高中物理教科版选修3-5 能力提升训练 第 4 章 波粒二象性 Word版含解析
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| 名称 | 高中物理教科版选修3-5 能力提升训练 第 4 章 波粒二象性 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 135.4KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-09-11 09:25:10 | ||
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本章测评(时间:60分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分.在每小题给出的四个选项中,第1~7题只有一个选项正确,第8~10题有多个选项正确,全部选对的得5分,选不全的得2分,有选错或不答的得0分)
1.普朗克能量子假说是为了解释( )
A.光电效应的实验规律而提出的
B.康普顿效应而提出的
C.光的波粒二象性而提出的
D.黑体辐射的实验规律而提出的
解析:普朗克能量子假说完美解决了经典物理学在黑体辐射问题上遇到的困难,并且为爱因斯坦光子理论、玻尔原子理论奠定了基础.
答案:D
2.爱因斯坦由光电效应的实验规律猜测光具有粒子性,从而提出光子说.从科学研究的方法来说,这属于( )
A.等效替代 B.控制变量
C.科学假说 D.数学归纳
解析:本题考查物理思维方法,光子说的提出属于科学猜想,是否正确需实践的进一步检验,这种方法是科学假说,故选C.
答案:C
3.关于电子云,下列说法正确的是( )
A.电子云是真实存在的实体
B.电子云周围的小黑点就是电子的真实位置
C.电子云上的小黑点表示的是电子的概率分布
D.电子云说明电子在绕原子核运动时有固定轨道
解析:由电子云的定义我们知道,电子云不是一种稳定的概率分布,在历史上,人们常用小圆点表示这种概率,小圆点的密疏代表电子在这一位置出现的概率大小,故只有C正确.
答案:C
4.下列说法正确的是( )
A.泊松亮斑是光的衍射现象
B.电子显微镜比光学显微镜分辨率更高的原因是利用了电子物质波的波长比可见光短,更容易发生明显衍射
C.不确定性关系表达式为ΔxΔpx≤h4π
D.个别光子的行为显示波动性,大量光子的行为显示粒子性
解析:泊松亮斑是光的衍射现象,说明光具有波动性,选项A正确.光具有波粒二象性,个别光子的行为显示粒子性,大量光子的行为显示波动性,选项D错误.波长越长的光,衍射现象越明显,电子显微镜中将电子加速,使其动量很大,它的德布罗意波长会很短,从而减小了衍射现象的影响,电子显微镜正是利用了电子物质波的波长比可见光短,不易发生明显衍射的原理,故其分辨率可以大大提高,选项B错误.不确定性关系表达式为ΔxΔpx≥h4π,选项C错误.
答案:A
5.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ε和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则( )
A.ε=hλc,p=0 B.ε=hλc,p=hλc2
C.ε=hcλ,p=0 D.ε=hcλ,p=hλ
解析:根据ε=hν,且λ=hp,c=λν可得X射线每个光子的能量为ε=hcλ,每个光子的动量为p=hλ.
答案:D
6.利用光电管研究光电效应实验电路如图所示,用频率为ν1的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )
A.用紫外线照射,电流表中不一定有电流通过
B.用红外线照射,电流表中一定无电流通过
C.用频率为ν1的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片移到A端时,电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν1的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片向B端滑动时,电流表示数可能不变
解析:因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,A错误;因不知阴极K的截止频率,所以用红外线照射时不一定发生光电效应,B错误;用频率为ν1的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片移到A端时,UMK=0,光电效应还在发生,电流表中一定有电流通过,C错误;滑动变阻器的滑片向B端滑动时,UMK增大,阴极M吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极M时,电流达到最大,即饱和电流,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么再增大UMK,光电流也不会增大,D正确.
答案:D
7.热辐射是指所有物体在一定的温度下都要向外辐射电磁波的现象.辐射强度指垂直于电磁波方向的单位面积在单位时间内所接收到的辐射能量.在研究同一物体在不同温度下向外辐射的电磁波的波长与其辐射强度的关系时,得到如图所示的图线,图中横轴λ表示电磁波的波长,纵轴Mλ表示某种波长的电磁波的辐射强度,则由Mλ-λ图线可知,同一物体在不同温度下( )
A.向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同
B.向外辐射的电磁波的波长范围是相同的
C.向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小
D.辐射强度的极大值随温度升高而向短波方向偏移
解析:由Mλ-λ图线可知,对于同一物体,随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,选项A、C错误;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,选项D正确,B错误.
