山东省章丘中学2019-2020学年高中物理鲁科版选修3-5：5.2康普顿效应 课时作业（含解析）

5.2康普顿效应
1．下列说法正确的是
A．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果保持光的频率不变，而逐渐减弱光的强度，有可能不再发生光电效应
B．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此光子散射后波长变长
C．天然放射性现象说明原子具有复杂的结构
D．原子核内所有核子之间都有很强的核力相互作用
2．下列说法中不正确的是(　　)
A．康普顿效应说明了光子具有动量和能量
B．康普顿效应进一步证实了光的粒子性
C．黑体辐射规律是爱因斯坦提出的
D．普朗克提出能量子假设
3．如图所示为康普顿效应示意图，光子与一个静止的电子发生碰撞，图中标出了碰撞后电子的运动方向．设碰前光子频率为ν，碰后为ν′，则关于光子碰后的运动方向和频率的说法中正确的是(　　)
A．可能沿图中①方向 B．可能沿图中②方向
C．ν＝ν′ D．ν<ν′
4．下列叙述中正确的是（ ）
A．电子的发现使人们认识到原子是可分割的
B．天然放射现象的研究说明原子核有复杂结构
C．卢瑟福通过粒子散射实验建立了核式结构模型
D．康普顿散射为物质波理论提供了实验支持
5．下列说法正确的是（ ）
A．爱因斯坦在光的粒子性的基础上，建立了光电效应方程
B．康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量
C．波尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律
D．卢瑟福根据粒子散射实验提出了原子的核式结构模型
6．下列说法中正确的是（　　）
A．玻尔通过对氢原子光谱的研究建立了原子的核式结构模型
B．核力存在于原子核内任意两个核子之间
C．天然放射现象的发现使人类认识到原子核具有复杂的结构
D．光电效应现象和康普顿效应说明光具有粒子性
7．下列说法正确的是____．
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，因此，光子散射后波长变长
B．考古学家发现某一骰骨中碳14的含量为活着的生物含量的四分之一，已知碳14的半衰期为5 730年，则确定该生物死亡距今11 460年
C．按照波尔理论，氢原子核外电子从较小半径跃迁到较大半径轨道时，电子的动能减少，原子总能量增大
D．卢瑟福发现了中子，汤姆孙发现了电子
E. 机场、车站等地方进行安检工作时，能轻而易举地窥见箱内物品，利用了γ射线较强的穿透能力
8．下列物理实验中，能说明粒子具有波动性的是________．
A．通过研究金属的遏止电压与入射光频率的关系，证明了爱因斯坦方程的正确性
B．通过测试多种物质对X射线的散射，发现散射射线中有波长变大的成分
C．通过电子双缝实验，发现电子的干涉现象
D．利用晶体做电子束衍射实验，证实了电子的波动性
9．下列说法中正确的是
A．α粒子散射实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据
B．光电效应和康普顿效应深入揭示了光的粒子性，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了具有能量外还具有动量
C．根据玻尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能增大，核外电子的运动速度减小
D．正负电子对湮灭技术是一项较新的核物理技术，一对正负电子对湮灭后生成光子的事实说明质量守恒定律是有适用范围的
10．下面有关光的本性理解正确的是（　　）
A．在光的双缝干涉实验中，曝光时间越长，波动性越明显
B．在光的双缝干涉实验中，光子出现概率较大的区域呈现亮条纹，光子出现概率较低的区域呈现暗条纹
C．爱因斯坦的光子说推翻了麦克斯韦的电磁说
D．光电效应和康普顿效应说明光具有波动性
