粤教版高中物理选择性必修第三册 第4章 波粒二象性课时练习(3份打包含解析)

文档属性

名称 粤教版高中物理选择性必修第三册 第4章 波粒二象性课时练习(3份打包含解析)
格式 zip
文件大小 1.4MB
资源类型 教案
版本资源 粤教版(2019)
科目 物理
更新时间 2024-02-27 10:32:26

文档简介

第四章 第一节 第二节
A组·基础达标
1.(2023年海南模拟)用紫外光电管制作的火灾报警器的灵敏度非常高,其能够探测5 m远处香烟头燃烧时火焰发出的紫外线,因此被称为“火焰发现者”,但它对可见光完全没有反应,因此在使用过程中不需要过滤任何可见光.已知光电管内部金属材料发生光电效应的极限频率为ν0,对应的波长为λ0;可见光的最高频率为ν1,对应的波长为λ1;可见光的最低频率为ν2,对应的波长为λ2.下列说法正确的是(  )
A.ν0一定大于ν1 B.λ0一定大于λ1
C.ν0一定小于ν2 D.λ0一定大于λ2
【答案】A 【解析】根据题意可知,用可见光照射这种光电管时不能发生光电效应,说明可见光的最高频率ν1小于光电管内部金属的极限频率ν0,A正确,C错误;根据公式λ=可知,频率ν越高,波长λ越短,故λ0一定小于λ1和λ2,B、D错误.
2.(2023年绍兴期末)氦氖激光器发射波长为632.8 nm的单色光,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.这种光的一个光子能量为(  )
A.3.14×10-17 J B.3.14×10-18 J
C.3.14×10-19 J D.3.14×10-20 J
【答案】C 【解析】这种光的一个光子能量为ε=≈ J≈3.14×10-19 J,故选C.
3.某金属发生光电效应,光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν之间的关系如图所示.已知h为普朗克常量,e为电子电荷量的绝对值,结合图像所给信息,下列说法正确的是(  )
A.入射光的频率小于ν0也可能发生光电效应现象
B.该金属的逸出功随入射光频率的增大而增大
C.若用频率是2ν0的光照射该金属,则遏止电压为
D.遏止电压与入射光的频率无关
【答案】C 【解析】图像中横轴的截距ν0为发生光电效应的截止频率,根据光电效应产生条件,入射光的频率大于截止频率ν0才能发生光电效应现象,A错误;金属的逸出功是一常数,不随入射光的频率增大而变化,B错误;若用频率为2ν0的光照射该金属,由爱因斯坦光电效应方程,Ek=2hν0-W,W=hν0,Ek=eU,联立解得U=,C正确;由Ek=hν-W,W=hν0,Ek=eU,可知入射光频率越大,遏止电压越大,即遏止电压与入射光的频率有关,D错误.
4.(2022年江苏卷)光源通过电子-光子散射使光子能量增加,光子能量增加后(  )
A.频率减小 B.波长减小
C.动量减小 D.速度减小
【答案】B 【解析】根据E=hν可知光子的能量增加后,光子的频率增加,又根据λ=,可知光子波长减小,A错误,B正确;根据p=,可知光子的动量增加.又因为光子质量不变,根据p=mv可知光子速度增加,C、D错误.
5.如图所示,电路中所有元件完好,当光照射到光电管上时,灵敏电流计中没有电流通过,可能的原因是(  )
A.入射光强较弱 B.入射光频率太高
C.电源正负极接反 D.光照射时间太短
【答案】C 【解析】光电管能否产生光电效应只与入射光的频率有关,与入射光的强度没有关系,A错误;若入射光频率太高,则一定大于金属的截止频率,故一定可以发生光电效应,电流计中有电流通过,B错误;电源正负极接反时,光电管加上反向电压,虽然发生光电效应产生光电子,但是在反向电压作用下,光电子做减速运动,可能不能到达阳极,电路中不能形成电流,C正确;光电管能否产生光电效应与光照时间没有关系,D错误.
