章末过关检测(五)
[学生用书P111(独立成册)]
(时间：60分钟，满分：100分)
一、单项选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分．在每小题给出的四个选项中，只有一个选项正确)
能够证明光具有波粒二象性的现象是( )
A．光的反射和小孔成像现象
B．光的衍射和光的色散
C．光的折射和透镜成像
D．光的干涉、光的衍射、光电效应和康普顿效应
解析：选D.在中学阶段可以认为光的干涉、光的衍射现象证明了光的波动性，光电效应和康普顿效应证明光的粒子性．
关于光电效应，下列说法正确的是( )
A．动能最大的光电子的动能与入射光的频率成正比
B．光电子的动能越大，光电子形成的电流就越大
C．光子本身所具有的能量取决于光子本身的频率
D．如果用红光照射金属能发生光电效应，则改用绿光照射该金属一定不发生光电效应
解析：选C.光电子形成的电流取决于单位时间内从金属表面逸出的光电子数，它与单位时间内入射的光子数成正比，而与光电子的动能无关，动能最大的光电子的动能可根据光电效应方程确定，但两者并非成正比，至于能否产生光电效应，要通过比较入射光的频率和极限频率来确定，故正确答案为C.
用强度相同的红光和蓝光分别照射同一种金属，均能使该金属发生光电效应．下列判断正确的是( )
A．用红光照射时，该金属的逸出功小，用蓝光照射时该金属的逸出功大
B．用红光照射时，该金属的截止频率低，用蓝光照射时该金属的截止频率高
C．用红光照射时，逸出光电子所需时间长，用蓝光照射时逸出光电子所需时间短
D．用红光照射时，逸出的光电子最大初动能小，用蓝光照射时逸出的光电子最大初动能大
解析：选D.用强度相同的红光和蓝光分别照射同一种金属，该金属的逸出功相同，该金属的截止频率相同，逸出光电子所需时间相等，选项A、B、C错误；由爱因斯坦光电效应方程可知，用红光照射时，逸出的光电子最大初动能小，用蓝光时逸出的光电子最大初动能大，选项D正确．
某光电管的阴极是用金属钾制成的，它的逸出功为2.21 eV，用波长为2.5×10－7 m的紫外线照射阴极．已知真空中光速为3.0×108 m/s，元电荷电量为1.6×10－19 C，普朗克常量为6.63×10－34 J·s，则钾的极限频率和该光电管发射的光电子的最大初动能应分别是( )
A．5.3×1014 Hz，2.2 J
B．5.3×1014 Hz，4.4×10－19 J
C．3.3×1033 Hz，2.2 J
D．3.3×1033 Hz，4.4×10－19 J
解析：选B.由c＝νλ、hν＝W＋Ekm、W＝hν.可得极限频率ν0＝＝ Hz≈5.3×1014 Hz.最大初动能Ekm＝h－W＝ J－2.21×1.6×10－19 J≈4.4×10－19 J．故正确答案为B.
5．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，当滑动变阻器的滑动触头移到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，当滑动变阻器的滑动触头向B端滑动时，电流表示数可能不变
解析：选D.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，当滑动变阻器的滑动触头移到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；滑动变阻器的触头向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．
6．关于宇宙和恒星的演化下列说法正确的是( )
A．宇宙已经停止演化
B．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定
C．当温度达到一定值时，恒星内发生氦聚变，亮度减弱
D．恒星最终都会演化为黑洞
解析：选B.目前宇宙的演化仍在进行，A错．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B对．恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，C错．根据最终质量的不同恒星最终演化为：白矮星或中子星或黑洞，D错．
二、多项选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分．在每小题给出的四个选项中，有多个选项符合题目要求，全选对的得6分，选对但不全的得3分，有错选或不答的得0分)
7．从光的波粒二象性出发，下列说法正确的是( )
A．光是高速运动的微观粒子，每个光子都具有波粒二象性
B．光的频率越高，光子的能量越大
C．在光的干涉中，暗条纹的地方是光子不会到达的地方
D．在光的干涉中，亮条纹的地方是光子到达概率最大的地方
解析：选BD.一个光子谈不上波动性，A错误；暗条纹是光子到达概率最小的地方，C错误．
8．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：选AD.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，A项正确．光电效应现象是否消失与光的频率有关，而与照射强度无关，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＝mv2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．
如图所示为光电管工作原理图，当有波长(均指真空中的波长，下同)为λ的光照射阴极板K时，电路中有光电流，则( )
A．换用波长为λ1(λ1>λ)的光照射阴极K时，电路中可能有光电流
B．换用波长为λ2(λ2<λ)的光照射阴极K时，电路中一定有光电流
C．增加电路中电源的端电压，电路中的光电流一定增大
D．将电路中电源的极性反接，电路中一定没有光电流
解析：选AB.由题意可知，光电管的极限频率ν0<，虽然λ1>λ，即ν1<，但ν1可能大于ν0，故波长为λ1时也有可能发生光电效应，而λ2<λ，即<，故一定能发生光电效应．光电流的强度与入射光的强度有关，将电源反接时，电流反向，故A、B对．
10．如图所示是研究光电效应的电路，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子．阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流．如果用单色光a照射阴极K，电流表的指针发生偏转；用单色光b照射光电管阴极K时，电流表的指针不发生偏转．下列说法正确的是( )
A．a光的波长一定小于b光的波长
B．只增加a光的强度可能使通过电流表的电流增大
C．只增加a光的强度可使逸出的电子最大初动能变大
D．阴极材料的逸出功与入射光的频率有关
解析：选AB.用单色光b照射光电管阴极K时，电流表的指针不发生偏转，说明用b光不能发生光电效应，即a光的波长一定小于b光的波长，选项A正确；只增加a光的强度可使阴极K单位时间内逸出的光电子数量增加，故通过电流表的电流增大，选项B正确；只增加a光的强度不能使逸出的电子的最大初动能变大，选项C错误；阴极材料的逸出功只与阴极材料有关，与入射光的频率无关，选项D错误．
三、非选择题(本题共3小题，共40分．解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分．有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)
(10分)电子具有多大速度时，德布罗意波的波长同光子能量为4×104 eV的X射线的波长相等？此电子需经多大的电压加速？
解析：由德布罗意波公式λ＝＝
光子能量式E＝hν＝h
联立可得：ve＝＝ m/s
＝2.34×107 m/s.
