13.5能量量子化（Word版含答案）

人教版必修第三册 13.5 能量量子化
一、单选题
1．以下宏观概念中，哪些是“量子化”的（ ）
A．物体的质量 B．物体所受的力 C．导体中的电流 D．东北虎的个数
2．两束可见光的波长分别为和，其中．则（下列表述中，脚标“1”和“2”分别代表波长为和的光所对应的物理量）（ ）
A．这两束光的光子的动量
B．这两束光的光子的能量
C．这两束光都能使某种金属发生光电效应，则遏止电压
D．这两束光均能使某金属发生光电效应，逸出光电子的最大初动能之比
3．下列宏观概念中，是“量子化”的有（　　）
A．人的身高 B．物体的质量
C．汽车的速度 D．大象的头数
4．下列说法不正确的是（　　）
A．第一类永动机违背了能量守恒定律
B．安培提出的“分子电流假说”成功解释了磁化现象
C．普朗克为解释黑体辐射实验规律提出了能量子的假设
D．只要穿过闭合导体回路的磁场发生变化，闭合回路中就一定会产生感应电流
5．由于内部发生激烈的热核聚变，太阳每时都在向各个方向产生电磁辐射，若忽略大气的影响，在地球上垂直于太阳光的每平方米的截面上，每秒钟接收到的这种电磁辐射的总能量约为1.4×103J。已知：日地间的距离R=1.5×1011m，普朗克常量h=6.6×10﹣34J s。假如把这种电磁辐射均看成由波长为0.55μm的光子组成的，那么，由此估算太阳每秒钟向外辐射的光子总数的数量级约为（　　）
A．1045 B．1041 C．1035 D．1030
6．下列有关说法正确的是（ ）
A．爱因斯坦在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
B．玻尔最早认识到了能量子的意义，提出光子说，并成功地解释了光电效应
C．德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出物质波的猜想，而电子的衍射实验证实了他的猜想
D．普朗克大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性
7．以下关于辐射强度与波长的关系的说法中正确的是 （　　）
A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波
B．当铁块呈现红色时，说明它的温度不太高
C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强
D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高
8．下列有关黑体和黑体辐射的说法错误的是（　　）
A．黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射
B．黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波（包括可见光和不可见光）
C．黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释
D．黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释
9．以下宏观概念中，哪些是“量子化”的(　　)
A．物体的质量 B．物体的动量
C．导体中的电流 D．东北虎的个数
10．黑体辐射的强度与波长的关系如图所示，由图可知下列说法错误的是（　　）
A．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加
B．随着温度的升高，辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动
C．任何温度下，黑体都会辐射各种波长的电磁波
D．不同温度下，黑体只会辐射相对应的某些波长的电磁波
11．某气体在T1、T2两种不同温度下的分子速率分布图象如图甲所示，纵坐标f（v）表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比，横坐标v表示分子的速率；而黑体辐射的实验规律如图乙所示，图乙中画出了T1、T2两种不同温度下黑体辐射的强度与波长的关系。下列说法正确的是（　　）
A．图甲中T1>T2
B．图乙中T1C．图甲中温度升高，所有分子的速率都增大
D．图乙中温度升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动
12．华为手机麒麟9000型芯片是5nm制作工艺，光刻机是芯片制造的核心设备之一。光刻机通过一系列的光源能量，将光束透射过画着线路图的掩模，用透镜将线路图成比例缩小后映射到涂有化学层的硅片上，受到光线照射的部分，可以被冲洗掉，在硅片上就得到了掩膜上的电路图。芯片的制作过程需要用较大能量光子的光照射，应选用的光源是（　　）
A．波长长的光源 B．频率大的光源
C．强度小的光源 D．强度大的光源
