同步课时精练（十五）4.3光的波粒二象性（含解析）

同步课时精练（十五）4.3 光的波粒二象性（后附解析）
一、单选题
1．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的频率为ν，碰撞后的频率为ν′，则碰撞过程中（　　）
A．能量守恒，动量守恒，且ν＝ν′ B．能量不守恒，动量不守恒，且ν＝ν′
C．能量守恒，动量守恒，且ν＜ν′ D．能量守恒，动量守恒，且ν＞ν′
2．下列说法正确的是（　　）
A．结合能越大的原子核越稳定
B．玻尔的跃迁假设是根据α粒子散射实验分析得出的
C．光电效应揭示了光具有粒子性，康普顿效应揭示了光具有波动性
D．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的
3．氢原子的能级示意图如图所示。若用一束光照射大量处于基态的氢原子，氢原子受激发后辐射出3种频率的光，则这束光的能量为（　　）
A．10. 20 eV B．12. 09 eV C．12. 75 eV D．13. 06 eV
4．下列说法不正确的是（　　）
A．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象说明了光具有粒子性
B．放射性的原子核在发生衰变、衰变时，新形成的原子核会辐射光子，形成射线
C．结合能是指自由的核子结合成原子核而具有的能量
D．铀核裂变生成钡和氪的核反应方程是
5．下列说法中不正确的是（ ）
A．光波不同于宏观概念中那种连续的波，它是表明大量光子运动规律的一种概率波
B．康普顿效应表明光具有波动性，即光子不仅具有能量还具有动量
C．德布罗意最先提出了物质波，认为实物粒子也具有波动性
D．光电效应现象揭示了光的粒子性
6．关于下列单位说法错误的是（ ）
A．电动势的单位是V B．比荷的单位是kg/C
C．普朗克常量的单位是J·s D．磁通量的单位是Wb
7．光子有能量，也有动量，它也遵守有关动量的规律．如图所示，真空中有一“∞”字形装置可绕通过横杆中点的竖直轴OO′ 在水平面内灵活地转动，其中左边是圆形黑纸片，右边是和左边大小、质量均相同的圆形白纸片．当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于此装置开始时转动情况（俯视）下列说法中正确的是
A．逆时针方向转动 B．顺时针方向转动 C．都有可能 D．不会转动
8．氢原子能级图如图所示，大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射光照射逸出功为2.65eV的光电管。下列说法正确的是（　　）
A．能使光电管发生光电效应的光有6种
B．所有光电子中最大初动能为12.75eV
C．若要使光电流为零，至少给光电管加10.10V的反向电压
D．氢原子从n=4能级跃迁至基态时发出的光粒子特性最弱
9．用强黄光、弱黄光和蓝光分别照射如图甲所示的实验装置的K极，其饱和电流随电压的变化关系如图乙所示，而光与电子发生碰撞前后速度方向发生改变，如图丙所示。根据这些图像分析，下列说法中正确的是（ ）

A．图乙说明光子具有能量，且光强越强，单个光子能量越大
B．根据图乙分析可知，若用红光照射同一实验装置，一定有光电流产生
C．在图丙的现象中，有部分光子碰撞后的波长大于碰撞前的波长
D．图甲的现象不仅可以说明光具有粒子性，而且说明光子具有动量
二、多选题
10．下述实验或现象中，能够说明光具有粒子性的是（　　）
A．光电效应 B．天然放射现象 C．原子的线状光谱 D．康普顿效应
11．下列说法正确的是
A．由波尔原子模型可以推知，氢原子处于激发态，量子数越大，核外电子动能越小
B．康普顿效应的发现，说明了光子不但具有能量，还具有动量．
C．德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长
D．现已建成的核电站的能量均来自于核聚变
12．如图所示，波长分别为、的单色光a、b，沿着AO、BO方向射入半圆形玻璃砖，出射光线都沿OC，则下列说法正确的是　　
A．在玻璃砖内a光的动量大于在空气中a光的动量
B．在玻璃砖内a光的动量大于在玻璃砖内b光的动量
C．a、b光从玻璃砖射入空气时，均受到玻璃砖的作用力
D．但是a、b光的临界角相等
三、解答题
13．我们已经知道动量守恒定律适用于康普顿效应，试判断在光电效应中动量守恒定律是否适用于光子和电子组成的系统。
14．在康普顿散射实验中，频率为的入射光，与某一静止的电子发生碰撞，碰后电子的动量为p，方向与入射光方向相同．已知普朗克常量为h，光速为c，求碰后光子的波长λ．
15．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。
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．D
解析：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，则有ν＞ν′，答案：D。
2．D
解析：比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，故A错误；为解释氢光谱，玻尔提出了轨道量子化与跃迁假设，故B错误；光电效应与康普顿效应都揭示了光具有粒子性，故C错误；衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，故D正确．
3．B
解析：氢原子受光照射激发后，由基态跃迁到n=3激发态，共吸收能量
激发态不稳定，向低能级跃迁共辐射三种频率的光，ACD错误，B正确。
答案：B。
4．C
