第6章 阶段质量检测(五)　波粒二象性（含解析）高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

阶段质量检测(五)　波粒二象性
(本试卷满分：100分)
一、单项选择题(本题共8小题，每小题3分，共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1．下列说法正确的是(　　)
A．为了解释光电效应的实验规律，爱因斯坦借鉴了普朗克的量子观点，提出了光子说的理论
B．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
C．极限频率的存在，是光的粒子性无法解释的问题，因此光不具有粒子性
D．某一频率的光照射到金属表面，电子吸收一个光子能量后，逃逸出来成为光电子。金属表面及内部的电子在逃逸出来的过程中克服原子核的引力及阻力所做的功称为逸出功
2．下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是(　　)
A．光的色散和光的干涉
B．光的干涉和光的衍射
C．泊松亮斑和光电效应
D．光的直线传播和光电效应
3.如图所示是研究光电管产生电流的电路图，A、K是光电管的两个电极。已知该光电管阴极的极限频率为ν0，元电荷为e，普朗克常量为h。现将频率为ν(大于ν0)的光照射在阴极上，则下列方法一定能够增加饱和光电流的是(　　)
A．照射光强度不变，增加光的频率
B．照射光频率不变，增加照射光强度
C．增加A、K电极间的电压
D．减小A、K电极间的电压
4．目前的高端光刻机主要分为EUV光刻机和DUV光刻机。DUV(波长193 nm)是深紫外线，EUV(波长13.5 nm)是极深紫外线。沉浸式光刻机在透镜组和硅片之间充有液体，已知光在真空中传播速度大于在介质中传播速度。关于光刻机物理量的比较下列说法正确的是(　　)
A．真空中DUV光源光子频率比EUV光源光子频率大
B．DUV光源光子能量比EUV光源光子能量大
C．沉浸式光刻机中光在液体中波长比在真空中短
D．沉浸式光刻机中光在液体中频率比在真空大
5．可见光的波长的大致范围是400～760 nm，如表给出了几种金属发生光电效应的极限波长，下列说法正确的是(　　)
金属 钨 钙 钠 钾
极限波长
/nm 274 388 542 551
A．表中所列金属，钾的逸出功最大
B．只要光照时间足够长或强度足够大，所有波长的可见光都可以使钠发生光电效应
C．用波长760 nm的光照射金属钠、钾，则钠逸出的光电子最大初动能较大
D．用波长400 nm的光照射金属钠、钾，则钾逸出的光电子最大初动能较大
6．与光电效应有关的四个图(图像)如图所示，下列说法正确的是(　　)
　A．根据图甲装置，若开始锌板不带电，用紫外线照射锌板，则验电器的张角变大，验电器带负电
B．根据图乙可知，黄光越强，则饱和电流越大，说明光子的能量与光强有关
C．由图丙可知，ν2为该金属的极限频率
D．由图丁可知，E等于该金属的逸出功
7.氢原子的能级示意图如图所示，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当向低能级跃迁时，会辐射出若干种不同频率的光，若用这些光照射逸出功为4.54 eV的钨时，下列说法中正确的是(　　)
A．氢原子能辐射4种不同频率的光子
B．氢原子辐射的光子都能使钨发生光电效应
C．氢原子辐射一个光子后，氢原子的核外电子的速率增大
D．钨能吸收两个从n＝4能级向n＝2能级跃迁的光子而发生光电效应
8.如图所示，有一束单色光入射到极限频率为ν0的金属板K上，具有最大初动能的某出射电子，沿垂直于平行板电容器极板的方向，从左侧极板上的小孔入射到两极板间的匀强电场后，到达右侧极板时速度刚好为零。已知电容器的电容为C，带电量为Q，极板间距为d，普朗克常量为h，电子电荷量的绝对值为e，不计电子的重力。关于电容器右侧极板的带电情况和入射光的频率ν，以下判断正确的是(　　)
A．带正电，ν0＋ 　 B．带正电，ν0＋
C．带负电，ν0＋ 　 D．带负电，ν0＋
二、多项选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
9．关于光的本质，下列说法正确的是(　　)
A．光波是一种概率波
B．光波是一种电磁波
C．光的波长越长，光子的能量越大
D．光的干涉和衍射现象说明光具有波动性
10．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
11．氢原子从高能级向低能级跃迁时，会产生四种频率的可见光，其光谱如图1所示。氢原子从能级6跃迁到能级2产生可见光Ⅰ，从能级3跃迁到能级2产生可见光Ⅱ。用同一双缝干涉装置研究两种光的干涉现象，得到如图2和图3所示的干涉条纹。用两种光分别照射如图4所示的实验装置，都能产生光电效应。下列说法正确的是(　　)
