高中物理：选择性必修三 4.3 光的波粒二象性（含答案）

光的波粒二象性
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基础练
?题组一　光的本性
1．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
2．如图所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验 (　　)
A．只能证明光具有波动性
B．只能证明光具有粒子性
C．只能证明光能够发生衍射
D．证明光具有波粒二象性
3．光具有波粒二象性，能说明光具有粒子性的实验是(　　)
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光电效应
C．光的衍射和康普顿效应
D．光电效应和康普顿效应
?题组二　光的波粒二象性
4．(多选)下列叙述的情况中正确的是 (　　)
A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体一样
B．光是波，与橡皮绳上的波类似
C．光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的
D．光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可以用波动的规律来描述
5．下列说法正确的是(　　)
A．光的波粒二象性是牛顿的微粒说加上惠更斯的波动说组成的
B．光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的电磁理论
C．光子说并没有否定电磁说，在光子的能量式ε＝hν中，ν表示波的特性，ε表示粒子的特性
D．光波与机械波具有完全相同的特点
6．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处是(　　)
A．亮纹
B．暗纹
C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D．以上各种情况均有可能
7．在双缝干涉实验中若采用的光源非常弱，感光胶片曝光后的情况是(　　)
A．若曝光时间极短，图像显示出光的波动性
B．若曝光时间极短，图像显示出光的粒子性
C．无论曝光时间长短，都可以在感光胶片上得到明显的干涉条纹
D．无论曝光时间长短，图像都呈现不规则分布
8．近年来，数码相机家喻户晓，用来衡量数码相机性能的一个非常重要的指标就是像素，1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点，现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解为 (　　)
A．光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份的
B．光的波动性是大量光子之间的相互作用引起的
C．大量光子表现出光具有粒子性
D．光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性
9．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内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，设太阳光垂直射到黑色的太阳帆上，飞船总质量为m，则飞船的加速度为多少？
提升练
10．对于光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　)
A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光波与机械波是同样的一种波
C．光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量ε＝hν中，频率ν仍表示的是波的特性
11．(多选) 为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是(　　)
A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样
B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样
C．大量光子的运动显示光的波动性
D．光只有波动性没有粒子性
12．用极微弱的红光做双缝干涉实验，随着曝光时间的延长，可以先后得到如图(a)(b)(c)所示的图样，这里的图样________(选填“是”或“不是”)光子之间相互作用引起的，实验表明光波________(选填“是”或“不是”)一种概率波．
(a)　　　　　　　(b)　　　　　　(c)
参考答案：
基础练
?题组一　光的本性
1．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
C　[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．]
2．如图所示，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器铝箔有张角，则该实验 (　　)
A．只能证明光具有波动性
B．只能证明光具有粒子性
C．只能证明光能够发生衍射
D．证明光具有波粒二象性
D　[弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射，证明了光具有波动性；验电器铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应，则证明了光具有粒子性．所以该实验证明了光具有波粒二象性，D正确．]
3．光具有波粒二象性，能说明光具有粒子性的实验是(　　)
A．光的干涉和衍射
B．光的干涉和光电效应
C．光的衍射和康普顿效应
D．光电效应和康普顿效应
D　[光的干涉和衍射是波特有的现象，不能说明光具有粒子性，而光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故D正确．]
?题组二　光的波粒二象性
4．(多选)下列叙述的情况中正确的是 (　　)
A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体一样
B．光是波，与橡皮绳上的波类似
C．光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的
D．光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可以用波动的规律来描述
CD　[光的粒子性说明光是一种粒子，但到达空间某位置的概率遵守波动规律，与宏观概念的粒子和波有着本质的不同，所以选项AB错误，选项D正确．光是一种粒子，它与物质作用是“一份一份”进行的，所以选项C正确．]