11．在康普顿散射实验中，频率为的入射光，与某一静止的电子发生碰撞，碰后电子的动量为p，方向与入射光方向相同。已知普朗克常量为h，光速为c，求碰后光子的波长λ。
12．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？
13．根据光的粒子性，光的能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子，光子具有动量和能量。已知光在真空中的速度为c，普朗克常量为h。
（1）请根据爱因斯坦质能方程和光子说证明光子动量的表达式为P=，并由此表达式可以说明光具有什么特性？
（2）实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射，请定性分析散射光的波长将如何变化？
（3）惯性质量和引力质量是两个不同的物理概念。万有引力定律公式中的质量称为引力质量，它表示物体产生引力场或变引力作用的本领，一般用天平称得的物体质量就是物体的引力质量。牛顿第二定律公式中的质量称为惯性质量，它是物体惯性的量度，用惯性秤可以确定物体的惯性质量。频率为的一个光子具有惯性质量，此质量由相对论知识可以推得可由光子的能量确定，请通过本题陈述和所给已知量确定光子的惯性质量m的表达式。
（4）接第三问，假定光子也有引力质量，量值等于惯性质量。据相对论等近代物理知识可知：从一颗星球表面发射出的光子，逃离星球引力场时，该光子的引力质量会随着光子的运动而发生变化，光子的能量将不断地减少。
a.试分析该光子的波长将如何变化？
b.若给定万有引力常量G，星球半径R，光子的初始频率，光子从这颗星球（假定该星球为质量分布均匀的圆球体）表面到达无穷远处的频移（频率变化量值）为，假定<<,星球和光子系统的引力势能表达式为：（选定光子和星球相距无穷远处为零势能处），此表达式中的r为光子到星球中心的距离，试求该星球的质量M。
参考答案
1．B
【解析】某种金属能否发生光电效应只与入射光的频率有关，与光强无关，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，把一部分动量转移给电子，因此光子散射后波长变长，选项B正确；天然放射性现象说明原子核具有复杂的结构，选项C错误；核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m，原子核的半径数量级在10-15m，所以核力只存在于同一个原子核内的相邻的核子之间，两个相邻原子核之间的核子之间没有核力，故D错误；故选B.
2．C
【解析】康普顿效应说明了光子具有动量和能量，选项A正确；康普顿效应进一步证实了光的粒子性，选项B正确；黑体辐射规律是普朗克提出的，选项C错误；普朗克提出能量子假设，选项D正确；此题选择错误的选项，故选C.
3．B
【解析】光子与电子碰撞过程满足动量守恒，总动量与碰前光子动量方向一致大小相等，故光子可能的运动方向为②方向，故A错误，B正确；碰撞过程光子能量减小，因此频率减小，所以v＞v′，故C D错误；故选B.
4．ABC
【解析】A、原先人们认为原子是最小的单位，电子的发现使人们认识到原子有复杂的结构，故A正确；B、人们认识到原子核具有复杂结构是从发现天然放射现象开始的，故B正确；C、卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，确定了原子的组成结构，故C正确．D、电子是实物粒子，能发生衍射现象，从而为物质波理论提供了实验支持，故D错误；故选ABC.
【点睛】本题考查了近代物理中的基本知识，对于这部分基本知识要注意加强理解和应用．
5．ACD
【解析】A. 爱因斯坦在普朗克量子理论的基础上提出了光子假说，建立了光电效应方程，故A正确；
B. 康普顿效应表明光子有能量，也有动量，故B错误；
C. 玻尔的原子理论只能成功地解释了氢原子光谱的实验规律，故C正确；
D. 卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型，故D正确；
故选：ACD.