A．图1中的Hα对应的是Ⅰ
B．图2中的干涉条纹对应的是Ⅱ
C．Ⅰ的光子动量大于Ⅱ的光子动量
D．P向a移动，电流表示数为零时Ⅰ对应的电压表示数比Ⅱ的大
　　　　　　　　　　　　　　　　
12.场致发射显微镜的构造如图所示，一根金属针的尖端直径约为100 nm，位于真空玻璃球泡的中心，球的内表面涂有荧光材料导电膜，在膜与针之间加上如图所示的高电压，使针尖附近的电场强度高达4×109 V/m，电子就从针尖表面被拉出并加速到达涂层，引起荧光材料发光。这样，在荧光屏上就看到了针尖的某种像(针尖表面的发射率图像)，如果分辨率足够高，还可以分辨出针尖端个别原子的位置。但由于电子波的衍射，会使像模糊，影响分辨率。将电极方向互换，并在玻璃泡中充进氦气，则有氦离子产生并打到荧光屏上，这样可使分辨率提高，以下判断正确的是(　　)
A．氦原子变成氦离子是在针尖端附近发生的
B．电子从针尖到导电膜的运动过程中加速度不断减小
C．电子或氦离子的撞击使荧光材料的原子跃迁到了激发态
D．分辨率提高是因为氦离子的德布罗意波长比电子的长
三、非选择题(本题共4小题，共60分)
13．(12分)高速电子流射到固体上，可产生X射线，产生X射线的最大频率由公式hνm＝Ek确定，Ek表示电子打到固体上时的动能。设电子经过U＝9 000 V高压加速，已知电子质量me＝9.1×10－31 kg，电子电荷量e＝1.60×10－19 C，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，真空中的光速c＝3×108 m/s。求：
(1)加速后电子对应的德布罗意波长；
(2)产生的X射线的最短波长及一个光子的最大动量。
14．(14分)铝的逸出功为4.2 eV，现用波长200 nm的光照射铝的表面。已知h＝6.63×10－34 J·s，求：(结果均保留四位有效数字)
(1)光电子的最大初动能；
(2)遏止电压；
(3)铝的极限频率。
　　　　　　　　　　　　　　　　
15．(16分)“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。
16．(18分)图甲为利用光电管研究光电效应的电路图，其中光电管阴极K的材料是钾，钾的逸出功为W0＝3.6×10－19 J。图乙为实验中用某一频率的光照射光电管时，测量得到的光电管伏安特性曲线，当U＝－2.5 V时，光电流刚好截止，已知h＝6.63×10－34 J·s，e＝1.6×10－19 C，求：
(1)本次实验入射光的频率是多少？(结果保留两位有效数字)
(2)当U′＝2.5 V时，光电子到达阳极A的最大动能是多少？
阶段质量检测(五)
1．选A　爱因斯坦为了解释光电效应的规律，借鉴了普朗克的量子观点，提出了光子说的理论，成功的解释了光电效应的规律，故A正确；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W可知，光电子的最大初动能与入射光的频率是一次函数关系，不是正比关系，故B错误；极限频率的存在，是光的波动性不能解释的，故C错误；只有直接从金属表面逃逸出来的电子，克服内部原子核的引力及阻力所做的功最小，这个最小功称为逸出功，故D错误。
2．选C　光的色散说明光具有波动性，光的干涉也说明光具有波动性，因此该组不能说明光具有波粒二象性，故A错误；光的干涉说明光具有波动性，光的衍射也说明光具有波动性，因此该组不能说明光具有波粒二象性，故B错误；泊松亮斑说明光具有波动性，光电效应现象说明光具有粒子性，因此该组可以说明光具有波粒二象性，故C正确；光的直线传播说明光具有粒子性，光电效应现象也说明光具有粒子性，因此该组不能说明光具有波粒二象性，故D错误。
3．选B　照射光强度不变，增加光的频率，则单位时间内入射光的光子数目变小，光电流的饱和值变小，A错误；照射光频率不变，增加光强，则单位时间内入射光的光子数目增多，使光电流的饱和值增大，B正确；饱和光电流与入射光强度有关，增减A、K电极间的电压，饱和光电流不变，C、D错误。
4．选C　根据c＝λν可知，真空中光速相等，波长大的频率小，而光在介质中传播速度变小，频率与介质无关，即光在介质中传播时频率不变，则可知光在液体中传播时的波长变短，故A、D错误，C正确；根据E＝hν可知，频率大的光子能量大，DUV光源的波长大，频率小，而EUV光源的波长短，频率大，因此DUV光源光子能量比EUV光源光子能量小，故B错误。
5．选D　根据逸出功与极限频率、极限波长的关系可知，W＝hνc＝h，金属钾的极限波长最大，则钾的逸出功最小，故A错误；根据光电效应的产生条件可知，当入射光的频率大于或等于金属的极限频率时，或入射光的波长小于或等于金属的极限波长时，会发生光电效应，与光照时间和光照强度无关，故B错误；根据光电效应的产生条件可知，用波长760 nm的光照射金属钠、钾，由于入射光的波长均大于两金属的极限波长，不能发生光电效应，故C错误；当用波长400 nm的光照射金属钠、钾时，可以发生光电效应，根据爱因斯坦光电效应方程可知，Ek＝h－W，钾的逸出功小，则钾逸出的光电子最大初动能较大，故D正确。