答案:D
8.在用单缝衍射实验验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是( )
A.使光子一个一个地通过狭缝,如果时间足够长,底片上将会显示衍射图样
B.单个光子通过狭缝后,底片上会出现完整的衍射图样
C.光子通过狭缝后的运动路径是直线
D.光的波动性是大量光子运动的规律
解析:个别或少数光子表现出光的粒子性,大量光子表现出光的波动性.如果时间足够长,通过狭缝的光子数也就足够多,粒子的分布遵从波动规律,底片上将会显示出衍射图样,A、D正确.单个光子通过狭缝后,路径是随机的,底片上也不会出现完整的衍射图样,B、C错.
答案:AD
9.在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是( )
A.增大入射光的强度,光电流增大
B.减小入射光的强度,光电效应现象消失
C.改用频率小于ν的光照射,一定不发生光电效应
D.改用频率大于ν的光照射,光电子的最大初动能变大
解析:增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积上的光子数增加,光电流增大,选项A正确.光电效应现象是否消失与光的频率有关,而与照射光强度无关,故选项B错误.用频率为ν的光照射光电管阴极,发生光电效应,用频率较小的光照射时,若光的频率仍大于极限频率,则仍会发生光电效应,选项C错误.根据hν-W逸=12mv2可知,增加照射光频率,光电子的最大初动能也增大,故选项D正确.
答案:AD
10.右图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像.由图像可知 ( )
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为12ν0时,产生的光电子的最大初动能为12E
D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
解析:由题图可知,该金属的极限频率为ν0,而Ek-ν关系图像的斜率代表普朗克常量,可知选项A、B正确.根据光电效应的规律可知选项C错误,D正确.
答案:ABD
二、填空题(共2小题,每小题6分,共12分)
11.一颗质量为5.0 kg的炮弹以200 m/s的速度运动时,它的德布罗意波长为 ;若它以光速运动,它的德布罗意波长为 ;若要使它的德布罗意波长为400 nm,则它的运动速度为 .?
答案:6.63×10-37 m 4.42×10-43 m 3.31×10-28 m/s
12.在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图所示.若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为 ,所用材料的逸出功可表示为 .?
解析:根据光电效应方程Ekm=hν-W0及Ekm=eUc得Uc=hνe?W0e,故he=k,b=-W0e,得h=ek,W0=-eb.
答案:ek -eb
三、计算题(共3小题,13、14题每题12分,15题14分,共38分.解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.某真空光电管的金属阴极的逸出功是4.0×10-19 J,某种单色光的能量恰好等于这种金属的逸出功,试求:
(1)这种单色光的频率多大?
(2)在光电管的阳极和阴极间加30 V的加速电压,用这种单色光照射光电管的阴极,光电子到达阳极时的动能有多大?
解析:(1)该单色光的频率即为光电管阴极金属的极限频率.该单色光光子能量ε=hν,
所以ν=εh=4.0×10-196.63×10-34 Hz=6.0×1014 Hz.
(2)到达阳极时电子的动能即为加速电压所做的功:Ek=eU=1.6×10-19×30 J=4.8×10-18 J.
答案:(1)6.0×1014 Hz
(2)4.8×10-18 J
14.光电管是应用光电效应实现光信号与电信号之间相互转换的装置,其广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面.如图所示,C为光电管,B极由金属钠制成(钠的极限波长为5.0×10-7 m).现用波长为4.8×10-7 m的某单色光照射B极.
(1)电阻R上电流的方向是向左还是向右?
(2)求出从B极发出的光电子的最大初动能.
(3)若给予光电管足够大的正向电压时,电路中光电流为10 μA,则每秒射到光电管B极的光子数至少为多少个?
解析:(1)B极板上逸出光电子,相当于电源的正极,A为负极,故流过R的电流向左.
(2)Ekm=hcλ-hcλ0=6.63×10-34×3×108×14.8×10-7-15.0×10-7 J=1.66×10-20 J.
(3)每秒电路中流过的电子电荷量
q=It=10×10-6×1 C=1×10-5 C
n=qe=1×10-51.6×10-19个=6.25×1013个.
答案:(1)向左 (2)1.66×10-20 J (3)6.25×1013个
15.根据光子说,光子的能量ε=hν,由质能方程可知,物体能量E=mc2,频率ν=5×1014 Hz的光子具有的动量是多少?一电子的动量与该光子相同,该电子的运动速度是多少?该电子物质波的波长λe是多少?
解析:对光子,能量E=hν=mc2,动量p=mc.故得
p=mc=hνc=6.63×10-34×5×10143.0×108 kg·m/s=1.1×10-27 kg·m/s;
设电子的质量为me,速度为ve,动量为pe,则pe=meve,pe=p,
以上三式联立得到电子的速度大小为
ve=peme=pme=1.1×10-279.1×10-31 m/s=1.2×103 m/s;
该电子物质波的波长
λe=hpe=6.63×10-341.1×10-27 m=6.0×10-7 m.