13．2016年诺贝尔物理学奖颁发给了三位美国科学家，以表彰他们将拓扑概念应用于物理研究所做的贡献。我们知道，按导电性能不同传统材料大致可分为导体和绝缘体两类，而拓扑绝缘体性质独特，它是一种边界上导电、体内绝缘的新型量子材料。例如，在通常条件下石墨烯正常导电，但在温度极低、外加强磁场的情况下，其电导率（即电阻率的倒数）突然不能连续改变，而是成倍变化，此即量子霍尔效应（关于霍尔效应，可见下文注释）。在这种情况下，电流只会流经石墨烯边缘，其内部绝缘，导电过程不会发热，石墨烯变身为拓扑绝缘体。但由于产生量子霍尔效应需要极低温度和强磁场的条件，所以其低能耗的优点很难被推广应用。2012年10月，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队，首次在实验中发现了量子反常霍尔效应，被称为中国“诺贝尔奖级的发现”。量子反常霍尔效应不需要外加强磁场，所需磁场由材料本身的自发磁化产生。这一发现使得拓扑绝缘材料在电子器件中的广泛应用成为可能。注释：霍尔效应是指将载流导体放在匀强磁场中，当磁场方向与电流方向垂直时，导体将在与磁场、电流垂直的方向上形成电势差。根据以上材料推断，下列说法正确的是（　　）
A．拓扑绝缘体导电时不具有量子化的特征
B．霍尔效应与运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力无关
C．在量子反常霍尔效应中运动电荷不再受磁场的作用
D．若将拓扑绝缘材料制成电脑芯片有望解决其工作时的发热问题
14．关于电磁振荡与电磁波，下列说法正确的是（　　）
A．雷达的最大侦察距离等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的时间间隔内传播的距离
B．黑体可以吸收一切光，普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说，黑体的热辐射实质上是电磁辐射
C．红外线有很强的穿透本领，医学上常用于透视人体，过强的紫外线照射有利于人体的皮肤健康
D．根据麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场一定能产生磁场，变化的磁场也一定能产生变化的电场
15．太阳帆航天器是一种利用太阳光的压力进行太空飞行的航天器，如图所示。在没有空气的宇宙中，太阳光光子会连续撞击太阳帆，使太阳帆获得的动量逐渐增加，从而产生加速度。太阳帆飞船无需燃料，只要有阳光，就会不断获得动力加速飞行。有人设想在探测器上安装有面积极大、反射功率极高的太阳帆，并让它正对太阳。已知太阳光照射太阳帆时每平方米面积上的辐射功率为 P0，探测器和太阳帆的总质量为 m，太阳帆的面积为 s，每个光子的能量为p，此时探测器的加速度大小为（　　）
A． B． C． D．
二、填空题
16．第一个在理论上预言电磁波存在并指出光是一种电磁波的科学家是_____________；提出物质波假说的科学家是____________；第一个提出量子概念的科学家是________________。
17．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。
18．一灯泡的电功率为P，若消耗的电能看成全部以波长为λ的光波均匀地向周围辐射，设光在空气的传播速度近似为真空中的光速c，普朗克常量为h．则这种光波光子的能量为_____，在距离灯泡d处垂直于光的传播方向S面积上，单位时间内通过的光子数目为________．
三、解答题
19．如图所示为我国首颗量子通信卫星“墨子号”。“墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列。那么，量子通信的理论基础是什么？该理论的提出背景又是什么？
20．黑体就是绝对不发光的物体，看上去一定是黑色的，这句话对吗？
21．太阳的辐射功率（太阳每秒辐射的能量）为，已知射到大气层的太阳能只有45%到达地面，另有55%被大气层吸收和反射，而未到达地面．若射到地球上的太阳光可视为垂直于地球表面，把太阳光看成是频率为的单色光，求地球表面上的面积每秒接收到多少个光子？已知太阳到地球的距离为．（最后结果保留两位有效数字）
22．（1）功率为P的光源向四周发出光子，光速为c，光波的波长为，普朗克常量为h，求每秒发出的光子数．
（2）在离光源d处有一挡板挡光，设挡板对光是完全吸收的，且挡板正对光源，求光子在挡板上产生的压强．
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．D
【详解】
所谓“量子化”，一定是不连续的，是一份一份的，所以D正确；ABC错误；
故选D。
2．B
【详解】
A．由光子的动量，可知，故A错误；
B．由可知，两种光子的频率关系为，根据可得光子的能量，故B正确；
C．两束光都能使某种金属发生光电效应，由光电效应方程，可知频率越大的光对应的光电子的最大初动能越大，又由，可知最大初动能越大，遏止电压越大，所以遏止电压，故C错误；
D．根据光电效应方程，和可知，
故D错误。
故选B。
3．D
【详解】
能一份份地选取，且只能取整数，不能取小数的量均可以看作“量子化”，如大象的头数，学生个数等。
故选D。
4．D
【详解】
A．第一类永动机违背了能量守恒定律，选项A正确，不符合题意；
B．安培提出的“分子电流假说”成功解释了磁化现象，选项B正确，不符合题意；
C．普朗克为解释黑体辐射实验规律提出了能量子的假设，选项C正确，不符合题意；
D．只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合回路中就一定会产生感应电流，选项D错误，符合题意。
故选D。
5．A
【详解】
设地面上lm2的面积上每秒接受的光子数为n，则有
pt=nh
代入数据解得
n=3.87×1021个/m2.
