山东省济南济北中学2019-2020学年高中物理鲁科版选修3-5：5.2康普顿效应 配套作业（含解析）

5.2康普顿效应
1．下列说法正确的是
A．光电效应现象说明光具有波动性
B．射线同、射线一样，都是高速带电粒子流
C．氢原子从基态吸收能量跃迁到激发态后，原子核外电子动能变大
D．用粒子轰击铍，能够产生中子，核反应方程为
2．光子有能量，也有动量，它也遵守有关动量的规律．如图所示，真空中有一“∞”字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，右边是和左边大小、质量均相同的圆形白纸片．当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于此装置开始时转动情况（俯视）下列说法中正确的是
A．逆时针方向转动 B．顺时针方向转动 C．都有可能 D．不会转动
3．下列说法中正确的是 （ ）
A．黑体辐射时，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向频率较小的方向移动
B．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分能量转移给电子，因此光子散射后波长变短
C．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子核的组成．
D．各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的发光频率不一样，因此每种原子都有自己的特征谱线，人们可以通过光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成．
4．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比（　　）
A．频率变大
B．速度变小
C．光子能量变大
D．波长变长
5．如图所示，在平静水面下的一个点光源S分别发出单色光a、b，照在水面上形成光斑；其中a单色光照射形成的光斑比b单色光照射形成的光斑大。则下列说法正确的是
A．水对a光的临界角比b光的小
B．a光光子的能量比b光的大
C．a光光子的动量比b光的小
D．a光照射某金属能逸出光电子，则b光照射该金属也一定能逸出光电子
6．关于光电效应和康普顿效应的规律，下列说法正确的是(　　)
A．光电效应中，金属板向外发射的光电子又可以叫做光子
B．用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于金属的截止频率
C．对于同种金属而言，遏止电压与入射光的频率无关
D．石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长，这个现象称为康普顿效应
7．下列说法正确的是
A．光电效应表明光具有波动性
B．光的康普顿散射现象表明光具有粒子性
C．光的干涉现象表明光具有波动性
D．光的衍射现象表明光具有粒子性
8．下列说法正确的是：( )
A．一切物体都能向外辐射电磁波
B．用蓝光照射某金属时能产生光电效应，则改用红光照射该金属也一定能产生光电效应
C．光电效应中，从金属逸出的光电子就是光子
D．光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性
9．关于康普顿效应，下列说法中正确的是（ ）
A．石墨对X射线散射时，部分射线的波长变长
B．康普顿效应仅出现在石墨对X射线的散射中
C．康普顿效应证明了光的粒子性
D．康普顿效应进一步表明了光子具有动量
10．下列说法正确的有
A．普朗克曾经大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子
B．α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转，这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一
C．由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能减小，电势能增大
D．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此，光子散射后波长变短
11．下列说法正确的有________
A．普朗克曾经大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子
B．α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转，这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一
C．由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能减小，电势能增大
D．在光电效应实验中，用同种频率的光照射不同的金属表面，从金属表面逸出的光电子的最大初动能Ek越大，则这种金属的逸出功W0越小
E．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此，光子散射后波长变短
12．科学家通过X射线的衍射来获得晶体的结构图像．已知普朗克常量为h，真空的光速为c.若X射线在真空中的波长为λ，其对应的光子能量E＝________，该光子与电子碰撞后其波长将________(选填“变大”“不变”或“变小”)．
13．碰撞在宏观、微观世界中都是十分普遍的现象，在了解微观粒子的结构和性质的过程中，碰撞的研究起着重要的作用。
(1)一种未知粒子跟静止的氢原子核正碰，测出碰撞后氢原子核的速度是，该未知粒子以相同速度跟静止的氮原子核正碰时，测出碰撞后氮原子核的速度是，已知氢原子核的质量是mH，氮原子核的质量是14mH，上述碰撞都是弹性碰撞，求：
①该未知粒子的质量；
②该未知粒子的初速度大小。
(2)光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。美国物理学家康普顿在研究石墨对射线的散射时，发现在散射的射线中，除了与入射波长相同的成分外，还有波长大于的成分，这个现象称为康普顿效应，它说明了光具有粒子性的特征，其简化原理图如下：
对于这种二维非对心碰撞，我们可以按照矢量的合成与分解的原理去分析和处理，在某次碰撞中，入射光子与静止的无约束自由电子发生弹性碰撞，碰撞后光子的方向与原入射方向成α角，与电子碰后的速度方向恰好垂直，已知入射光波长，普朗克恒量为h，光速为c。
①结合爱因斯坦的光子说和质能方程，试证明光子动量，为光波波长；
②求碰撞后电子的动能和光子的动量大小。
参考答案
1．D
【解析】
A．光电效应现象说明光具有粒子性，不能说明光具有波动性，故A错误；
B．射线是电磁波，不带电；射线是高速氦核流，带正电；射线是高速的电子流，带负电，故B错误；
C．氢原子从基态吸收能量跃迁到激发态后，原子核外电子动能变小，故C错误；
D．用粒子轰击铍原子核，能够产生中子，是发现中子的核反应方程，核反应方程为：
故D正确；
故选D。
2．A
【解析】