答案:1.1×10-27 kg·m/s
1.2×103 m/s
6.0×10-7 m
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分.在每小题给出的四个选项中,第1~7题只有一个选项正确,第8~10题有多个选项正确,全部选对的得5分,选不全的得2分,有选错或不答的得0分)
1.普朗克能量子假说是为了解释( )
A.光电效应的实验规律而提出的
B.康普顿效应而提出的
C.光的波粒二象性而提出的
D.黑体辐射的实验规律而提出的
解析:普朗克能量子假说完美解决了经典物理学在黑体辐射问题上遇到的困难,并且为爱因斯坦光子理论、玻尔原子理论奠定了基础.
答案:D
2.爱因斯坦由光电效应的实验规律猜测光具有粒子性,从而提出光子说.从科学研究的方法来说,这属于( )
A.等效替代 B.控制变量
C.科学假说 D.数学归纳
解析:本题考查物理思维方法,光子说的提出属于科学猜想,是否正确需实践的进一步检验,这种方法是科学假说,故选C.
答案:C
3.关于电子云,下列说法正确的是( )
A.电子云是真实存在的实体
B.电子云周围的小黑点就是电子的真实位置
C.电子云上的小黑点表示的是电子的概率分布
D.电子云说明电子在绕原子核运动时有固定轨道
解析:由电子云的定义我们知道,电子云不是一种稳定的概率分布,在历史上,人们常用小圆点表示这种概率,小圆点的密疏代表电子在这一位置出现的概率大小,故只有C正确.
答案:C
4.下列说法正确的是( )
A.泊松亮斑是光的衍射现象
B.电子显微镜比光学显微镜分辨率更高的原因是利用了电子物质波的波长比可见光短,更容易发生明显衍射
C.不确定性关系表达式为ΔxΔpx≤h4π
D.个别光子的行为显示波动性,大量光子的行为显示粒子性
解析:泊松亮斑是光的衍射现象,说明光具有波动性,选项A正确.光具有波粒二象性,个别光子的行为显示粒子性,大量光子的行为显示波动性,选项D错误.波长越长的光,衍射现象越明显,电子显微镜中将电子加速,使其动量很大,它的德布罗意波长会很短,从而减小了衍射现象的影响,电子显微镜正是利用了电子物质波的波长比可见光短,不易发生明显衍射的原理,故其分辨率可以大大提高,选项B错误.不确定性关系表达式为ΔxΔpx≥h4π,选项C错误.
答案:A
5.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ε和p分别表示X射线每个光子的能量和动量,则( )
A.ε=hλc,p=0 B.ε=hλc,p=hλc2
C.ε=hcλ,p=0 D.ε=hcλ,p=hλ
解析:根据ε=hν,且λ=hp,c=λν可得X射线每个光子的能量为ε=hcλ,每个光子的动量为p=hλ.
答案:D
6.利用光电管研究光电效应实验电路如图所示,用频率为ν1的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )
A.用紫外线照射,电流表中不一定有电流通过
B.用红外线照射,电流表中一定无电流通过
C.用频率为ν1的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片移到A端时,电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν1的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片向B端滑动时,电流表示数可能不变
解析:因紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,A错误;因不知阴极K的截止频率,所以用红外线照射时不一定发生光电效应,B错误;用频率为ν1的可见光照射K,当滑动变阻器的滑片移到A端时,UMK=0,光电效应还在发生,电流表中一定有电流通过,C错误;滑动变阻器的滑片向B端滑动时,UMK增大,阴极M吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当所有光电子都到达阳极M时,电流达到最大,即饱和电流,若在滑动前,电流已经达到饱和电流,那么再增大UMK,光电流也不会增大,D正确.
答案:D
7.热辐射是指所有物体在一定的温度下都要向外辐射电磁波的现象.辐射强度指垂直于电磁波方向的单位面积在单位时间内所接收到的辐射能量.在研究同一物体在不同温度下向外辐射的电磁波的波长与其辐射强度的关系时,得到如图所示的图线,图中横轴λ表示电磁波的波长,纵轴Mλ表示某种波长的电磁波的辐射强度,则由Mλ-λ图线可知,同一物体在不同温度下( )
A.向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同
B.向外辐射的电磁波的波长范围是相同的
C.向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小
D.辐射强度的极大值随温度升高而向短波方向偏移
解析:由Mλ-λ图线可知,对于同一物体,随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,选项A、C错误;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,选项D正确,B错误.
答案:D
8.在用单缝衍射实验验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是( )
A.使光子一个一个地通过狭缝,如果时间足够长,底片上将会显示衍射图样
B.单个光子通过狭缝后,底片上会出现完整的衍射图样
C.光子通过狭缝后的运动路径是直线
D.光的波动性是大量光子运动的规律
解析:个别或少数光子表现出光的粒子性,大量光子表现出光的波动性.如果时间足够长,通过狭缝的光子数也就足够多,粒子的分布遵从波动规律,底片上将会显示出衍射图样,A、D正确.单个光子通过狭缝后,路径是随机的,底片上也不会出现完整的衍射图样,B、C错.