6.如图所示,在验电器上安装一个铜网,使其带电,验电器金属箔张开一定角度.用紫外线照射铜网,验电器金属箔的张角保持不变,再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处,用同一紫外线照射锌板时,发现金属箔张开角度减小.下列相关说法中正确的是(  )
A.增加紫外线的强度照射铜网,金属箔张角将变大
B.紫外线的频率大于金属锌的截止频率
C.铜网带负电
D.改用紫光照射锌板,验电器的金属箔张角也一定减小
【答案】B 【解析】根据用紫外线照射铜网,验电器金属箔的张角保持不变;再将一块锌板放置在该铜网后面一定距离处,用同一紫外线照射锌板时,发现金属箔张开角度减小,说明逸出的光电子跑到铜网上,导致其电量减小,当增加紫外线的强度照射铜网,金属箔张角将变更小,由此可知,铜网带正电,故A、C错误;只有紫外线的频率大于金属锌的截止频率,才会发生光电效应,故B正确;根据光电效应产生条件,当改用紫光照射,则紫光频率小于紫外线,因此可能不发生光电效应现象,则验电器金属箔不一定张开,D错误.
7.(2023年中山联考)图甲是探究光电效应的实验电路图,光电管截止电压Uc随入射光频率ν的变化规律如图乙所示.下列判断正确的是(  )
A.入射光的频率ν不同时,截止电压Uc也不同
B.入射光的频率ν不同时,Uc-ν图像的斜率不同
C.图甲电路中,当电压表示数增大时,电流表的示数增大
D.图甲电路中入射光频率不变,增加入射光的光照强度,光电子的最大初动能增大
【答案】A 【解析】根据光电效应方程可得Ekm=hν-W0,根据动能定理可得-eUc=0-Ekm联立可得Uc=ν-,可知Uc-ν图像的斜率为k=,可知入射光的频率ν不同时,截止电压Uc也不同,Uc-ν图像的斜率相同,A正确,B错误;图甲电路中,极板间所加电压为反向电压,当电压表示数增大时,电流表的示数减小,C错误;图甲电路中入射光频率不变,增加入射光的光照强度,根据光电效应方程可知,光电子的最大初动能不变,D错误.
8.某同学采用如图甲所示的装置研究光电效应现象,分别用a、b、c三束单色光照射图甲中光电管的阴极,得到光电管两端的电压与相应的光电流的关系如图乙所示,其中a、c两束光照射时对应的遏止电压相同,均为Ua,则下列论述正确的是(  )
A.a、c两束光的光强相同
B.a、c两束光的频率相同
C.b光束光子的能量最小
D.b光束的波长最长,遏止电压最大
【答案】B 【解析】由图可知,a的饱和电流最大,因此a光束照射时单位时间内产生的光电子数量大,光强大,故A错误;当光电流为零时,光电管两端加的电压为遏止电压,对应的光的频率为截止频率,根据eU=hν-W,入射光的频率越高,对应的遏止电压U越大.a光、c光的遏止电压相等,所以a光、c光的频率相等,而b光的频率最大,能量最大,且对应的波长最小,故B正确,C、D错误.
9.(多选)利用如图所示的电路研究光电效应,其中电极K由金属钾制成,已知钾的逸出功为2.25 eV.用某一频率的光照射电极K时,逸出的光电子的最大初动能为1.50 eV,电流表的示数为I.已知普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是(  )
A.金属钾的截止频率约为5.5×1014 Hz
B.若入射光频率加倍,光电子的最大初动能变为3.00 eV
C.若入射光的强度不变、频率加倍,电流表的示数变为2I
D.若入射光频率加倍,遏止电压的大小将变为5.25 V
【答案】AD 【解析】由W0=hνc,解得金属钾的截止频率约为νc=5.5×1014 Hz,A正确;若入射光的频率加倍,W0不变,由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可知光电子的最大初动能并不加倍,B错误;若入射光的频率加倍、强度不变,则单位时间内入射光的光子数减半,即电极K表面逸出的光电子数量减半,电流表的示数变为,C错误;由Ek=hν-W0知入射光的能量为hν=3.75 eV,若入射光的频率加倍,则Ek′=2hν-W0=5.25 eV,而eUc=Ek′,所以遏止电压Uc=5.25 V,D正确.
10.(多选)按如图的方式连接电路,当用紫光照射阴极K时,电路中的微安表有示数.则下列叙述正确的是(  )
A.如果仅将紫光的光强减弱一些,则微安表可能没有示数
B.仅将滑动变阻器的触头向右滑动一些,则微安表的示数一定增大
C.仅将滑动变阻器的触头向左滑动一些,则微安表的示数可能不变
D.仅将电源的正负极对调,则微安表仍可能有示数
【答案】CD 【解析】如果仅将紫光的光强减弱一些,则单位时间内逸出的光电子数减小,则微安表示数减小,故A错误;饱和光电流与入射光的强度有关,仅将滑动变阻器的触头向右滑动,不改变光的强度,则微安表的示数不一定增大;同理仅将滑动变阻器的触头向左滑动一些,则微安表的示数可能不变,故B错误,C正确.将电路中电源的极性反接后,即加上反向电压,若光电子的动能足够大,电路中还有光电流,微安表仍可能有示数,故D正确.