由动能定理得：eU＝mev
U＝eq \f(mev,2e)＝ V
＝1.56×103 V.
答案：2.34×107 m/s 1.56×103 V
(14分)分别用λ和λ的单色光照射同一金属，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2.以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则此金属的逸出功是多大？
解析：设此金属的逸出功为W0，根据光电效应方程得如下两式：
当用波长为λ的光照射时：
Ek1＝－W0①
当用波长为λ的光照射时：
Ek2＝－W0②
又＝③
解①②③组成的方程组得：W0＝.
答案：
(16分)如图所示，伦琴射线管两极加上一高压电源，即可在阳极A上产生X射线．(h＝6.63×10－34 J·s，电子电荷量e＝1.6×10－19 C)
(1)若高压电源的电压为20 kV，求X射线的最短波长；
(2)若此时电流表读数为5 mA，1 s内产生5×1013个平均波长为1.0×10－10 m的光子，求伦琴射线管的工作效率．
解析：(1)伦琴射线管阴极上产生的热电子在20 kV高压加速下获得的动能全部变成X光子的能量，X光子的波长最短．
由W＝Ue＝hν＝
得λ＝＝ m
＝6.2×10－11 m.
(2)高压电源的电功率P1＝UI＝100 W，
每秒产生X光子的能量P2＝＝0.1 W
效率为η＝×100%＝0.1%.
答案：(1)6.2×10－11 m (2)0.1%
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光束
窗口
K
A
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十万e
120°1209
e
3
十
23
e
e
F3
2
e
e
A23
B2
e
十
e
3
F
F
2
e
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e
e
(共36张PPT)
第5章 波与粒子
第5章 波与粒子
衍射现象
衍射现象
波动性
双缝干涉
位置
动量
同时测量
位置
动量
位置
动量
疏密
大
密集
小
稀疏
不确定性
中子
基本粒子
相互作用
电磁力相互作用
强力相互作用
媒介子
轻子
强子
加速器
粒子探测器
膨胀
星云
主序星
黑洞
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预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
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第3节 实物粒子的波粒二象性 第4节 “基本粒子”与恒星演化
1.知道实物粒子具有波动性，会计算物质波的波长，知道电子云，初步了解不确定性关系．(重点＋难点) 2.初步了解粒子物理学的基础知识． 3.初步了解恒星的演化． 4.了解人类认识世界的发展性，体会人类对世界的探究是不断深入的．
[学生用书P70]
一、德布罗意波及其实验探究
德布罗意波
德布罗意提出，实物粒子也具有波动性，称这种波为物质波或德布罗意波．
粒子能量与相应的波的频率之间的关系：E＝hν．
物质波的动量与波长之间的关系：p＝．
物质波的实验验证
(1)1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的衍射现象．
(2)1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性．
(3)1960年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片．
1．运动着的宏观物体具有波动性，为什么我们很难观察到宏观物体的波动性？
提示：由p＝得，λ＝，宏观物体动量比微观粒子动量大得多，运动着的宏观物体的波长都很小，而波长越小波动性越不明显，所以我们很难观察到宏观物体的波动性．
二、不确定性关系与电子云
不确定性关系
(1)在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量．
(2)不确定性关系：ΔxΔp≥，式中Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量．
(3)此式表明，不能同时精确测定一个微观粒子的位置和动量．
电子云
(1)定义：用点的疏密表示的电子出现的概率分布．
(2)电子的分布：某一空间范围内电子出现概率大的地方点密集，电子出现概率小的地方点稀疏．电子云反映了原子核外电子位置的不确定性．
2．既然位置与动量具有不确定性，为什么宏观物体的位置和动量可以同时测量？
提示：由于普朗克常量是一个很小的量，对于宏观物体来说，其不确定性小到无法进行观测，因此不确定性关系对宏观物体是不重要的．即宏观物体的位置和动量是可以同时确定的．
三、基本粒子与恒星演化
基本粒子
(1)对粒子的认识过程
①“基本”粒子：电子、质子和中子，曾认为它们是组成物质的不可再分的基本粒子．后来又认识到“基本”粒子的复杂内部结构．
②人们对“基本”粒子的认识不断深化，逐渐形成了研究构成物质的基本单元和它们之间相互作用的学科——粒子物理学．微观粒子虽小，仍然具有复杂的结构．
(2)影响“基本粒子”的相互作用：引力相互作用、电磁力相互作用、强力相互作用、弱力相互作用．
(3)“基本粒子”家族：按粒子参与相互作用的性质来分类，可以将其分为媒介子、轻子和强子三种类型．
(4)“基本粒子”的探测：加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具．
恒星演化
(1)宇宙起源：宇宙大爆炸学说认为，宇宙起源于一个“奇点”．该奇点爆炸后宇宙不断膨胀，宇宙温度不断降低，经过几十亿年的冷却，宇宙物质形成了星云．星际物质密集成云的地方，往往正是恒星诞生的摇篮．
(2)恒星的演化过程：原恒星→主序星(现在太阳正处于此阶段)→红巨星或超新星→白矮星、中子星或黑洞．
3．星云是怎样形成原恒星的，恒星在哪个阶段停留的时间最长？
提示：星云在外界影响下聚集，某些区域在引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，星云团中引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时，开始发光，形成原恒星．恒星在主序星阶段停留时间最长．
理解德布罗意波[学生用书P71]
任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小．粒子能量E与相应的波的频率ν之间的关系为E＝hν，动量p与相应波长λ之间的关系为p＝，上述关系称为德布罗意关系．
