高中物理教科版选修3-5 训练题 光电效应　原子和原子核 Word版含解析

光电效应　原子和原子核
一、选择题(本大题共11小题，每小题6分，共66分.1～8题只有一个选项正确，9～11题有多个选项正确．全部选对的得6分，选不全的得3分，有选错或不答的得0分)
1．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是(　　)
A．图a中甲、乙、丙三种射线分别为β、γ、α
B．图b中氢原子发出的三条谱线波长λ1、λ2、λ3的关系为λ1＝λ2＋λ3
C．图c中的链式反应就是太阳内部每时每刻发生的核反应
D．图d中a光的光子能量比b光的光子能量大
【解析】带电粒子在磁场中运动，根据左手定则，图a中甲、乙、丙三种射线分别为β、γ、α，故A正确；图b中氢原子发出的三条谱线频率ν1、ν2、ν3的关系为ν1＝ν2＋ν3，故B错误；图c中的链式反应是重核裂变，太阳内部的反应为轻核聚变反应，故C错误；图d中a光的光子能量比b光的光子能量小，a光的强度比b光的强度大，故D错误．
【答案】A
2．在用如图所示的光电管研究光电效应的实验中，用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，而用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，下列说法正确的是(　　)
A．a光的波长大于b光的波长
B．只增加a光的强度可使通过电流计G的电流增大
C．延长b光照射的时间，可使电流计G的指针发生偏转
D．将滑动变阻器的滑片P向右滑动，电流计G的读数将一直增大
【解析】用某种频率的单色光a照射光电管阴极K，电流计G的指针发生偏转，知a光频率大于金属的极限频率．用另一频率的单色光b照射光电管阴极K时，电流计G的指针不发生偏转，知b光的频率小于金属的极限频率，所以a光的频率一定大于b光的频率，a光的波长小于b光的波长，故A错误．光电管两端加正向电压，增加a光的强度，逸出的光电子增加，通过电流表G的电流增大，故B正确．光电效应的发生与光照时间无关，延长b光照射的时间，不会使电流计G的指针偏转，故C错误．将滑动变阻器的滑片P向右滑动，正向电压增大，光电流增大，当达到饱和光电流时，电流计G的读数不变，故D错误．
【答案】B
3．利用如图甲所示电路，测出光电流I随电压U的变化图象如图乙所示，已知Uc＝5.6 V，如图丙所示是氢原子能级图，大量处于n＝2能级的氢原子跃迁到基态时，发射出的光照射光电管阴极K，下列判断正确的是(　　)
A．氢原子跃迁发射出的光越强，照射到光电管阴极K产生的光电子能量越高
B．氢原子跃迁发射出的光照射到光电管阴极K的时间越长，Uc越大
C．电子从阴极K表面逸出的最大初动能为4.6 eV
D．阴极K材料的逸出功为4.6 eV
【解析】根据光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故A错误；结合Ekm＝eUc，可知光电子的最大初动能越大，则遏止电压越大；结合光电效应方程可知，入射光的频率越大，则遏止电压越大，与照射的时间无关，故B错误；已知Uc＝5.6 V，结合Ekm＝eUc，可知光电子的最大初动能：Ekm＝e·Uc＝1 e×5.6 V＝5.6 eV，故C错误；根据光电效应方程：Ekm＝hν－W0，其中光子的能量：hν＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6) eV＝10.2 eV，所以材料的逸出功：W0＝10.2 eV－5.6 eV＝4.6 eV，故D正确．
【答案】D
4．美国物理学家密立根利用图甲所示的电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系，描绘出图乙中的图象．由此算出普朗克常量h，电子电量用e表示，下列说法正确的是(　　)
A．入射光的频率增大，为了测遏止电压，则滑动变阻器的滑片P应向M端移动
B．由Uc－ν图象可求普朗克常量表达式为h＝
C．由Uc－ν图象可知，这种金属的截止频率为ν1
D．增大入射光的强度，光电子的最大初动能也增大
【解析】入射光的频率增大，光电子的最大初动能增大，则遏止电压增大，测遏止电压时，应使滑动变阻器的滑片P向N端移动，故A错误；根据Ekm＝hν－W0＝eUc，解得：Uc＝－，图线的斜率为：k＝＝，则有：h＝，当遏止电压为零时，ν＝νc.所以这种金属的截止频率为νc，故B正确，C错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，故D错误．
【答案】B
5．如图，在α粒子散射实验中，图中实线表示α粒子的运动轨迹，假定金原子核位置固定，a、b、c为某条轨迹上的三个点，其中a、c两点距金原子核的距离相等，以下说法正确的是(　　)
A．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了能量量子化理论
B．大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向返回
C．α粒子经过a、c两点时动能相等
D．从a经过b运动到c的过程中，α粒子的电势能先减小后增大
【解析】α粒子的散射实验说明了原子具有核式结构，故A错误；根据α粒子散射现象可知，大多数α粒子击中金箔后几乎沿原方向前进，故B错误；a、c两点距金原子核的距离相等，则α粒子经过a、c两点时动能相等，故C正确；α粒子受到斥力作用，根据电场力做功特点可知：从远处运动到近处过程中电场力做负功，电势能增加，所以α粒子的电势能先增大后减小，故D错误．
【答案】C
6.