6．CD
【解析】A、卢瑟福通过α粒子散射实验建立了原子核式结构模型，故A错误；
B、核力本质是核子与核子间相互作用，而核子只存在于质子和质子间，中子和中子间，且只在2×10-15m内起作用，故B错误；
C、天然放射现象中，原子核发生衰变，生成新核，同时有电子或α粒子产生，因此说明了原子核可以再分，具有复杂的结构，故C正确；
D、光电效应与康普顿效应的物理本质是相同的，都是个别光子与个别电子的相互用，说明光具有粒子性，故D正确；
故选CD。
7．ABC
【解析】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，A正确；考古专家发现某一骸骨中C14的含量为活着的生物中C14的四分之一，可知经过了2个半衰期，C14的半衰期为5730年，则确定该生物死亡时距今11460年，B正确；氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，原子能量增大，根据知，动能减小，C正确；卢瑟福发现了质子，查德维克发现了中子，汤姆孙发现了电子，D错误；机场、车站等地方进行安检工作时，能轻而易举地窥见箱内物品，利用了X射线较强的穿透能力，γ射线能够穿透金属，可用于工业探伤，故E错误；
8．CD
【解析】
A．该选项解释光电效应现象，不能说明粒子的波动性；选项A错误；
B．该选项是康普顿效应，说明X射线具有粒子性；选项B错误；
C．该选项是说干涉现象，说明电子具有波动性；选项C正确；
D．晶体做电子束衍射实验说明电子具有波动性，选项D正确；
故选CD．
9．AB
【解析】
α粒子散射实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据，选项A正确； 光电效应和康普顿效应深入揭示了光的粒子性，前者表明光子具有能量，后者表明光子除了具有能量外还具有动量，选项B正确；根据玻尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能减小，核外电子的半径减小，运动速度增大．选项C错误；一对正负电子对湮灭后生成光子，根据爱因斯坦质能方程可知，光子有与能量相对应的质量，所以这个过程仍遵守质量守恒定律，故D错误．故选AB.
10．AB
【解析】
光既具有波动性又具有粒子性，在光的双缝干涉实验中，曝光时间越长，波动性越明显．故A正确．在光的双缝干涉实验中，光子出现概率较大的区域呈现亮条纹，光子出现概率较低的区域呈现暗条纹，故B正确．爱因斯坦的“光子说”认为光是一种量子化的物质；是对电磁说的补充与完善，并没有推翻了麦克斯韦的电磁说．故C错误．光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，故D错误．故选AB
点睛：此题考查光的波粒二象性，及其微粒说、波动说和光子说的内容，并掌握电磁波的特点，要求多读教材，加强基础知识积累就能顺利解决此类题目．
11．
【解析】
根据求入射光波长，由求碰前光子动量；
根据动量守恒定律求碰后光子的动量；
再由求碰后光子波长。
【详解】
由波速、频率和波长的关系得，频率为的入射光的波长，所以碰前动量为。根据动量守恒定律得：，解得：。又根据得：。
【点睛】
熟记公式，，明确动量守恒定律适用于宏观物体，同时也适用于微观粒子的碰撞，是解决本题的关键。
12．=2.34×107 m/s；U=1.56×103 V
【解析】
由德布罗意波公式
光子能量式
联立可得：
由动能定理得：，解得
13．(1) 波粒二象性；（2）散射光的波长将会变小；（3）；（4）a．波长将会变大；b. ；
【解析】(1)根据爱因斯坦质能方程和光子说可以得到光子能量E=；
光子动量P=mc= ，光子动量表达式：P=h/λ，说明光具有波粒二象性。
(2)因为在散射过程中有能量从电子转移到光子，则光子的能量增大，因为光子的能量
E=，故散射光的波长将会变小。
(3)根据本题陈述和所给已知量确定光子的惯性质量m的表达式为
(4)a．因为光子能量减小，根据E=可知，该光子的波长将会变大。
b.根据能量守恒定律可知：光子能量的损失量等于星球与光子系统的引力势能的增加量。
假定光子到达无穷远处的频率为，，引力质量为m，，光子的初始引力质量为m，
则有：，
可得：。
<<意味着光子能量的相对变化量很小，故从第三问可知：
继而可做如下推演：
；
则有：
对于从半径为R的星球表面发射的光子，便有
由此可求得该星球的质量
【点睛】本题研究光的性质(波动性和粒子性)：光的波粒二象性也适用于物质波，要用和联立推出波长的计算公式.