设想一个以太阳为球心，以日地间距离R为半径的大球面包围着太阳，大球面接受的光子数即太阳辐射的全部光子数，则所求的可见光光子数为
N=n4πR2=3.87×1021×4×3.14×（1.5×1011）2≈1×1045
故A正确，BCD错误。
6．C
【详解】
A．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，故A错误；
B．爱因斯坦最早认识到了能量子的意义，为解释光电效应的实验规律提出了光子说，并成功地解释了光电效应现象，故B错误；
C．德布罗意在爱因斯坦光子说的基础上提出物质波的猜想，而电子的行射实验证实了他的猜想，故C正确；
D．德布罗意大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性，故D错误。
故选C。
7．C
【详解】
A．物体在某一温度下能辐射不同波长的电磁波，A错误；
B．黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，则辐射强度的极大值也就越大；当铁块呈现黑色时，是因为它的辐射强度的极大值对应的波长段在红外部分，甚至波长更长，说明它的温度不太高，B错误；
C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强，C正确；
D．太阳早、晚时分呈现红色，而中午时分呈现白色，是因为大气吸收与反射了部分光的原因，不能说明中午时分太阳温度最高，D错误。
故选C。
8．C
【详解】
A．黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射，故A正确不符合题意；
B．根据辐射规律可知，黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波（包括可见光和不可见光），故B正确不符合题意；
CD．黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释，故C错误符合题意D正确不符合题意；
故选C。
9．D
【详解】
A．物体的质量的数值可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的，故A错误；
B．物体的动量的数值可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的，故B错误；
C．导体中的电流的数值可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的，故C错误；
D．东北虎的个数的数值的数量只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的，故D正确。
故选D。
10．D
【详解】
A．由题图可以看出，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，故A正确，不符合题意；
B．随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故B正确，不符合题意；
CD．任何温度下，黑体都会辐射各种波长的电磁波，故C正确，不符合题意，D错误，符合题意。
故选D。
11．D
【详解】
AC．由图甲可知，温度为T2的图线中速率大分子占据的比例较大，则说明其对应的平均动能较大，故T2对应的温度较高，T1＜T2；温度升高使得气体分子的平均速率增大，不一定每一个气体分子的速率都增大，故AC错误；
BD．由图乙可以看出，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，则T1>T2，故B错误，D正确。
故选D。
12．B
【详解】
由光子的能量公式，即
可知，频率越大额光子能量越大，光子的能量与光子的强度无光，而根据公式
可得，波长越长，光子的频率越小，ACD错误，B正确。
故选B。
13．D
【详解】
A．由题意知石墨烯变身为拓扑绝缘体，其电导率（即电阻率的倒数）突然不能连续改变，而是成倍变化，具有量子化的特征，选项A错误；
B．霍尔效应是指将载流导体放在匀强磁场中，当磁场方向与电流方向垂直时，粒子在洛伦兹力作用下，发生偏转，从而导致在与磁场、电流垂直的方向上形成电势差，所以霍尔效应与运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力有关，选项B错误；
C．量子反常霍尔效应虽然不需要外加强磁场，所需磁场由材料本身的自发磁化产生，所以运动电荷仍受磁场的作用，选项C错误；
D．由题意当电流只会流经石墨烯边缘时，其内部绝缘导电过程不会发热，即变成为拓扑绝缘体，所以若将拓扑绝缘材料制成电脑芯片有望解决其工作时的发热问题，选项D正确。
故选D。
14．B
【详解】
A．雷达的最大侦察距离应等于电磁波在雷达发射相邻两个脉冲的时间间隔内传播距离的一半，A项错误；
B．黑体可以吸收一切光，黑体辐射本质上是电磁辐射，普朗克最早提出了能量子假说，他认为能量是一份一份的，每一份是一个能量子，B项正确；
C．X射线有很高的穿透本领，医学上常用于透视人体，过强的紫外线照射对人体的皮肤有害，C项错误；
D．变化的电场一定能产生磁场，变化的磁场一定能产生电场，但均匀变化的磁场只能产生恒定电场，D项错误。
故选B。
15．A
【详解】
每秒光照射到帆面上的能量
E=P0s
光子的平均能量
ε=hf
光子的频率
每秒射到帆面上的光子数
联立可得
每个光子的动量
光射到帆面被反弹，由动量定理得
Ft=2Ntp
对飞船，由牛顿第二定律得
F=ma
联立解得
故A正确，BCD错误。
16． 麦克斯韦 德布罗意 普朗克
【详解】
第一个在理论上预言电磁波存在并指出光是一种电磁波的科学家是麦克斯韦；提出物质波假说的科学家是德布罗意；第一个提出量子概念的科学家是普朗克。
17． 量子化 分立
【详解】
[1][2] 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。
18．
【详解】
[1]．由得光波子能量；
[2]．在距离灯泡d处垂直于光的传播方向S面积能量，所以单位时间内通过的光子数为
19．量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设。该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。
【详解】
根据物理学史可知，量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设；该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。
20．不对
【详解】
黑体可以完全吸收入射的电磁波而不发生反射，同时自身可以有较强的辐射，即黑体同时辐射和吸收电磁波．黑体达到高温时所辐射的电磁波中强度较大的是可见光和紫外线，此时黑体是明亮的．黑体可以是发光的物体，本身可以有较强的辐射，看上去并不一定是黑色的，也可能看上去很明亮，例如炼钢炉上的小孔。
21．个
【详解】
设想有一个以太阳中心为球心，以太阳到地球表面距离（近似等于太阳到地球的距离R）为半径的大球，这个大球面上单位面枳每秒接收到辐射的功率为：
（式中P为太阳的辐射功率）
则地球表面上的面积每秒接收到的能量：
设地球表面上的面积每秒接收到的光子数为n，由于光子的能量为，则：
个．
22．（1） （2）
【详解】
（1）单个光子的能量为
光源每秒辐射的能量为P，故每秒发出的光子数为
（2）光源发出的光子均匀分布在以光源为中心的球面上，以d为半径作一个球面，则单位时间内照到挡板单位面积上的光子数为
单个光子的动量为
光压等于单位时间照到挡板单位面积上的光子动量的变化量，而挡板对光是完全吸收的，所以光子在挡板上产生的压强为
答案第1页，共2页
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