德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波．
根据德布罗意假说，实物粒子也具有波粒二象性，宏观物体的动量比较大，所以德布罗意波波长很短，波动性不明显．微观粒子的德布罗意波波长较长，在一些特定环境下可以观察到他们的干涉和衍射等波的现象．
(1)德布罗意波也是一种概率波，单个物体的运动具有偶然性，大量物体的运动具有必然性．
(2)德布罗意波的波动性与粒子性是和谐的统一．
关于物质波，下列认识错误的是( )
A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波
B．X射线的衍射实验，验证了物质波假设是正确的
C．电子的衍射实验，验证了物质波假设是正确的
D．宏观物质尽管可以看成物质波，同样具有干涉、衍射等现象
[思路点拨] 由德布罗意的物质波假设的内容及实验探究进行分析判断．
[解析] 据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，可见，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象，并不能证实物质波理论的正确性，故B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故C选项正确；由电子穿过铝箔的衍射实验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项正确．
[答案] B
对不确定性关系的理解[学生用书P72]
微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性．以光的衍射为例，如图是光的衍射原理图．实验发现：狭缝隙a越窄，中央的亮条纹b越宽，即光子与原来运动方向垂直的动量越大．也就是说，位置测量结果越精确，动量的测量误差就越大；位置的不确定范围和动量的不确定范围的关系是：ΔxΔp≥.
普朗克常量在不确定性关系中扮演着重要角色，如果h的值可忽略不计，这时物体的位置、动量可同时有确定的值，如果h的值不能忽略，这时不确定性关系也就表现的不可忽略，必须考虑微粒的波粒二象性．h成为划分经典物理学和量子力学的一个界限．
不确定性关系是微观粒子具有波粒二象性的必然结果．除位置和动量的不确定性关系外，还有其他不确定性关系，如时间和能量的不确定性关系：ΔEΔt≥.
不确定性关系不是说微观粒子的坐标测不准，也不是说微观粒子的动量测不准，更不是说微观粒子的坐标和动量都测不准，而是说微观粒子的坐标和动量不能同时测准．不确定性关系是自然界的一条客观规律，不是测量技术和主观能力的问题．
已知 ＝5.3×10－35 J·s.试求下列情况中速度测定的不确定量．
(1)一个球的质量m＝1.0 kg，测定其位置的不确定量为10－6 m.
(2)电子的质量me＝9.1×10－31 kg，测定其位置的不确定量为10－10 m(即原子的数量级)．
[思路点拨] 利用海森堡不确定关系ΔxΔp≥计算速度测定的不确定量Δv.
[解析] (1)m＝1.0 kg，Δx＝10－6 m，
由ΔxΔp≥，Δp＝mΔv知
Δv1≥＝ m/s
＝5.3×10－29 m/s.
(2)me＝9.1×10－31 kg，Δx＝10－10 m
Δv2≥＝ m/s
≈5.8×105 m/s.
[答案] (1)5.3×10－29 m/s (2)5.8×105 m/s
对“基本粒子”及恒星演化的认识[学生用书P72]
发现了原子核内部结构后，人们一度认为电子、质子、中子是组成物质的“基本粒子”．而后来发现质子和中子有着更复杂的内部结构，随着科学家们的研究，逐步发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子和电子组成的，所以电子、质子、中子并不是组成世界的最小微粒．
“基本粒子”
参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 强相互作用 质子、中子、介子、超子 质子是最早发现的强子；强子有内部结构，由“夸克”粒子构成；强子又可分为介子和重子
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构
媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用 玻色子传递弱相互作用 胶子传递强相互作用
夸克
夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－.每种夸克都有对应的反夸克．
恒星的演化
(1)恒星演化过程
(2)恒星的归宿
恒星的归宿与恒星的最终质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞．
已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小．如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10－15 m．试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)．
[思路点拨] 根据库仑定律进行计算．
[解析]
质子带＋e的电量，故它是由2个上夸克和1个下夸克组成的．按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，如图．上夸克与上夸克之间的静电力应为
Fuu＝k＝k
代入数值，得Fuu＝46 N，为斥力．
上夸克与下夸克之间的静电力应为
Fud＝k＝k
代入数值，得Fud＝23 N，为引力．
[答案] 见解析
下列关于粒子的说法正确的是( )
A．轻子是不参与相互作用的粒子
B．现代实验已发现了轻子的内部结构
C．中子是发现最早的强子
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：选D.轻子是不参与强相互作用的粒子，但有可能受其他相互作用的影响．如电子受弱相互作用的影响，A错．目前还没发现轻子的内部结构，B错．质子是发现最早的强子，C错．夸克带电荷为元电荷的倍或倍，这说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故D正确．
关于德布罗意波长的计算[学生用书P73]
一颗质量为5.0 kg的炮弹，
(1)以200 m/s的速度运动时，它的德布罗意波长为多大？
(2)假设它以光速运动，它的德布罗意波长为多大？
(3)若要使它的德布罗意波长与波长是400 nm的紫光波长相等，则它必须以多大的速度运动？
[思路点拨] 利用德布罗意关系式进行计算．
[解析] (1)炮弹的德布罗意波长为λ1＝＝＝ m＝6.63×10－37 m.