11.(2023年三明统考)为落实国家“双碳”战略,推动能源绿色低碳转型,三明市沙县区推进新型绿色光伏发电.假设太阳光子垂直射到发电板上并全部被吸收.已知光伏发电板面积为S,发电板单位面积上受到光子平均作用力为F,每个光子动量为h(其中h为普朗克常量,ν为光子的频率,c为真空中的光速),则t秒内该光伏发电板上接收到的光子能量为(  )
A.FSct B.2FSct
C.FSthν D.2FSthν
【答案】A 【解析】设t秒内该光伏发电板上接收到的光子数为n,根据动量定理可得F总t=nh,又F=,联立解得n=,则t秒内该光伏发电板上接收到的光子能量为E=nhν=FSct,A正确.
B组·能力提升
12.光电管是一种利用光照射产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流.表中给出了6次实验的结果.
组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电子的最大动能/eV
第一组 1 4.0 弱 29 0.9
2 4.0 中 43 0.9
3 4.0 强 60 0.9
第二组 4 6.0 弱 27 2.9
5 6.0 中 40 2.9
6 6.0 强 55 2.9
由表中数据得出的论断中不正确的是(  )
A.两组实验采用了不同频率的入射光
B.两组实验所用的金属板材质不同
C.若入射光子的能量为5.0 eV,逸出光电子的最大动能为1.9 eV
D.若入射光子的能量为5.0 eV,入射光越强,光电流越大
【答案】B 【解析】由表格中数据可知,两组实验所用入射光光子的能量,由E=hν可知,两组实验所用入射光的频率不同,即两组实验采用了不同频率的入射光,A正确;由爱因斯坦光电效应方程,Ek=hν-W0,对第一组实验,0.9 eV=4.0 eV-W01,对第二组实验,2.9 eV=6.0 eV-W02,解得W01=W02=3.1 eV,两组实验所用金属材料的逸出功相同,说明两组实验所用的金属板材质相同,B错误;若入射光子的能量为5.0 eV,由爱因斯坦光电效应方程,Ek=hν-W0,可得逸出光电子的最大动能为Ek=hν-W0=5.0 eV-3.1 eV=1.9 eV,C正确;若入射光子的能量为5.0 eV,入射光越强,单位时间内产生的光电子就越多,光电流越大, D正确.
13.小明用金属铷为阴极的光电管,观测光电效应现象,实验装置示意图如图甲所示.已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.
(1)图甲中电极A为光电管的__________(填“阴极”或“阳极”).
(2)测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示,则铷的截止频率νc=________Hz,逸出功W=________J.
(3)如果实验中入射光的频率ν=7.00×1014 Hz,则产生的光电子的最大初动能Ek=________J.
【答案】(1)阳极 (2)5.15×1014 3.41×10-19 (3)1.23×10-19
【解析】(1)光电管中光束直接照射的K极为光电管的阴极,所以电极A为光电管的阳极.
(2)由Uc-ν图线可知,铷的截止频率
νc=5.15×1014 Hz,金属的逸出功
W=hνc=6.63×10-34×5.15×1014 J=3.41×10-19 J.
(3)由光电效应方程Ek=hν-W可得产生的光电子的最大初动能Ek=6.63×10-34 ×7.00×1014 J-3.41×10-19 J=1.23×10-19 J.第四章 第三节 第四节 第五节
A组·基础达标
1.(多选)光通过各种不同的障碍物后会产生各种不同的衍射条纹,衍射条纹的图样与障碍物的形状相对应,这一现象说明(  )
A.光是电磁波 B.光具有波动性
C.光可以携带信息 D.光具有波粒二象性
【答案】BC 【解析】光能发生衍射现象,说明光具有波动性,B正确;衍射图样与障碍物的形状对应,说明衍射图样中包含了障碍物的信息,C正确;光是电磁波,光也具有波粒二象性,但在这个现象中没有得到反映,A、D不符合题意.