在气体放电管中，用大量能量为E的电子轰击大量处于基态的氢原子，通过光栅分光计可观测到一定数目的光谱线．调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目是原来的三倍．用Δn表示两次观测中最高激发态的量子数n之差．根据氢原子的能级图可以判断，Δn和E的可能值为(　　 )
　　　　　　　　　　　　
A．Δn＝1，E＝10.30 eV B．Δn＝1，E＝12.09 eV
C．Δn＝2，E＝12.09 eV D．Δn＝4，E＝13.06 eV
【解析】最高激发态量子数之差和最高能级量子数之差相同，因此设氢原子原来的最高能级为n，则调高后的能级为(n＋Δn)，则有：＝3，可得：n＝2，Δn＝1，当氢原子吸收能量从基态跃迁到n＝2的激发态时，吸收的能量为：ΔE＝－3.4 eV－(－13.6) eV＝10.2 eV，当氢原子吸收能量从基态跃迁到n＝3的激发态时，吸收的能量为：ΔE＝－1.51 eV－(－13.6) eV＝12.09 eV，电子与氢原子碰撞时，氢原子可以吸收电子的一部分的能量，由题目的条件可知，第一次时电子的能量值应该处于10.2 eV＜E＜12.09 eV的范围内．故A正确，B、C、D错误．
【答案】A
7．近日从中科院获悉，我国第四代反应堆核能系统钍基熔盐堆能源系统(TMSR)研究已获重要突破．该系统是以钍作为核燃料，钍核Th俘获一个中子后经过两次β衰变可得到核燃料铀233.铀核U的一种典型裂变产物是氪和钡，同时释放出巨大能量．下列说法正确的是(　　)
A．钍核Th有90个中子，142个质子
B．钍核俘获一个中子的反应方程是Th＋n→U
C．产生U的反应方程是Th→U＋2e
D．铀核裂变反应方程是U＋n→Kr＋Ba＋3n
【解析】钍核Th有90个质子，142个中子，故A错误；反应方程是Th＋n→U中，电荷数不守恒，故B错误；反应方程是Th→U＋2e中，质量数不守恒，故C错误；铀核裂变反应方程是U＋n→Kr＋Ba＋3n，故D正确．
【答案】D
8．在某真空环境中存在着竖直向下的匀强磁场，一静止的铀核沿水平方向放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为U→Th＋He，下列说法正确的是(　　)
A．衰变后钍核的动量等于α粒子的动量
B．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间
C．从上往下看，衰变后的钍核和α粒子都做逆时针方向的匀速圆周运动
D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
【解析】一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，根据系统动量守恒知，衰变后钍核和α粒子动量之和为零，可知衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小，但方向相反，故A错误；半衰期是原子核有半数发生衰变的时间，与放出一个α粒子所经历的时间无关，故B错误；根据左手定则可知，从上往下看，衰变后的钍核和α粒子都做逆时针方向的匀速圆周运动，二者的轨迹互为外切圆，故C正确；衰变的过程中有质量亏损，即衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，故D错误．
【答案】C
9．以下说法正确的是(　　)
A．爱因斯坦通过对光电效应实验规律的分析揭示了光具有粒子性的一面
B．玻尔模型对一切原子的光谱现象都能准确解释
C．放射性元素的半衰期与其以单质还是化合物形式存在无关
D．原子核的比结合能大小可以反映其稳定性特征
【解析】爱因斯坦通过对光电效应实验规律的分析揭示了光具有粒子性的一面，选项A正确；玻尔模型只能解释氢原子光谱，不能对一切原子的光谱现象准确解释，选项B错误；放射性元素的半衰期与其以单质还是化合物形式存在无关，选项C正确；原子核的比结合能大小可以反映其稳定性特征，比结合能越大，原子核越稳定，选项D正确．
【答案】ACD
10．根据玻尔原子理论，氢原子中的电子绕原子核做圆周运动与人造卫星绕地球做圆周运动比较，下列说法中不正确的是(　　 )
A．电子可以在大于基态轨道半径的任意轨道上运动，人造卫星只能在大于地球半径的某些特定轨道上运动
B．轨道半径越大，线速度都越小，线速度与轨道半径的平方根成反比
C．轨道半径越大，周期都越大，周期都与轨道半径成正比
D．轨道半径越大，动能都越小，动能都与轨道半径的平方成反比