(2)它以光速运动时的德布罗意波长为
λ2＝＝＝ m＝4.42×10－43 m.
(3)由λ＝＝
得：v＝＝ m/s
＝3.32×10－28 m/s.
[答案] 见解析
[随堂检测] [学生用书P74]
下列说法中错误的是( )
A．夸克模型说明电子电量不再是最小的电荷单元
B．目前已经发现了自由态的夸克
C．目前发现的夸克有6种
D．每种夸克都有对应的反夸克
解析：选B.夸克所带电量小于电子电量，但远没有发现自由态的夸克．这就是夸克的“禁闭”，A对B错；夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，C、D均正确．
关于不确定性关系Δx·Δp≥有以下几种理解，正确的是( )
A．微观粒子的动量不可确定
B．微观粒子的位置不可确定
C．微观粒子的动量和位置不可同时确定
D．不确定性关系仅适用于电子和光子等微观粒子
解析：选C.由ΔxΔp≥可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小．故不能同时测量粒子的位置和动量，故A、B错，C对．不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观物体的影响可忽略，故D错误．
(多选)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波动性
B．实验中电子束的德布罗意波长为λ＝
C．加速电压U越小，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
解析：选ABC.得到电子的衍射图样，说明电子具有波动性，A正确；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，加速电压越小，电子的波长越大，衍射现象就越明显，C正确；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，故D错误．
金属晶体中晶格大小的数量级是10－10 m．电子经加速电场加速，形成电子束，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)
解析：据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
解①②③联立方程组可得
U＝＝153 V.
答案：153 V
[课时作业] [学生用书P109(独立成册)]
一、单项选择题
下列说法正确的是( )
A．物质波属于机械波
B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C．德布罗意认为，任何一个运动着的物体小到电子、质子，大到行星、太阳都有一种波和它对应，这种波叫物质波
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
解析：选C.物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来，故正确答案为C.
氢原子处在不同的能级时，具有不同形状的电子云，这些电子云是( )
A．电子运动时辐射的电磁波
B．电子运动轨道的形状
C．反映电子在各处出现的概率分布
D．电子衍射产生的图样
解析：选C.电子的运动并没有确定的轨道，电子云是电子在各处出现的概率分布图．
关于粒子，下列说法正确的是( )
A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：选D.由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误，D正确．
在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近．已知中子质量m＝1.67×10－27 kg，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，可以估算德布罗意波长λ＝1.82×10－10 m的热中子动能的数量级为( )
A．10－17 J B．10－19 J
C．10－21 J D．10－24 J
解析：选C.根据德布罗意波理论中子动量p＝，中子动能Ek＝＝，代入数据可以估算出数量级，选项C正确．
现代物理学认为，光和实物粒子都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是( )
A．一定频率的光照射到锌板上，光的强度越大，单位时间内锌板上发射的光电子就越多
B．质量为10 －3 kg、速度为10－2 m/s的小球，其德布罗意波长约为10－28 m，不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹
C．人们常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同
D．以上说法均不能体现波动性
解析：选C.光电效应现象证明光的粒子性．宏观物体小球的波长极小，能清晰观察到轨迹，说明宏观物体的粒子性．利用热中子研究晶体的结构正体现了实物粒子的波动性．
根据德布罗意波的概念，下列说法正确的是( )
A．质量大的物体，其德布罗意波长小
B．速度大的物体，其德布罗意波长小
C．动量大的物体，其德布罗意波长小
D．动能小的物体，其德布罗意波长小
解析：选C.根据λ＝可知，动量大的物体波长小，选项C是正确的．质量大或速度大或动能小，都不能确定其动量大小，所以其他三个选项错误．故正确答案为C.
如图所示，中子内有一个电荷量为＋e的上夸克和两个电荷量为－e的下夸克，这一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上，如图所示，在给出的四幅图中，能正确表示出夸克所受的静电作用力的是( )
解析：选B.本题
考查的是库仑力的大小和方向及力的合成，明确每个夸克皆受两个力的作用．电荷量为＋e的上夸克受两个下夸克的吸引力，合力的方向一定向下，对其中一个下夸克受力分析如图所示，由于F1的水平分力与F2大小相等，方向相反，故F1与F2的合力竖直向上．故正确答案为B.
二、多项选择题
下列说法正确的是( )
A．微观粒子不能用“轨道”观点来描述粒子的运动
B．微观粒子能用“轨道”观点来描述粒子的运动
C．微观粒子的位置不能精确确定
D．微观粒子的位置能精确确定
解析：选AC.微观粒子的动量和位置是不能同时确定的，这也就决定了不能用“轨道”的观点来描述粒子的运动(轨道上运动的粒子在某时刻具有确定的位置和动量)，故A正确，B错误；由微观粒子的波粒二象性或不确定关系可知，微观粒子的位置不能精确确定，故C正确，D错误．
9．根据不确定性关系ΔxΔp≥，判断下列说法正确的是( )
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
解析：选AD.不确定性关系表明无论采用什么方法试图确定Δx和Δp中的一个，必然引起另一个较大的不确定性，这样的结果与测量仪器及测量方法是否完备无关，无论怎样改善测量仪器和测量方法，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．
三、非选择题
已知氢原子基态能量为－13.6 eV，电子质量m＝9.1×10－31电子的动能和势能的关系为Ek＝－Ep，求氢原子中基态电子的德布罗意波的波长．
解析：低能时可忽略相对论效应，由于氢原子基态的能量为
E1＝Ek＋Ep＝－13.6 eV，Ek＝－Ep
所以Ek＝13.6 eV，由于p＝
所以德布罗意波的波长为λ＝＝3.33×10－10 m.