2.(多选)根据不确定性关系ΔxΔp≥,以下正确的是(  )
A.采取办法提高测量Δx精度时,Δp的精度下降
B.采取办法提高测量Δx精度时,Δp的精度上升
C.Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备有关
D.Δx与Δp测量精度与测量仪器及测量方法是否完备无关
【答案】AD 【解析】不确定性关系表明无论采用什么方法试图确定坐标和相应动量中的一个,必然会引起另一个较大的不确定性,这样的结果与测量精度及测量仪器是否完备无关,无论怎样改善测量精度和测量仪器,都不可能逾越不确定性关系所给出的不确定限度,故A、D正确.
3.影响显微镜分辨本领的一个因素是衍射,衍射现象越明显,分辨本领越低.使用电子束工作的电子显微镜有较高的分辨本领,它利用高压对电子束加速,最后打在感光胶片上来观察显微图像.以下说法正确的是(  )
A.加速电压越高,电子的波长越长,分辨本领越强
B.加速电压越高,电子的波长越短,衍射现象越明显
C.如果加速电压相同,则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领强
D.如果加速电压相同,则用质子流工作的显微镜比用电子流工作的显微镜分辨本领弱
【答案】C 【解析】设加速电压为U,电子电荷量为e,质量为m,则有Ek=mv2=eU=,又p=,故eU=,可得λ=.对电子来说,加速电压越高,λ越小,衍射现象越不明显,故A、B错误;电子与质子比较,因质子质量比电子质量大得多,可知质子加速后的波长要小得多,衍射现象不明显,分辨本领强,故C正确,D错误.
4.(多选)(2023年海南卷)已知一个激光发射器功率为P,发射波长为λ的光,光速为c,普朗克常量为h,则(  )
A.光的频率为
B.光子的能量为
C.光子的动量为
D.在时间t内激光器发射的光子数为
【答案】AC 【解析】光的频率ν=,A正确;光子的能量E=hν=,B错误;光子的动量p=,C正确;在时间t内激光器发射的光子数n==,D错误.
5.(多选)光通过单缝所发生的现象,用位置和动量的不确定性关系的观点加以解释,下列叙述正确的是(  )
A.单缝宽,光沿直线传播,是因为单缝越宽,位置不确定量Δx越大,动量不确定量Δp越大的缘故
B.单缝宽,光沿直线传播,是因为单缝越宽,位置不确定量Δx越大,动量不确定量Δp越小的缘故
C.单缝窄,中央亮纹宽,是因为单缝越窄,位置不确定量Δx越小,动量不确定量Δp越小的缘故
D.单缝窄,中央亮纹宽,是因为单缝越窄,位置不确定量Δx越小,动量不确定量Δp越大的缘故
【答案】BD 【解析】衍射不明显时,位置不确定量较大,而动量不确定量较小,光沿直线传播,A错误,B正确;当单缝越窄,位置不确定量Δx越小,动量不确定量Δp越大,发生明显的衍射时,中央亮纹越宽,C错误,D正确.
6.(多选)频率为ν的光子,德布罗意波波长为λ=,能量为E,则光的速度为(  )
A. B.pE
C. D.
【答案】AC 【解析】根据c=λν,E=hν,λ=,即可解得光的速度为或,故选AC.
7.(多选)根据物质波的理论,下列说法正确的是(  )
A.微观粒子有波动性,宏观物体没有波动性
B.微观粒子和宏观物体都具有波动性
C.宏观物体的波动性不易被察觉,因为它的波长太长
D.速度相同的质子和电子,电子的波动性更为明显
【答案】BD 【解析】一切运动物体都有一种波与它相对应,所以宏观物体也具有波动性,A错误,B正确;物质波的波长与其动量成反比,因宏观物体的动量较大,所以其德布罗意波长非常短,不易观察到其衍射现象,C错误;速度相同的质子和电子,电子的质量较小,动量较小,物质波的波长较长,故波动性更为明显,D正确.
8.(多选)如图所示是利用金属晶格(大小约10-10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样,方法是让电子通过电场加速,然后让电子束照射到金属晶格上,从而得到电子的衍射图样.已知电子质量为m=9.1×10-31 kg,电量为e=1.6×10-19 C,初速度为0,加速电压为U=1.0×106 V,普朗克常量为h=6.63×10-34 J·s,则下列说法正确的是(  )
A.物质波是一种概率波
B.物质波和电磁波一样,在真空中传播的速度为光速c
C.具有相同动能的质子和电子,质子的物质波波长较长
D.实验中电子束的德布罗意波的波长为λ=1.0×10-12 m
【答案】AD 【解析】物质波是一种概率波,在空间出现的概率是一种概率,可以用波动规律来描述,A正确;物质波不同于电磁波,是一种物质的表现形式,没有传播速度的概念,B错误;根据德布罗意波波长公式λ==,可知动能相同时,质量越大波长越短,C错误;代入德布罗意波波长公式得,λ===1.0×10-12 m,D正确.