5．下列说法正确的是(　　)
A．光的波粒二象性是牛顿的微粒说加上惠更斯的波动说组成的
B．光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的电磁理论
C．光子说并没有否定电磁说，在光子的能量式ε＝hν中，ν表示波的特性，ε表示粒子的特性
D．光波与机械波具有完全相同的特点
C　[光的波粒二象性认为光是一份一份的光子构成的，光子是一种没有静止质量的能量团，与牛顿的微粒说中的实物粒子有本质区别；光同时还是一种波，但与惠更斯的波动说中的光是一种机械波有本质区别，A错误；在光子能量式ε＝hν中，ν表示了波的特征，ε表示粒子的特性，光子说并没有否定麦克斯韦的电磁说，B错误，C正确；机械波传播需要介质，光波不需要；机械波是横波或纵波，光波只能是横波，D错误．]
6．在做双缝干涉实验时，发现100个光子中有96个通过双缝后打到了观察屏上的b处，则b处是(　　)
A．亮纹
B．暗纹
C．既有可能是亮纹也有可能是暗纹
D．以上各种情况均有可能
A　[由光子按波的概率分布的特点判断，由于大部分光子都落在b处，故b处一定是亮纹，选项A正确．]
7．在双缝干涉实验中若采用的光源非常弱，感光胶片曝光后的情况是(　　)
A．若曝光时间极短，图像显示出光的波动性
B．若曝光时间极短，图像显示出光的粒子性
C．无论曝光时间长短，都可以在感光胶片上得到明显的干涉条纹
D．无论曝光时间长短，图像都呈现不规则分布
B　[根据光的波粒二象性知，单个光子表现出粒子性，而大量光子表现出波动性，故曝光时间极短时，底片上出现一些不规则分布的点，说明了单个光子表现出粒子性；光子的粒子性并非宏观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测；到达的光子多的区域表现为亮条纹，而到达的光子少的区域表现为暗条纹，如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，说明了大量光子表现出波动性．故B正确，ACD错误．]
8．近年来，数码相机家喻户晓，用来衡量数码相机性能的一个非常重要的指标就是像素，1像素可理解为光子打在光屏上的一个亮点，现知300万像素的数码相机拍出的照片比30万像素的数码相机拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解为 (　　)
A．光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份的
B．光的波动性是大量光子之间的相互作用引起的
C．大量光子表现出光具有粒子性
D．光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性
D　[数码相机拍出的照片不是白点，不能显示光的粒子性，A错误；光的波粒二象性是光的内在属性，即使是单个光子也有波动性，跟光子的数量和光子之间是否有相互作用无关，B错误；大量光子表现出光具有波动性，C错误；光具有波粒二象性，大量光子表现出光的波动性，D正确．故选D．]
9．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内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，设太阳光垂直射到黑色的太阳帆上，飞船总质量为m，则飞船的加速度为多少？
[解析]　光子垂直射到黑色的太阳帆上，动量变化量为p，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·p，
所以F＝Np，
而光子动量p＝，所以F＝，
由牛顿第二定律可得飞船加速度a＝＝.
[答案]　
提升练
10．对于光的波粒二象性的说法中，正确的是(　　)
A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光波与机械波是同样的一种波
C．光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的
D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量ε＝hν中，频率ν仍表示的是波的特性
D　[光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性，当光和物质作用时，是“一份一份”的，表现出粒子性；单个光子通过双缝后在空间各点出现的可能性可以用波动规律描述，表现出波动性．粒子性和波动性是光子本身的一种属性，光子说并未否定电磁说．故D正确．]
11．(多选) 为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是(　　)
A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样
B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的单缝，如果时间很短，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样
C．大量光子的运动显示光的波动性
D．光只有波动性没有粒子性
AC　[使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现双缝干涉图样，如果时间很短，少量光子到达底片上，由于光波是概率波，光子的行为是随机的，则底片上不会出现双缝干涉图样，故A正确，B错误；光波是一种概率波，光子落在光屏上各点的概率是不同的．单个光子通过双缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过双缝后打在底片上的情况呈现出规律性．所以个别光子的运动体现粒子性，大量光子的运动体现波动性，故C正确；光既具有波动性又具有粒子性，故D错误．]
12．用极微弱的红光做双缝干涉实验，随着曝光时间的延长，可以先后得到如图(a)(b)(c)所示的图样，这里的图样________(选填“是”或“不是”)光子之间相互作用引起的，实验表明光波________(选填“是”或“不是”)一种概率波．
(a)　　　　　　　(b)　　　　　　(c)
[解析]　图样所显示的是光子到达的位置，不是光子之间相互作用引起的，表明了光波是一种概率波．
[答案]　不是　是
13．用波长为2.0×10－7 m的紫外线照射钨的表面，释放出来的光电子的动能最大是4.7×10－19 J．由此可知，钨的截止频率是(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s)多少？
[解析]　由光电效应可知，入射光子的能量等于逸出功与最大初动能的和，即hν＝W＋Ek，又有c＝λν，W＝hν0，由以上三式得钨的截止频率ν0＝－＝ Hz－ Hz＝7.9×1014 Hz.
[答案]　7.9×1014 Hz