白纸反射各种色光，故用平行白光垂直照射白纸片时光子会被反弹回去，而黑纸面会吸收各种色光，即光子与黑纸片碰撞后具有相同的速度方向，结合动量守恒知光子与白纸片碰撞后，白纸片会获得较大速度，故此装置会逆时针方向转动（俯视）．
故ACD选项错误，B正确．
3．D
【解析】
黑体辐射时，随着温度的升高，一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向波长较短、频率较大的方向移动，选项A错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分能量转移给电子，因此光子散射后能量变小，波长变长，选项B错误；卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子的核式结构理论，选项C错误；各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的发光频率不一样，因此每种原子都有自己的特征谱线，人们可以通过光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成，选项D正确；故选D．
4．D
【解析】
光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据E=hv，光子的频率减小；故A错误；碰撞前、后的光子速度不变，故B错误；当入射光子与静止的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，电子能量增加，故光子能量减小。故C错误。当入射光子与静止的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，根据，知波长增大。选项D正确．
5．CD
【解析】
AB．单色光照射形成的光斑比单色光照射形成的光斑大，说明光的全反射临界角大，根据可知：
因此有：
，
根据光子能量可知光光子的能量比光的小，故A、B错误；
C．根据德布罗意波波长公式可知，光光子的动量比光的小，故C正确，
D．根据光电效应方程可知，频率小的光照射某金属能发生光电效应，则光照射该金属也一定能逸出光电子，故D正确；
故选CD。
6．BD
【解析】
A.光电效应中，金属板向外发射的电子叫光电子，光子是光量子的简称，A错误；
B.用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于金属的截止频率，B正确；
C.根据光电效应方程可知，对于同种金属而言(逸出功一样)，入射光的频率越大，遏止电压也越大，即遏止电压与入射光的频率有关，C错误；
D.在石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长的现象称为康普顿效应，康普顿效应说明光具有粒子性，D正确．
7．BC
【解析】
A、光电效应表明光具有粒子性，A错误；
B、康普顿效应现象说明光子具有动量，即具有粒子性，B正确；
CD、干涉和衍射现象都是波特有的现象，故光的干涉和衍射现象标明了光具有波动性，C正确D错误．
8．AD
【解析】
A．我们周围的一切物体都在向外辐射电磁波、这种辐射与物体的温度有关，这种辐射叫热辐射，所以A正确；
B．红光的频率小于蓝光的频率，所以红光的频率有可能小于金属的极限频率，不一定能发生光电效应，所以B错误；
C．光电效应中，从金属逸出的光电子就是电子，故C错误；
D．光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故D正确．
9．ACD
【解析】
A. 在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，根据，知波长增大，故A正确；
B. 康普顿效应不是仅出现在石墨对X射线的散射中，故B错误；
C. 康普顿效应揭示了光具有粒子性，故C正确；
D. 康普顿效应进一步表明了光子具有动量，故D正确
10．AB
【解析】
普朗克曾经大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子，选项A正确； α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转，这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一，选项B正确；由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小，选项C错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此动量减小，根据λ=h/p，知波长增大。故D错误；
11．ABD
【解析】
普朗克能量量子化理论：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子，故A正确；α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转，这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一，故B正确；玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小，故C错误；光电效应实验中，用同种频率的光照射不同的金属表面，根据光电效应方程：EK=hγ-W0，从金属表面逸出的光电子的最大初动能Ek越大，则这种金属的逸出功W0越小，故D正确；康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，能量减小，由E=hc/λ可知，光子散射后波长变长，故E错误；故选ABD．
点睛：考查能量量子化的内容，掌握光电效应方程的应用，理解吸收能量，动能减小，电势能增大，总能量减小；而释放能量后，动能增大，电势能减小，总能量增大；注意康普顿效应中，光子散射后波长变长．
12． 变大
【解析】
根据E=hv求出光子的能量；光子与静止电子碰撞后，动量守恒，能量守恒，通过能量守恒判断光子频率的变化，从而得出波长的变化．
【详解】
光子的能量，而光子的频率和波长关系，故；
光子与电子的碰撞过程中，系统不受外力，也没有能量损失，故系统动量守恒，系统能量也守恒，光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据E=hv，光子的频率减小，根据知，波长变大.
【点睛】
解决本题的关键知道频率与波长的关系，康普顿效应抓住动量守恒和能量守恒．
13．(1)① ②；(2)①根据爱因斯坦光子说和质能方程即证；② ，
【解析】
【详解】
(1)设未知粒子的质量为，初速度为：，
未知粒子跟静止的氢原子核正碰时，由动量守恒有：

机械能守恒有：
知粒子以相同速度跟静止的氮原子核正碰时，由动量守恒有：
机械能守恒有：
联立解得：，；
(2) 根据爱因斯坦光子说：,由质能方程：E=mc2，得光子的动量：；
如图建立xoy坐标系，
光子与电子碰撞前后，沿x方向的分动量守恒：
光子与电子碰撞后，沿y方向的分动量守恒：
联立解得：光子的动量为，
碰前光子的能量为：，碰后光子的能量为：，所以碰后电子的能量为： ．