9.(多选)下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波波长和频率为1 MHz的无线电波的波长,由表中数据可知(  )
物体 质量/kg 速度/(m·s-1) 波长/m
弹子球 2.0×10-2 1.0×10-2 3.3×10-30
电子(100 eV) 9.0×10-31 5.0×106 1.2×10-10
无线电波(1 MHz) - 3.0×108 3.3×102
A.要检测弹子球的波动性几乎不可能
B.无线电波只能表现出波动性
C.电子照射到金属晶体上能观察到波动性
D.只有可见光才有波动性
【答案】AC 【解析】弹子球的波长很小,所以要检测弹子球的波动性几乎不可能,A正确.无线电波的波长很长,波动性明显,也具有粒子性,B错误.电子的波长与金属晶体的尺寸相差不大,能发生明显的衍射现象,C正确.一切运动的物体都具有波动性,D错误.
10.任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之对应,波长是λ=,式中p是运动物体的动量,h是普朗克常量,人们把这种波叫德布罗意波,现有一个德布罗意波长为λ1的物体1和一个德布罗意波长为λ2的物体2相向正碰后粘在一起,已知|p1|<|p2|,则粘在一起的物体的德布罗意波长为________.
【答案】 【解析】由动量守恒p2-p1=(m1+m2)v知,-=,所以λ=.
B组·能力提升
11.利用金属晶格(大小约10-10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样,方法是让电子通过电场加速后,让电子束照射到金属晶格上,从而得到电子的衍射图样.已知电子质量为m,电荷量为e,初速度为0,加速电压为U,普朗克常量为h,则下列说法中正确的是(  )
A.该实验说明了电子具有粒子性
B.实验中电子束的德布罗意波的波长为λ=
C.加速电压U越大,电子的衍射现象越明显
D.若用相同动能的质子替代电子,衍射现象将更加明显
【答案】B 【解析】得到电子的衍射图样,说明电子具有波动性,A错误;由德布罗意波波长公式λ=,而动量p==,两式联立得λ=,B正确;从公式λ=可知,加速电压越大,电子的波长越小,衍射现象就越不明显,C错误;用相同动能的质子替代电子,质子的波长变小,衍射现象相比电子不明显,D错误.
12.(2023年金华模拟)关于下列四幅图,说法正确的是(  )
A.图甲中肥皂膜上的条纹是衍射现象,说明了光的波动性
B.图乙是光经过大头针尖时的照片,说明了光的粒子性
C.图丙是富兰克林使用X射线拍摄的DNA晶体,是利用X射线具有波动性
D.图丁是观众戴着眼镜观看3D电影,是利用光的粒子性
【答案】C 【解析】图甲中肥皂膜上的条纹是光的干涉现象造成的,A错误;图乙是光经过大头针尖时的照片,这是光的衍射说明了光的波动性,B错误;图丙是富兰克林使用X射线拍摄的DNA晶体,是利用X射线具有波动性的性质,C正确;图丁是观众戴着眼镜观看3D电影,光的偏振现象利用光的波动性,D错误.
13.电子和光一样具有波动性和粒子性,它表现出波动的性质,就像X射线穿过晶体时会产生衍射一样,这一类物质粒子的波动叫物质波.质量为m的电子以速度v运动时,这种物质波的波长可表示为λ=,电子质量m=9.1×10-31 kg,电子电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s.
(1)计算具有100 eV动能的电子的动量p和波长λ.
(2)若一个静止的电子经2 500 V电压加速,求能量和这个电子动能相同的光子的波长,并求该光子的波长和这个电子的波长之比.
解:(1)p== kg·m/s≈5.4×10-24 kg·m/s,
λ== m≈1.2×10-10 m.
(2)由=2 500 eV=4.0×10-16 J得光子波长
λ= m≈5.01×10-10 m,
电子的动量p′=mv′== kg·m/s
≈2.7×10-23 kg·m/s,
电子波长λ′=≈2.5×10-11 m,
则λ∶λ′=1∶20.