答案：3.33×10－10 m
质量为10 g的子弹与电子的速率相同，均为500 m/s，测量准确度为0.01%，若位置和速率在同一实验中同时测量，试问它们位置的最小不确定量各为多少？电子质量m＝9.1×10－31 kg.
解析：测量准确度即为速度的不确定性，根据质量和速度不确定量分别求出子弹和电子的动量不确定量，再根据公式Δx·Δp≥即可分别求出子弹和电子位置的不确定量．
子弹和电子的速度不确定量为Δv＝0.05 m/s
子弹动量的不确定量Δp1＝5×10－4 kg·m/s
电子动量的不确定量Δp2＝4.6×10－32 kg·m/s
由Δx≥，子弹位置的最小不确定量
Δx1＝＝ m＝1.06×10－31 m
电子位置的最小不确定量Δx2＝＝
m＝1.15×10－3 m.
答案：1.06×10－31 m 1.15×10－3 m
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第5章 波与粒子
第5章 波与粒子
×
×
√
发生改变
较短
散射角
粒子
粒子
波粒二象性
概率波
波动性
粒子性
√
×
√
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第5章
DI WU ZHANG
波与粒子
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生动
突破疑难·讲练提升
hv
2
光子
电子
电子
碰前
碰后
第1节 光电效应 第2节 康普顿效应
1.知道什么是光电效应及其实验现象．(重点) 2.理解光子说，掌握爱因斯坦光电效应方程，并能利用它解决光电效应的有关问题．(重点＋难点) 3.知道什么是康普顿效应及X射线实验原理．(重点)
4．理解光的波粒二象性，了解光是一种概率波．(重点＋难点)
[学生用书P65]
一、光电效应现象及实验规律
(1)光电效应现象：在光的照射下电子从物体表面逸出的现象．
(2)光电效应的实验规律
①存在极限波频率，每一种金属对应一种光的最小频率，称极限频率．只有当光的频率大于或等于这个最小频率时，才会产生光电效应．
②产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多．
③从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在 10－9__s内发生光电效应．
爱因斯坦的光电效应方程
(1)光子说：光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为E＝hν．
(2)光电效应方程
①表达式：hν＝W＋mv2．
②物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于克服金属的束缚，剩下的表现为逸出后电子的动能．
光电效应的应用
(1)光电开关：应用光电管可以控制电路的接通或断开．
(2)光电成像，利用光电效应将光信号―→电信号―→光信号．
(3)光电池等．
1．(1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．( )
(2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．( )
(3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的．( )
提示：(1)× (2)× (3)√
二、康普顿效应
光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的光现象．
康普顿效应：在光的散射中，除了有入射波长较短的成分外，还有波长较长的成分，波长的改变与散射角有关．
康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面．
康普顿效应说明了什么？为什么说康普顿效应反映了光子具有动量？
提示：康普顿效应说明了光的粒子性．解释光子波长变化的问题时运用了能量守恒定律和动量守恒定律，理论与实验符合很好．
三、光的波粒二象性
光的本性：光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性．
光是一种概率波．
当光的波长较长或光在传播过程中时，波动性明显；当光的波长较短或光子与粒子相互作用时，粒子性明显．
2．(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性．( )
(2)光子数量越大，其粒子性越明显．( )
(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子．( )
提示：(1)√ (2)× (3)√
对光电效应的理解[学生用书P66]
实验现象：原来不带电的锌板被紫外光照射后带了正电，表明电子在紫外光照射下逸出了锌板表面．
光电效应与波动理论的矛盾
(1)能否发生光电效应与入射光的频率有关，与光的强弱无关．波动理论认为光的强度由光波的振幅决定，与频率无关，只要入射光足够强，就应该能发生光电效应．但事实并非如此．
(2)光电子的最大初动能，只与光的频率有关．波动理论认为入射光的强度越大，逸出的光电子的最大初动能越大．
(3)光电效应具有瞬时性：按照波动理论，电子能量的增加应该有个积累过程，大约需要几分钟时间，电子才能逸出金属表面．而实验表明：无论入射光怎样弱，只要能发生光电效应，从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，几乎是瞬时的．
爱因斯坦光子理论对光电效应的解释
(1)解释极限频率的存在：光照射到金属板时，光子将能量传递给电子，每个光子的能量为hν，所以一个光子传递给一个电子的能量为hν，电子要脱离原子核的引力，有一个最小能量，最小能量对应发生光电效应时入射光的最小频率，即极限频率．如果小于这一频率，即使增大光强，也不会使电子逸出．这是因为增大光强，只是增加了吸收光子能量的电子数，单个电子吸收的光子能量仍为hν，电子仍不能逸出．
(2)解释光电效应的瞬时性：电子吸收光子的能量时间很短，几乎是瞬时的．如果入射光频率低于极限频率，即使增加照射时间，也不能使电子逸出．因为一个电子吸收一个光子后，在极短的时间内就可以把能量传递给其他粒子，所以电子不可能通过能量积累逸出金属表面．
(3)解释最大初动能与频率的关系：由爱因斯坦光电效应方程hν＝W＋mv2可知，电子从金属中逸出所需克服束缚而消耗的能量的最小值为逸出功，从金属表面逸出的电子消耗的能量最少，逸出时的动能值最大，称为最大初动能．就其他逸出的电子而言，离开金属时的动能小于最大初动能．最大初动能的大小与光的强度无关，而与光的频率有关．
光电效应规律中的两个关系
(1)由hν＝W＋mv2得 mv2＝hν－W，逸出电子的最大初动能Ekm与入射光的频率成一次函数关系．
(2)产生光电效应时，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多．即如果形成光电流，光电流的强度与入射光的强度成正比．
(1)逸出功的大小由金属本身决定，与其他因素无关．
(2)光电效应的实质是光现象转化为电现象．
在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率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＝－，故＝k，b＝－，得h＝ek，W0＝－eb.
