第四章 原子结构和波粒二象性 2　第2课时　康普顿效应　光的波粒二象性 课时练（含解析）-2024春高中物理选择性必修3（人教版）

第2课时　康普顿效应　光的波粒二象性
考点一　康普顿效应　光子的动量
1．康普顿散射的主要特征是(　　)
A．散射光的波长与入射光的波长完全不同
B．散射光的波长有些与入射光的相同，但有些变短了，散射角的大小与散射波长无关
C．散射光的波长有些与入射光的相同，但也有变长的，也有变短的
D．散射光的波长有些与入射光的相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关
2．(2022·徐州市高二期末)在研究石墨对X射线的散射时，康普顿发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分。这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比(　　)
A．能量增大 B．动量增大
C．波速减小 D．频率减小
3．太阳帆飞行器是利用太阳光获得动力的一种航天器，其原理是光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量。若光子垂直太阳帆入射并反射，其波长始终为λ，普朗克常量为h，则一个光子对太阳帆的冲量大小为(　　)
A. B. C. D.
4．在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长为λ，每个激光脉冲中的光子数目为n，已知普朗克常量为h，光速为c，则(　　)
A．用激光“焊接”视网膜是因为激光具有高度的相干性
B．激光的频率为
C．激光光子的动量为
D．每个激光脉冲的能量为nh
考点二　光的波粒二象性
5．在下列各组现象中，都表现出光具有粒子性的是(　　)
A．光的折射现象、衍射现象
B．光的反射现象、干涉现象
C．光的衍射现象、光电效应现象
D．光电效应现象、康普顿效应现象
6．下列有关光的波粒二象性的说法正确的是(　　)
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D．光的波动性和粒子性是相互矛盾的
7.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箔片有张角，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
8．实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿效应，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该现象被称为逆康普顿效应，这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿效应，下列说法正确的是(　　)
A．该过程不遵循能量守恒定律
B．该过程不遵循动量守恒定律
C．散射光中存在波长变长的成分
D．散射光中存在频率变大的成分
9．物理学家阿瑟·阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖。光在接触物体后，会对其产生力的作用，这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动，这就是光镊技术。在光镊系统中，光路的精细控制非常重要。对此下列说法正确的是(　　)
A．光镊技术利用光的粒子性
B．光镊技术利用光的波动性
C．红色激光光子能量大于绿色激光光子能量
D．红色激光光子动量大于绿色激光光子动量
10．大型钛合金构件在航天、航空领域应用广泛，我国使用激光焊接复杂钛合金构件的技术和能力已达到世界一流水平。若某型号激光焊机的功率为30 kW，发射的激光波长为λ＝1 064 nm，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速为c＝3.0×108 m/s，则(　　)
A．该激光的频率为2.82×1013 Hz
B．每个激光光子的能量为1.87×10－19 J
C．每个激光光子的动量为6.23×10－27 kg·m/s
D．该型号焊机每秒发射激光光子数约为1.60×1022个
11．(2023·江苏卷)“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：
(1)每个光子的动量p和能量E；
(2)太阳辐射硬X射线的总功率P。
12．有人设想在遥远的宇宙探测时，给探测器安上反射率极高(可认为100%)的薄膜，并让它正对太阳，用光压为动力推动探测器加速。已知某探测器在轨道上运行，阳光恰好垂直照射在薄膜上，薄膜面积为S，每秒每平方米面积获得的太阳光能为E，若探测器总质量为M，光速为c，普朗克常量为h，则探测器获得加速度大小的表达式是(　　)
A. B. C. D.
第2课时　康普顿效应　光的波粒二象性
1．D　[康普顿测量发现散射后的X射线中，既有波长不变的X射线，又有波长变长的X射线，而且散射光波长的改变量与散射角的大小有关，波长变长的X射线动量和能量的大小均变小了，这是散射过程中动量和能量守恒的体现，选D。]
2．D　[这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比，传播介质不变，波速v不变，X射线光子的能量和动量分别为ε＝hν＝h，p＝，所以频率ν减小，能量ε减小，动量p减小，故A、B、C错误，D正确。]
3．B　[光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量，光子垂直太阳帆入射并反射，根据动量定理
I＝Δp＝2，故选B。]
4．D　[用激光“焊接”视网膜利用了激光频率高、能量高的特点，故A错误；根据c＝νλ可知激光的频率为ν＝，故B错误；激光光子的动量为p＝，故C错误；根据ε＝hν和c＝νλ可知，单个光子的能量为h，则每个激光脉冲的能量为nh，故D正确。]
5．D
6．C　[一切光都具有波粒二象性，光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性，有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，A错误；电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，B错误；光的波长越长，波动性越显著，光的波长越短，粒子性越显著，C正确； 光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，故D错误。]
7．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；验电器箔片有张角，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，故选D。]
8．D　[该过程遵循能量守恒定律与动量守恒定律，故A、B错误；逆康普顿散射的过程中有能量从电子转移到光子，则光子的能量增大，根据公式E＝hν＝，
可知散射光中存在频率变大的成分，或者说散射光中存在波长变短的成分，故C错误，D正确。]
9．A　[光在接触物体后，会对其产生力的作用，则光镊技术利用光的粒子性，A正确，B错误；红光的频率小于绿光的频率，根据E＝hν可知，红色激光光子能量小于绿色激光光子能量，C错误；
红色激光光子的频率小于绿色激光光子的频率，则红色激光光子的波长大于绿色激光光子的波长，根据p＝可知红色激光光子动量小于绿色激光光子动量，D错误。]
10．B　[根据光的波长与频率的关系，可得激光的频率为ν＝＝ Hz≈2.82×1014 Hz，故A错误；每个激光光子的能量为E＝≈1.87×10－19 J，故B正确；每个激光光子的动量为p＝≈6.23×10－28 kg·m/s，故C错误；激光焊机的功率为30 kW，则有Pt＝nE，可得每秒发射激光光子数约为n0＝＝≈1.60×1023个，故D错误。]
11．(1)　h　(2)
解析　[(1)由题意可知每个光子的动量为p＝
每个光子的能量为E＝hν＝h
(2)太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，根据题意设t秒发射总光子数为n，则＝
可得n＝
所以t秒辐射光子的总能量W＝E′＝nh＝
太阳辐射硬X射线的总功率P＝＝。]
12．A　[光子垂直照射后全部反射，每秒在薄膜上产生的总能量为ES，结合单个光子的能量ε＝hν，则N个光子的总能量为Nhν＝Nh＝ES，解得λ＝，
结合单个光子的动量p＝
则光子的总动量变化量大小为
Δp＝2N＝2N＝
以光子为研究对象，由动量定理得FΔt＝Δp
式中Δt＝1 s，解得F＝，根据牛顿第三定律，
光子对探测器的作用力大小为F′＝F＝
根据牛顿第二定律得F′＝Ma
解得a＝，A正确，B、C、D错误。]