14.金属晶体中晶格大小的数量级是10-10 m.电子经电场加速,形成一电子束,电子束照射该金属晶体时,获得明显的衍射图样.问这个加速电场的电压约为多少?(已知电子的电荷量e=1.6×10-19 C,质量m=0.90×10-30 kg)
解:据波长发生明显衍射的条件可知,当运动电子的德布罗意波波长与晶格大小差不多时,可以得到明显的衍射现象.
设加速电场的电压为U,电子经电场加速后获得的速度为v,对加速过程由动能定理得eU=mv2,①
据德布罗意物质波理论知,电子的德布罗意波长
λ=,②
其中p=mv,③
联立①②③式可得U==153 V.
15.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每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,反射率100%,设太阳光垂直射到太阳帆上,飞船总质量为m.
(1)求飞船加速度的表达式(光子动量p=);
(2)若太阳帆是黑色的,飞船的加速度又为多少?
解:(1)光子垂直射到太阳帆上再反射,动量变化量为2p,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·2p,所以F=N·2p,而光子动量p=,所以F=.
由牛顿第二定律可得飞船加速度的表达式为
a==.
(2)若太阳帆是黑色的,光子垂直打到太阳帆上不再反射(被太阳帆吸收),光子动量变化量为p,故太阳帆上受到的光压力为F′=,飞船的加速度a′=.第四章达标检测卷
(考试时间:60分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题6分,共60分.在每小题给出的四个选项中,第1~7题只有一项符合题目要求,第8~10题有多项符合题目要求.)
1.关于电子的运动规律,以下说法正确的是(  )
A.电子如果表现粒子性,则无法用轨迹来描述它们的运动,其运动遵循牛顿运动定律
B.电子如果表现粒子性,则可以用轨迹来描述它们的运动,其运动遵循牛顿运动定律
C.电子如果表现波动性,则无法用轨迹来描述它们的运动,空间分布的概率遵循波动规律
D.电子如果表现波动性,则可以用轨迹来描述它们的运动,其运动遵循牛顿运动定律
【答案】C 【解析】由于运动对应的物质波是概率波,少量电子表现出粒子性,无法用轨迹描述其运动,也不遵循牛顿运动定律,A、B错误;大量电子表现出波动性,无法用轨迹描述其运动,可确定电子在某点附近出现的概率,且概率遵循波动规律,C正确,D错误.
2.(2023年广州模拟)如图所示,放映电影时,强光照在胶片上.一方面,将胶片上的“影”投到屏幕上;另一方面,通过声道后的光照在光电管上,随即产生光电流,喇叭发出与画面同步的声音.电影实现声音与影像同步,主要应用了光电效应的下列哪一条规律(  )
A.光电效应发生的时间极短,光停止照射,光电效应立即停止
B.入射光的频率必须大于金属的极限频率,光电效应才能发生
C.光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随着入射光的频率增大而增大
D.当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度随入射光的强度增大而增大
【答案】A 【解析】电影实现声音与影像同步,主要应用了光电效应中的规律是:光电效应的发生时间极短,光停止照射,光电效应立即停止,依据该原理实现声音与影像同步,故选A.
3.X射线是一种高频电磁波,若X射线在真空中的波长为λ,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,以E和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则(  )
A.E=,p=0 B.E=,p=
C.E=,p=0 D.E=,p=
【答案】D 【解析】根据E=hν,且λ=,c=λν可得X射线每个光子的能量为E=,每个光子的动量为p=,故选D.
4.根据不确定性关系,下列说法错误的是(  )
A.如果动量的不确定范围越小,则与它对应的位置坐标的不确定范围就越大
B.如果位置坐标的不确定范围越小,则动量的不确定范围就越大
C.动量和位置坐标的不确定范围之间的关系不是反比例函数
D.动量和位置坐标的不确定范围之间有唯一确定的关系
【答案】D 【解析】根据公式ΔxΔp≥,故如果动量的不确定范围越小,则与之对应的位置坐标的不确定范围就越大,A正确;根据公式ΔxΔp≥,故如果位置坐标的不确定范围越小,动量的不确定范围就越大,B正确;由于公式ΔxΔp≥中不是等号,故动量的不确定范围和与之对应的位置坐标的不确定范围不成反比关系,C正确;由于公式ΔxΔp≥中不是等号,故动量的不确定范围和与之对应的位置坐标的不确定范围,没有唯一确定的关系,D错误.