[答案] ek －eb
(1)逸出功和截止频率均由金属本身决定，与其他因素无关．
(2)光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系．
1.
如图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极，发现电流表读数不为零．合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.6 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.6 V时，电流表读数为零．由此可知，阴极材料的逸出功为( )
A．1.9 eV B．0.6 eV
C．2.5 eV D．3.1 eV
解析：选A.设能量为2.5 eV的光子照射时，光电子的最大初动能为mv2，阴极材料的逸出功为W0，根据爱因斯坦光电效应方程有mv2＝hν－W0，题图中光电管上加的是反向电压，据题意，当反向电压达到U＝0.6 V以后，具有最大初动能的光电子也不能达到阳极，因此eU＝mv2，联立解得，W0＝hν－eU＝2.5 eV－0.6 eV＝1.9 eV，故选项A正确．
对康普顿效应的理解[学生用书P67]
实验现象：X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．
康普顿效应与经典物理理论的矛盾
按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．
另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．
光子说对康普顿效应的解释
假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．
(1)光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．
(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长改变与散射角有关．
康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．
科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中( )
A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λ<λ′
D．能量守恒，动量守恒，且λ>λ′
[思路点拨] 光子与电子的碰撞遵循动量守恒定律与能量守恒定律．
[解析] 能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界．光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律．光子与电子碰撞前光子的能量E＝hν＝h，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能量E′＝hν′＝h，由E>E′，可知λ<λ′，选项C正确．
[答案] C
康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，如图所示给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰撞后光子可能沿方向________运动，并且波长________(填“不变”“变小”或“变大”)．
解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前的方向一致，可见碰撞后光子的方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；通过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由E＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．
答案：1 变大
正确理解光的波粒二象性[学生用书P68]
光的粒子性的含义
粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量．
(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．
(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．
(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著．
光的波动性的含义
光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述
(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．
(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著．
光的波动性，粒子性是统一的
(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．
(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．
光子说并不否认光的电磁说
(1)按光子说，光子的能量E＝hν，其中ν表示光的频率，即表示了波的特征．
(2)从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到一致的结论．
有关光的波粒二象性的下列说法中，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．大量光子的行为往往显示出粒子性
[解析] 同一种光在不同条件下，有时表现出波动性，有时表现出粒子性，A错．电子是实物粒子，有静止质量；光子无静止质量，以场的形式存在，B错．光的波长越长(频率越低)，其波动性越显著，反之，粒子性越显著，C对．大量光子的行为往往表现出波动性，D错．
[答案] C
光既有波动性又有粒子性，二者是统一的．光的波长越长，波动性越强，波长越短，粒子性越强．个别光子易显示粒子性，大量光子易显示波动性．
3.(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是( )
A．大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性
B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子
C．高频光是粒子，低频光是波
D．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著
解析：选AD.光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，D正确；大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性，A正确；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，C错误．
与光电效应有关的图象问题[学生用书P68]
在理解光电效应方程的基础上，把其数学关系式与数学函数图象结合起来，经分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量，从而理解它们的物理意义，有效提高自身应用数学解决物理问题的能力．
1．最大初动能与入射光频率的关系
该图象对应的函数式Ek＝hν－W0，图象与横轴的交点坐标为极限频率，图象是平行的是因为图线的斜率就是普朗克常量．
2．光电流与电压的关系图象
从图象①③可看出同种光照射同种金属板对应的反向遏止电压相同．而饱和光电流强度随入射光强度增大而增大；从图象①②可知，对于同种金属，入射光的频率越高，反向遏止电压越大．
3．反向遏止电压与入射光频率的关系
该图象的对应函数式为Uc＝，故从图象可以直接读出金属的极限频率，由极限频率可算出普朗克常量，由纵轴截距可推算出金属的逸出功．
(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出( )
A．该金属的极限频率和极限波长
B．普朗克常量
C．该金属的逸出功
D．单位时间内逸出的光电子数
[解析] 依据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，当Ek＝0时，ν＝ν0，即图象中横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率．
图线的斜率k＝tan θ＝.可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量．
根据图象，假设图线的延长线与Ek轴的交点为C，其截距大小为W0，有tan θ＝.
而tan θ＝h，所以，W0＝hν0.
即图象中纵坐标轴的截距在数值上等于金属的逸出功．
[答案] ABC
[随堂检测] [学生用书P69]
关于光电效应，下列几种表述正确的是( )
A．金属的极限频率与入射光的频率成正比
B．光电流的强度与入射光的强度无关
C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能要大
D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应
解析：选D.金属的极限频率由该金属决定，与入射光的频率无关，光电流的大小随入射光强度增大而增大，选项A、B错误；不可见光包括能量比可见光大的紫外线、X射线、γ射线，也包括能量比可见光小的红外线、无线电波，选项C错误；任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光波长小于这个波长，才能产生光电效应，故正确选项为D.