解析：A．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于原波长的成分，此现象称为康普顿效应，这个现象说明了光具有粒子性，故A正确，不符题意
B．在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较紧密，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这就是放射性元素发生的衰变现象，原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是衰变；放射性的原子核在发生衰变和衰变后产生的新核往往处于高能级，这时它要向低能级跃迁，因此射线经常伴随射线和射线产生，故B正确，不符题意；
C．结合能是指由于核子结合成原子核而放出的能量，不是原子核具有的能量，故C错误，符合题意；
D．该核反应方程式符合质量数守恒与电荷数守恒，故D正确，不符题意。
本题选不正确的，答案：C。
5．B
解析：A．光波不同于宏观概念中那种连续的波，它是一份一份的，如果让光通过一个很窄的狭缝，狭缝只能让光子一个一个的通过，打到感光胶片上，则在感光胶片上出现一些随机亮点，长时间曝光会出现明暗相间的条纹，亮纹表明光子到达的概率大，而暗纹表明光子到达的概率小，因此光波是一种概率波，A正确；
B．康普顿效应表明光具有粒子性，即光子不仅具有能量还具有动量，B错误；
C．德布罗意最先提出了物质波，认为实物粒子也具有波动性，后来通过电子的衍射图案证明了该理论的正确性，C正确；
D．光电效应现象揭示了光的粒子性，D正确。
故不正确的选B。
6．B
解析：A．电动势的单位是V，故A正确，不符合题意；
B．比荷，电量单位C，质量单位kg，所以电子比荷的单位是C/kg，故B错误，符合题意；
C．根据公式得
所以普朗克常量h的单位是，故C正确，不符合题意；
D．磁通量的单位是Wb，故D正确，不符合题意。
答案：B。
7．A
解析：白纸反射各种色光，故用平行白光垂直照射白纸片时光子会被反弹回去，而黑纸面会吸收各种色光，即光子与黑纸片碰撞后具有相同的速度方向，结合动量守恒知光子与白纸片碰撞后，白纸片会获得较大速度，故此装置会逆时针方向转动（俯视）．
故ACD选项错误，B正确．
8．C
解析：A．大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，其中4→1、3→1、2→1跃迁所辐射出的光子能量都大于2.65eV，可以使光电管发生光电效应，而4→3、3→2、4→2跃迁所辐射出的光子能量都小于2.65eV，不能使光电管发生光电效应，故A错误；
B．4→1跃迁时放出光子能量最大，为
根据爱因斯坦光电效应方程可知所有光电子中最大初动能为
故B错误；
C．若要使光电流为零，应使所有光电子都不能到达阳极，则所加反向电压的最小值为
故C正确；
D．氢原子从n=4能级跃迁至基态时发出的光子能量最大，动量最大，根据可知光子的波长最小，则波动性最弱，粒子性最强，故D错误。
答案：C。
9．C
解析：A．图乙说明光电效应饱和电流与电压的关系，单个光子能量与频率有关，故A错误；
B．红光的频率小于黄光的频率，若用红光照射同一实验装置，不一定有光电流产生，故B错误；
C．图丙中碰撞的过程中电子带走了光子的一部分动量，所以碰撞后光子动量小于碰撞前光子动量，根据，因此碰撞后光子波长大于碰撞前光子波长，故C正确；
D．光电效应和康普顿效应都可以说明光具有粒子性，无法说明光子具有动量，故D错误；
答案：C。
10．AD
解析：AD．光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，选项AD正确；
BC．天然放射现象以及原子的线状光谱不能说明光具有粒子性，选项BC错误。
答案：AD。
11．AB
解析：由波尔原子模型可以推知，氢原子处于激发态，量子数越大，核外电子半径越大，根据可知，动能越小，选项A正确；康普顿效应的发现，说明了光子不但具有能量，还具有动量，选项B正确；德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越短，选项C错误；现已建成的核电站的能量均来自于核裂变，选项D错误；答案：AB.
12．ABC
解析：A.玻璃砖对a光的折射率大于空气对a的折射率，根据可知，a光在空气中的速度大；光子的动量：，所以在玻璃砖内a光的动量大于在空气中a光的动量，A正确；
B.由光路图看出，a光的偏折角大于b的偏折角，折射定律分析得知，a光的折射率比b光的折射率大，由折射率与光的频率的关系可知，a的频率大；光子的动量：，则在玻璃中，a光的动量大于在玻璃砖内b光的动量，B正确；
C.由图可知a、b光从玻璃砖射入空气时，均发生偏折，可知光子的动量发生变化，由动量定理可知都受到玻璃砖的作用力．C正确；
D.a光的折射率比b光的折射率大，则知a光的频率比b光的频率高，由：可知a的波长小于b的波长．a的折射率大，由可知a的临界角小，D错误．
13．适用
解析：动量守恒定律具有普适性，对宏观与微观均成立，因此在光电效应中动量守恒定律仍然适用于光子和电子组成的系统。
14．
思路：根据求入射光波长，由求碰前光子动量；
根据动量守恒定律求碰后光子的动量；
再由求碰后光子波长．
解析：由波速、频率和波长的关系得，频率为的入射光的波长，所以碰前动量为．根据动量守恒定律得：，解得：．又根据得：．
点拨：熟记公式，，明确动量守恒定律适用于宏观物体，同时也适用于微观粒子的碰撞，是解决本题的关键．
15．(1)；(2)见解析所示；(3)见解析所示
解析：(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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