5.被誉为“中国天眼”的世界最大单口径射电望远镜(简称FAST)在贵州省平塘县落成启用,开始接收来自宇宙深处的电磁波.中国天眼的建成,使得深空通信能力延伸至太阳系外缘行星,对探索宇宙的起源和地外文明具有重要意义.如果为天眼配备一部发射功率为百万瓦级(106 W)的发射机,其发射的无线电波波长为126厘米.那么该发射机每秒钟发射的光子数量的数量级约为(取光速c=3×108 m/s,普朗克常量h=6.6×10-34 J·s)(  )
A.1023 B.1027
C.1031 D.1035
【答案】C 【解析】设单位时间t0,发射机每秒钟发射的光子数量为n,则光子的总能量为nt0h,每秒钟的发射能量为Pt0,所以nt0h=Pt0,代入数据,最终可得n的数量级约为1031,故C正确.
6.如图所示,某种频率的光照射金属钡使一些电子从钡表面发射出来.为了测量这些电子的最大初动能,在钡表面上方放置一带电金属板,调节金属板电势,使所有电子均不能到达金属板(金属板电势低于钡表面的电势).若钡表面相对于金属板的最小电势差为3.02 V,已知金属钡的逸出功为2.50 eV,普朗克常量为6.63×10-34 J·s,可见光的波长范围为400 nm~700 nm,则(  )
A.电子的最大初动能为2.50 eV
B.照射光的频率约为1.33×1015 Hz
C.所有电子返回钡表面时的动能都为3.02 eV
D.可见光照射金属钡一定不会发生光电效应
【答案】B 【解析】对逸出的电子,由动能定理可得eUc=Ek,故电子的最大初动能为Ek=3.02 eV,A错误;由光电效应方程Ek=hν-W0,可得照射光的频率为ν=≈1.33×1015 Hz,B正确;由于电子逸出时动能有大有小,故返回钡表面的速度不一定相同,动能也不一定相同,最大动能为3.02 eV,C错误;钡的截止频率为ν0==6.03×1014 Hz,由题中数据,可见光频率的最大值为νm=≈7.5×1014 Hz>ν0,故有部分可见光可以使钡发生光电效应,D错误.
7.光通过单缝,发生衍射现象,用位置和动量的不确定关系的观点加以解释,下列说法错误的是(  )
A.单缝越宽,中央亮纹越窄,位置的不确定量越大,动量的不确定量越小
B.当光能发生衍射现象时,动量不确定量就不能忽略
C.单缝越窄,中央亮纹越宽,是因为位置不确定量越小,动量不确定量越大
D.光能发生衍射时,位置的不确定量可忽略,动量的不确定量也可忽略
【答案】D 【解析】由不确定关系可知,A、B、C正确,D错误.
8.用绿光照射一个光电管,能产生光电效应.欲使光电子从阴极逸出时最大初动能增大,可以(  )
A.改用红光照射 B.改用紫光照射
C.改用蓝光照射 D.增加绿光照射时间
【答案】BC 【解析】光电子的最大初动能与照射时间或照射强度无关,而与入射光子的能量有关,入射光子的能量越大,光电子从阴极逸出时最大初动能越大,所以本题中可以改用比绿光光子能量更大的紫光、蓝光照射,以增大光电子从阴极逸出时的最大初动能.
9.如图甲所示,在光电效应实验中,某同学用相同频率的单色光,分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管,结果都能发生光电效应.图乙为其中一个光电管的遏止电压Uc随入射光频率ν变化的函数关系图像.对于这两个光电管,下列判断正确的是(  )
A.因为材料不同,逸出功不同,所以遏止电压Uc不同
B.光电子的最大初动能不同
C.因为光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光电流也可能相同
D.两个光电管的Uc-ν图线的斜率可能不同
【答案】ABC 【解析】根据光电效应方程Ek=hν-W0和eUc=Ek得出,相同频率,不同逸出功,则遏止电压也不同,A正确;根据光电效应方程Ek=hν-W0得,相同的频率,不同的逸出功,则光电子的最大初动能也不同,B正确;虽然光的频率相同,但光强不确定,所以单位时间内从两种材料逸出的光电子数可能相同,饱和光电流可能相同,C正确;因为Uc=-知图线的斜率为,即只与h和e有关,为常数,一定相同,D错误.