6．选D　由题意，在题图甲装置中，用紫外线照射锌板，发生光电效应，则锌板将失去一部分电子，锌板带正电，则验电器带正电，验电器的张角将变大，故A错误；根据E＝hν可知，光子的能量由光的频率决定，与光的强度无关，B错误；根据eUc＝hν－W0＝hν－hνc，解得Uc＝ν－，结合题图乙可得该金属的极限频率νc＝ν0，故C错误；根据Ek＝hν－W0，结合题图丁可得该金属的逸出功W0＝E，故D正确。
7．选C　根据C＝6，所以这些氢原子总共可辐射出6种不同频率的光子，故A错误；由于要发生光电效应，则跃迁时放出光子的能量应大于钨的逸出功4.54 eV，有些光子不能使钨发生光电效应，例如从n＝4能级跃迁至n＝3能级辐射的光子的能量为－0.85 eV－(－1.51 eV)＝0.66 eV<4.54 eV，可知该光子不能使钨发生光电效应，故B错误；氢原子辐射一个光子后，电子向低轨道跃迁，根据k＝m，解得v＝，由于r减小，可知氢原子的核外电子的速率增大，故C正确；光电效应中，钨每一次只能吸收一个光子的能量，不能够累积，故D错误。
8．选C　以最大初动能入射至电容器的电子经极板间的电场到达右侧极板时速度刚好为零，说明电场力做负功，电场强度方向向右，右侧极板所带电荷为负电荷，依据动能定理，则有－eU＝0－Ek0，由电容器电压与电荷量的关系可知，U＝，由最大初动能与单色光入射频率的关系可知，Ek0＝hν－hν0，联立解得ν＝ν0＋，故A、B、D错误，C正确。
9．选ABD　光波在空间各点出现的概率大小可以用波动规律来描述，但单个光子无法预测轨迹，所以光波是一种概率波，A正确；由麦克斯韦电磁理论可知，光波是一种电磁波，B正确；光的波长越长频率越小，光子的能量也越小，C错误；只有波才会出现干涉和衍射现象，所以光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，D正确。
10．选AC　光的频率ν＝，选项A正确；光子的能量E＝hν＝，选项B错误；光子的动量p＝，选项C正确；在时间t内激光器发射的光子数n＝＝，选项D错误。
11．选CD　氢原子从能级6跃迁到能级2，E6－E2＝hνⅠ＝，从能级3跃迁到能级2，E3－E2＝hνⅡ＝，因为E6－E2＞E3－E2，故νⅠ＞νⅡ，λⅠ＜λⅡ，题图1中的Hα为红光，波长长，频率小，应为Ⅱ，A错误；题图2中的干涉条纹间距小，波长小，对应的是Ⅰ，B错误；由光子动量p＝，得pⅠ＞pⅡ，C正确；P向a移动，当电流表示数为零时，对初动能最大的光电子，由爱因斯坦光电效应方程得eU＝hν－W，则U＝ν－，由于νⅠ＞νⅡ，则UⅠ＞UⅡ，D正确。
12．选ABC　当无规则运动的氦原子与针尖上的金属原子碰撞时，氦原子由于失去电子成为正离子，故A正确；电场强度从针尖到导电膜由强变弱，电子从针尖到导电膜的运动过程中加速度不断减小，故B正确；当电子或氦离子以很大的速度撞击荧光材料时，电子或氦离子把一部分动能转移给了荧光材料的原子，从而使其跃迁到了激发态，故C正确；要想使分辨率提高，就要使衍射变得不明显，可知氦离子的德布罗意波长比电子的短，故D错误。
13．解析：(1)电子经高压加速，根据动能定理，
电子动能Ek＝eU＝mv2
对应的德布罗意波长λe＝＝，
联立得λe＝≈1.3×10－11 m。
(2)由题意可知，hνm＝Ek＝eU，又有λminνm＝c
解得λmin＝≈1.4×10－10 m；
一个光子的最大动量pm＝＝＝4.8×10－24 kg·m/s。
答案：(1)1.3×10－11 m
(2)1.4×10－10 m　4.8×10－24 kg·m/s
14．解析：(1)根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W
有Ek＝－W＝ J－4.2×1.6×10－19 J＝3.225×10－19 J。
(2)由Ek＝eUc
可得Uc＝＝ V≈2.016 V。
(3)由hνc＝W
可得νc＝＝ Hz≈1.014×1015 Hz。
答案：(1)3.225×10－19 J　(2)2.016 V　(3)1.014×1015 Hz
15．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＝＝。
答案：(1)　h　(2)
16．解析：(1)由题图乙可知，反向遏止电压为Uc＝2.5 V
依据遏止电压与最大初动能的关系，则有eUc＝mv
根据爱因斯坦光电效应方程，有hν＝W0＋mv
代入数据解得ν≈1.1×1015 Hz。
(2)光电子由K运动到A的过程中，设光电子到达阳极A的最大动能为Ekm，
由动能定理，则有eU′＝Ekm－mv
代入数据解得Ekm＝2eUc＝8×10－19 J。
答案：(1)1.1×1015 Hz　(2)8×10－19 J