原子的跃迁频率为。
当时，原子与激光达到共振散射时。由此得激光应该减小的频率为
③
式中是激光的波长。当时有
④
（4）在原子与激光处处共振的条件下，原子做减速运动的加速度为常值。在处的原子的速度满足
⑤
由此得
⑥
由③式可知，在处有
同理，在处有
⑦
于是
⑧
塞曼减速装置的设计目的是应用塞曼效应让原子处处与冷却激光共振，按题给条件有
注意到，上式可写为
⑨
与⑧式比较并利用⑨式得
⑩
将，以及其它量的题给数据代入⑩式得
其中，的单位是，的取值范围为；的单位是，的取值范围是（或）。
答案第1页，共2页