10.(2023年日照期末检测)利用光电管研究光电效应实验,如图所示.用可见光照射阴极,电流表中有电流通过,则(  )
A.流过电流表G的电流方向是由b流向a
B.改用紫外线照射,电流表中一定有电流通过
C.改用紫外线照射,电流表中的电流增大
D.改用紫外线照射,所产生的光电子的最大初动能变大
【答案】BD 【解析】用可见光照射阴极,阴极有电子逸出到达阳极形成电流,电流方向与电子定向移动的方向相反,则流过电流表G的电流方向是由a流向b,A错误;紫外线频率高于可见光,根据光电效应可知,紫外线频率一定大于阴极的截止频率,阴极一定有电子逸出到达阳极,则改用紫外线照射,电流表中一定有电流通过,但光照强度未知,电流强度不一定大于可见光照射,B正确,C错误;根据光电效应方程Ek=hν-W0,紫外线频率高于可见光,则改用紫外线照射,所产生的光电子的最大初动能变大,D正确.
二、非选择题(本题共4小题,共40分)
11.(6分)如图所示,一静电计与锌板相连,在A处用一弧光灯照射锌板,关灯后,指针保持一定偏角.
(1)现用一带正电的金属小球与锌板接触,则静电计指针偏角将________(填“增大”“减小”或“不变”).
(2)使静电计指针回到零,用黄光照射锌板,静电计指针发生偏转,那么,若改用强度更大的黄光照射锌板,可观察到静电计指针偏转角将________(填“增大”“减小”或“不变”).
【答案】(1)增大 (2) 增大
【解析】(1)锌板在紫外线照射下,发生光电效应,有光电子飞出,锌板带正电,将一带正电的金属小球与锌板接触,锌板所带正电量增大,则静电计指针偏角将增大.
(2)改用强度更大黄光照射锌板,从锌板上发出的光电子数增多,锌板所带正电量增大,则静电计指针偏角将增大.
12.(8分)用图甲所示的装置研究光电效应现象,当用光子能量为5 eV的光照射到光电管上时,测得电流计上的示数随电压变化的图像如图乙所示.
(1)当变阻器的滑片P向________(填“左”或“右”)滑动时,通过电流表的电流将会减小.
(2)光电子的最大初动能为________J,金属的逸出功为__________J.
(3)如果不改变入射光的频率,而减小入射光的强度,则光电子的最大初动能__________(填“增加”“减小”或“不变”).
【答案】(1)右 (2)3.2×10-19 4.8×10-19 (3) 不变
【解析】(1)由题图可知光电管两端所加的电压为反向电压,当变阻器的滑动端P向右移动时,反向电压增大,则通过电流表的电流减小.
(2)由图乙可知,当该装置所加的电压为反向电压,当电压是-2 V时,电流表示数为0,遏止电压为-2 V,则光电子的最大初动能为Ekm=eUc=2 eV=3.2×10-19 J,根据光电效应方程Ekm=hν-W0,又ε=hν,则W0=3 eV=4.8×10-19 J.
(3)根据光电效应方程Ekm=hν-W0,知入射光的频率不变,则光电子的最大初动能不变.
13.(12分)纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面.将激光束的宽度聚光到纳米级范围内,可以精确地修复人体损坏的器官.糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因,利用聚光到纳米级的激光束进行治疗,90%的患者都可以避免失明的严重后果.一台功率为10 W氩激光器,假定所发出的可见光的波长都是560 nm,用它“点焊”视网膜,每次“点焊”视网膜的时间是2×10-4 s.试求:
(1)求每次“点焊”需要的能量;
(2)激光器消耗的电能的5%转化为所发出的可见光的能量,光速c=3×108 m/s,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,计算激光器每秒内发出的光子数.
解:(1)根据E=Pt,
所以E=Pt=10×2×10-4 J=2×10-3 J.
(2)一个波长为λ的光子能量为E0=,
设激光器每秒内发出的光子数为n,
则n=,式中k=5%,t0=1 s,
联立上式解得n==1.4×1018个.
14.(14分)如图甲所示是研究光电效应规律的光电管.用波长λ=0.50 μm的绿光照射阴极K,实验测得流过表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律,取h=6.63×10-34 J·s.结合图像,求:(结果保留两位有效数字)
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能;
(2)该阴极材料的截止波长.
解:(1)光电流达到饱和时,阴极发射的光电子全部到达阳极A,阴极每秒钟发射的光电子的个数
n== 个=4.0×1012 个.
光电子的最大初动能为
Ekm=eUc=1.6×10-19 C×0.6 V=9.6×10-20 J.
(2)设该阴极材料的截止波长为λc,根据爱因斯坦光电效应方程Ekm=h-h,
代入数据解得λc≈0.66 μm.