对光的认识，以下说法正确的是( )
A．光波和声波的本质相同，都具有波粒二象性
B．光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了
D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显
解析：选D.光波是电磁波，具有波粒二象性，声波是机械波，是振动在介质中的传播，二者本质不同，A错；光的干涉、衍射现象，这属于波的特征，微粒说无法解释．光电效应现象用波动说无法解释，而用光子说可以完美地进行解释，证实光具有粒子性．因此，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，B错；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，只是表现明显与否，不容易观察并不说明不具有，C错；波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性，D对．
用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek－ν图象．已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功是3.24 eV，若将二者的图线画在一个Ek－ν坐标图中，用实线表示钨，用虚线表示锌，则正确反映这一过程的图是( )
解析：选B.依据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek－ν图线的斜率代表了普朗克常量h，因此钨和锌的Ek－ν图线应该平行．图线的横轴截距代表了截止频率νc，而νc＝，因此钨的νc大些．综上所述，B图正确．
以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出．强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实．光电效应实验装置示意图如图所示．用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应，换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场．逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量)( )
A．U＝－ B．U＝－
C．U＝2hν－W D．U＝－
解析：选B.以从阴极K逸出的且具有最大初动能的光电子为研究对象，由动能定理得：－Ue＝0－mv ①
由光电效应方程得：nhν＝mv＋W(n＝2，3，4…) ②
由①②式解得：U＝－(n＝2，3，4…)
故选项B正确．
已知金属铯的极限波长为0.66 μm，用0.50 μm的光照射铯金属表面发射光电子的最大初动能为多少？铯金属的逸出功为多少？
解析：铯的逸出功为W＝hν0＝h
将c＝3×108 m/s，
h＝6.63×10－34 J·s，
λ0＝0.66×10－6m，代入上式可得
W＝3×10－19 J
根据光电效应方程可知，当用波长为λ＝0.50 μm的光照射金属铯时，光电子的最大初动能
Ek＝hν－W＝h－W
＝6.63×10－34× J－3×10－19 J
＝9.8×10－20 J.
答案：9.8×10－20 J 3×10－19 J
[课时作业] [学生用书P107(独立成册)]
一、单项选择题
关于光电效应和康普顿效应，下列叙述正确的是( )
A．光电效应否定了光的波动性，而康普顿效应肯定了光的波动性
B．光电效应肯定了光的波动性，而康普顿效应否定了光的波动性
C．光电效应、康普顿效应都说明了光具有粒子性
D．以上均不正确
解析：选C.光既有波动性，又有粒子性，而光电效应、康普顿效应都说明了光具有粒子性，故选项C正确．
在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．光子通过狭缝的运动路线像水波一样
D．光的波动性是少数光子运动的规律
解析：选A.光子通过狭缝后仍沿直线传播，大量光子体现出的是波动性，少数光子体现出的是粒子性，故A正确，B、C、D错误．
对爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W，下面的理解正确的是( )
A．只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能Ek
B．式中的W表示每个光子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功
C．逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W＝hν0
D．光电子的最大初动能和入射光的频率成正比
解析：选C.Ek是光电子的最大初动能，并不是所有光电子的初动能；光电子从金属中飞出需克服金属表面层内的一种阻力做功，并不是正电荷的引力．
4．某种单色光的频率为ν，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek，则这种金属的逸出功和极限频率分别是( )
A．hν－Ek，ν－
B．Ek－hν，ν＋
C．hν＋Ek，ν－
D．Ek＋hν，ν＋
解析：选A.根据光电效应方程得，W＝hν－Ek.根据W＝hν0知极限频率ν0＝＝ν－.
5．光子有能量，也有动量，动量p＝，它也遵守有关动量的规律．如图所示，真空中，有“∞”形装置可绕通过横杆中点的竖直轴OO′在水平面内灵活地转动，其中左边是圆形黑纸片(吸收光子)，右边是和左边大小、质量相同的圆形白纸片(反射光子)．当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于装置开始时的转动情况(俯视)，下列说法中正确的是( )
A．顺时针方向转动
B．逆时针方向转动
C．都有可能
D．不会转动
解析：选B.根据动量定理Ft＝mvt－mv0，由光子的动量变化可知黑纸片和光子之间的作用力小于白纸片和光子之间的作用力，所以装置开始时逆时针方向转动，B选项正确．
6．在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出正确的是 ( )
A．甲光的频率大于乙光的频率
B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能
解析：选B.当光电管两端加上反向截止电压光电流为零时，则由动能定理得mv2－0＝eUc，对同一光电管逸出功W0相同，使用不同频率的光照射，有hν－W0＝mv2，两式联立可得，hν－W0＝eUc.丙光的反向截止电压最大，则丙光的频率最大，选项A、C错误；又λ＝可知，λ丙<λ乙，选项B正确；又hν－W0＝mv2－0＝eUc可知，丙光对应的光电子最大初动能最大，选项D错误．
二、多项选择题
7．波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有( )
A．光电效应现象揭示了光的粒子性
B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性
C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等
解析：选AB.光电效应现象、黑体辐射的实验规律都可以用光的粒子性解释，选项A正确，选项C错误；热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性，选项B正确；由德布罗意波长公式λ＝和p2＝2mEk知动能相等的质子和电子动量不同，德布罗意波长不相等，选项D错误．
8．如图所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014 Hz，则以下判断正确的是( )
A．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率
B．发生光电效应时，电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度
C．用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生
D．光照射时间越长，电路中的光电流越大
解析：选BC.在光电管中若发生了光电效应，单位时间内发射光电子的数目只与入射光的强度有关，光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关．据此可判断B正确，A、D错误；波长λ＝0.5 μm的光子的频率ν＝＝ Hz＝6×1014 Hz>4.5×1014 Hz，可发生光电效应．所以选项C正确．
9．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，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，这个现象称为康普顿效应．关于康普顿效应，以下说法正确的是( )
A．康普顿效应现象说明光具有波动性
B．康普顿效应现象说明光具有粒子性
C．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加
D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少
解析：选BD.康普顿效应说明光具有粒子性，A项错误，B项正确；光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒，故二者碰撞后，光子要把部分能量转移给电子，光子的能量会减少，C项错误，D项正确．
如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象，由图象可知( )
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ν0时，产生的光电子的最大初动能为E
D．入射光的频率为2ν0时，产生的光电子的最大初动能为2E
解析：选AB.题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0知，当入射光的频率恰为该金属的截止频率ν0时，光电子的最大初动能Ek＝0，此时有hν0＝W0，即该金属的逸出功等于hν0，选项B正确；根据图线的物理意义，有W0＝E，故选项A正确，而选项C、D错误．
三、非选择题
A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB.求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功．
解析：光子能量ε＝hν，动量p＝，且ν＝
得p＝，则pA∶pB＝2∶1
A照射时，光电子的最大初动能EA＝εA－W0.