【解析】人造卫星的轨道可以是连续的，电子的轨道是不连续的，故A错误；人造地球卫星绕地球做圆周运动需要的向心力由万有引力提供，F＝G＝＝　①，可得：v＝，玻尔氢原子模型中电子绕原子核做圆周运动需要的向心力由库仑力提供，F＝k＝＝　②，可得：v＝，可知都是轨道半径越大，线速度都越小，线速度与轨道半径的平方根成反比，故B正确；由①式可得：T＝2π；由②式可得：T＝2π，可知，都是轨道半径越大，周期都越大，周期都与轨道半径的次方成正比，故C错误；由①式可得：卫星的动能：Ek＝mv2＝；由②式可得电子的动能：Ek＝，可知都是轨道半径越大，动能都越小，动能都与轨道半径成反比，故D错误．
【答案】ACD
11．关于物质的波粒二象性，下列说法正确的是(　　)
A．光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显
B．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
C．光电效应现象揭示了光的粒子性
D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性
【解析】光子既有波动性又有粒子性，光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显，故A正确；不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性，故B正确；光电效应和康普顿效应都揭示了光具有粒子性，故C正确；实物也具有波粒二象性，故D错误．
【答案】ABC
二、非选择题(共34分．解答时请写出必要的文字说明，方程式和重要的演算步骤)
12．(16分)放射性原子核U先后发生α衰变和β衰变后，变为原子核Pa.已知U质量为m1＝238.0290 u，Pa质量为m2＝234.0239 u，α粒子的质量为mα＝4.0026 u，电子的质量为me＝0.0005 u．(原子质量单位1 u相当于931.5 MeV的能量)则：
(1)写出放射性衰变方程．
(2)原子核U衰变为Pa的过程中释放能量为多少？
(3)若U的半衰期是4.5×109年，假设一块矿石中含有2 kg U，经过90亿年后，还剩多少U?
【解析】(1)根据质量数和电荷数守恒可得衰变方程为：
U→Pa＋He＋e.
(2)上述衰变过程的质量亏损为：Δm＝m1－m2－mα－me
放出的能量为：ΔE＝c2·Δm
代入题给数据得：ΔE＝(238.0290 u－234.0239 u－4.0026 u－0.0005 u)·c2＝0.002×931 MeV＝1.86 MeV.
(3)总质量(m0)、衰变质量(m)、衰变时间(t)，半衰期(T)之间关系为：m＝m0
将m0＝2 kg，T0＝45亿年，t＝90亿年，代入解得：
m＝＝0.5 kg
故还剩余0.5 kg U.
【答案】(1)U→Pa＋He＋e　(2)1.86 MeV　
(3)0.5 kg
13．(18分)氢原子从－3.4 eV的能级跃迁到－0.85 eV的能级时，是发射还是吸收光子？这种光子的波长是多少(计算结果取一位有效数字)？图中光电管用金属材料铯制成，电路中定值电阻R0＝0.75 Ω，电源电动势E＝1.5 V、内阻r＝0.25 Ω，图中电路在D点交叉，但不相连．R为变阻器，O是变阻器的中间抽头，位于变阻器的正中央，P为滑动端．变阻器的两端点ab间总阻值为14 Ω.当用上述氢原子两能级间跃迁而发射出来的光照射图中的光电管，欲使电流计G中电流为零，变阻器aP间阻值应为多大？已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，金属铯的逸出功为1.9 eV.
【解析】因氢原子是从低能级向高能级跃迁，故应吸收光子．
因为ΔE＝E1－E2＝hν　ν＝
所以λ＝＝ m≈5×10－7 m.
因为hν＝E1－E2＝3.4 eV－0.85 eV＝2.55 eV
所以入射光光子的能量大于铯的逸出功，故光电管会发射光电子．
根据爱因斯坦光电效应方程可得光电子的最大初动能
Ek＝hν－W0＝2.55 eV－1.9 eV＝0.65 eV
由动能定理eU＝ΔEk可知，欲使G表中电流为零，必须在光电管上加上0.65 V的反向电压，故滑动头须滑向a端．
电源所在的主干路的电流
I＝＝ A＝0.1 A
变阻器滑动片P与中点O间的电阻ROP＝＝6.5 Ω
所以aP间电阻RaP＝－ROP＝0.5 Ω.
【答案】吸收光子　5×10－7 m　0.5 Ω