答案:AD
9.在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是( )
A.增大入射光的强度,光电流增大
B.减小入射光的强度,光电效应现象消失
C.改用频率小于ν的光照射,一定不发生光电效应
D.改用频率大于ν的光照射,光电子的最大初动能变大
解析:增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积上的光子数增加,光电流增大,选项A正确.光电效应现象是否消失与光的频率有关,而与照射光强度无关,故选项B错误.用频率为ν的光照射光电管阴极,发生光电效应,用频率较小的光照射时,若光的频率仍大于极限频率,则仍会发生光电效应,选项C错误.根据hν-W逸=12mv2可知,增加照射光频率,光电子的最大初动能也增大,故选项D正确.
答案:AD
10.右图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像.由图像可知 ( )
A.该金属的逸出功等于E
B.该金属的逸出功等于hν0
C.入射光的频率为12ν0时,产生的光电子的最大初动能为12E
D.入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为E
解析:由题图可知,该金属的极限频率为ν0,而Ek-ν关系图像的斜率代表普朗克常量,可知选项A、B正确.根据光电效应的规律可知选项C错误,D正确.
答案:ABD
二、填空题(共2小题,每小题6分,共12分)
11.一颗质量为5.0 kg的炮弹以200 m/s的速度运动时,它的德布罗意波长为 ;若它以光速运动,它的德布罗意波长为 ;若要使它的德布罗意波长为400 nm,则它的运动速度为 .?
答案:6.63×10-37 m 4.42×10-43 m 3.31×10-28 m/s
12.在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系如图所示.若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为 ,所用材料的逸出功可表示为 .?
解析:根据光电效应方程Ekm=hν-W0及Ekm=eUc得Uc=hνe?W0e,故he=k,b=-W0e,得h=ek,W0=-eb.
答案:ek -eb
三、计算题(共3小题,13、14题每题12分,15题14分,共38分.解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.某真空光电管的金属阴极的逸出功是4.0×10-19 J,某种单色光的能量恰好等于这种金属的逸出功,试求:
(1)这种单色光的频率多大?
(2)在光电管的阳极和阴极间加30 V的加速电压,用这种单色光照射光电管的阴极,光电子到达阳极时的动能有多大?
解析:(1)该单色光的频率即为光电管阴极金属的极限频率.该单色光光子能量ε=hν,
所以ν=εh=4.0×10-196.63×10-34 Hz=6.0×1014 Hz.
(2)到达阳极时电子的动能即为加速电压所做的功:Ek=eU=1.6×10-19×30 J=4.8×10-18 J.
答案:(1)6.0×1014 Hz
(2)4.8×10-18 J
14.光电管是应用光电效应实现光信号与电信号之间相互转换的装置,其广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面.如图所示,C为光电管,B极由金属钠制成(钠的极限波长为5.0×10-7 m).现用波长为4.8×10-7 m的某单色光照射B极.
(1)电阻R上电流的方向是向左还是向右?
(2)求出从B极发出的光电子的最大初动能.
(3)若给予光电管足够大的正向电压时,电路中光电流为10 μA,则每秒射到光电管B极的光子数至少为多少个?
解析:(1)B极板上逸出光电子,相当于电源的正极,A为负极,故流过R的电流向左.
(2)Ekm=hcλ-hcλ0=6.63×10-34×3×108×14.8×10-7-15.0×10-7 J=1.66×10-20 J.
(3)每秒电路中流过的电子电荷量
q=It=10×10-6×1 C=1×10-5 C
n=qe=1×10-51.6×10-19个=6.25×1013个.
答案:(1)向左 (2)1.66×10-20 J (3)6.25×1013个
15.根据光子说,光子的能量ε=hν,由质能方程可知,物体能量E=mc2,频率ν=5×1014 Hz的光子具有的动量是多少?一电子的动量与该光子相同,该电子的运动速度是多少?该电子物质波的波长λe是多少?
解析:对光子,能量E=hν=mc2,动量p=mc.故得
p=mc=hνc=6.63×10-34×5×10143.0×108 kg·m/s=1.1×10-27 kg·m/s;
设电子的质量为me,速度为ve,动量为pe,则pe=meve,pe=p,
以上三式联立得到电子的速度大小为
ve=peme=pme=1.1×10-279.1×10-31 m/s=1.2×103 m/s;
该电子物质波的波长
λe=hpe=6.63×10-341.1×10-27 m=6.0×10-7 m.
答案:1.1×10-27 kg·m/s
1.2×103 m/s
6.0×10-7 m