同理，EB＝εB－W0
解得W0＝EA－2EB.
答案：2∶1 EA－2EB
12．如图所示，阴极K用极限波长λ0＝0.66 μm的金属铯制成，用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，调整两个极板电压．当A板电势比阴极电势高出2.5 V时，光电流达到饱和，电流表示数为0.64 μA.求：
(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能．
(2)如果把照射阴极的绿光光强增大为原来的2倍，求每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极的最大初动能．
解析：(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＝＝＝4.0×1012(个)．
根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能为：
Ek＝hν－W0＝h－h＝6.63×10－34×3×108× J＝9.6×10－20 J.
(2)如果照射光的频率不变，光强加倍，根据光电效应实验规律知阴极每秒钟发射的光电子数
n′＝2n＝8.0×1012 个．
光电子的最大初动能仍然是Ek≈9.6×10－20 J.
答案：(1)4.0×1012 个 9.6×10－20 J
(2)8.0×1012 个 9.6×10－12 J
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(共15张PPT)
第5章 波与粒子
本部分内容讲解结束
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现象:光现象一转化电现象
本质:电子吸收光子光电子
结论
(1)光具有粒子性—光子
(2)光具有波粒二象性
光的粒子性
光电效应
光子说:光子能量E=h
光电效应方程:bU=W+5m2
应用:(1)光电开关;(2)光电成像;(3)光电池
康普顿效应:(1)定义;(2)理论解释
波与粒子
光的波动性:光波是概率波
德布罗意假说:(1)E=hv,P=A;(2)实验探索
粒子的波粒二象性
不确定性关系:△x△P≥4A
电子云
基本粒子”初步:(1)相互作用;(2)分类;(3)“基本粒子”的探测
恒星的演化
知识体系网络构建
宏观把握·理清脉络
专题归纳,整合提升
归纳整合·深度升华
本章优化总结
[学生用书P75]
光电效应的规律和光电效应方程的应用[学生用书P75]
光电效应是单个光子和单个电子之间的相互作用产生的．金属中的某个电子只能吸收一个光子的能量，只有当吸收的能量足够克服原子核的引力而逸出时，才能产生光电效应，而光子的能量与光的频率有关，由此可解释光电效应的瞬时性和存在极限频率的原因．
光电效应方程实质上是能量转化和守恒定律在光电效应现象中的反映，根据能量守恒定律，光电子的最大初动能跟入射光子的能量hν和逸出功W的关系为mv2＝hν－W，这个方程叫爱因斯坦光电效应方程．
有关光电效应的问题主要有两个方面：一是关于光电效应现象的判断，另一个就是运用光电效应方程进行简单计算．解题的关键在于掌握光电效应规律，明确各概念之间的决定关系．
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)实验中测得铷的遏止电压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W0＝________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.
[解析] (1)电极A为光电管的阳极．
(2)由Uc－ν图象知，
铷的截止频率为νc＝5.15×1014 Hz.
由W0＝hν0得W0＝3.41×10－19 J.
(3)由光电效应方程得：
Ek＝hν－W0＝6.63×10－34×7.00×1014 J－3.41×10－19 J＝1.23×10－19 J.
[答案] (1)阳极 (2)5.15×1014 3.41×10－19
(3)1.23×10－19
从微观角度理解光的波动性和粒子性[学生用书P76]
光的粒子性并不否定光的波动性
现在提到的波动性和粒子性与17世纪提出的波动说和粒子说不同．当时的两种学说是相互对立的，都企图用一种观点去说明光的各种“行为”，并否定对方的观点．这是由于受传统观念的影响，这些传统观念是人们观察周围的宏观物体形成的．波动性与粒子性在宏观世界中是相互对立的、矛盾的，但对光子就不同了，光子属于微观粒子，光具有波粒二象性．
对于光子这样的微观粒子，只能从波粒二象性的角度出发，才能统一说明光的各种“行为”．
光子说并不否认光的电磁说．按光子说，光子的能量E＝hν，其中ν表示光的频率，即表示了波的特征，而且从光子说或电磁说推导光子的动量以及光速都得到一致的结论．可见光的确既具有波动性，也具有粒子性．
在光的干涉现象中，若曝光时间不长，在底片上只出现一些不规则的点，这些点表示光子的运动跟宏观的质点不同；但曝光时间足够长时，底片上出现了有规律的干涉条纹．可见，光的波动性是大量光子表现出来的现象．
在干涉条纹中，光强大的地方，光子到达的机会多，或说光子出现的概率大；光强小的地方，光子到达的概率小．所以大量光子产生的效果显示出光的波动性，少数光子产生的效果显示出光的粒子性，且随着光的频率的增大，波动性越来越不显著，而粒子性却越来越显著．
要综合理解各种频率的电磁波，就必须综合地运用波动性和粒子性两种观点．从发现光的波粒二象性起，使得人们认识到微观世界具有特殊的规律．
后来人们观察到电子的衍射图样，这些说明一切物质微粒也像光子一样具有波粒二象性．
(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中突出体现波动性的是( )
A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
[解析] 电子束通过双缝产生干涉图样，体现的是波动性，A正确；β射线在云室中留下清晰的径迹，不能体现波动性，B错误；衍射体现的是波动性，C正确；电子显微镜利用了电子束波长短的特性，D正确．
[答案] ACD
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