广州市白云中学2019-2020学年高中物理粤教版选修3-5：2.3康普顿效应及其解释 同步练习（含解析）

2.3康普顿效应及其解释
1．已知某种光的频率为，光速为c，普朗克常量为h。下列说法正确的是（　　）
A．这种光子的波长为
B．这种光子的动量为
C．该光与另一束强度相同、频率为的光相遇时可以产生光的干涉现象
D．用该光照射逸出功为W的金属有电子逸出，则电子的最大初动能为
2．环境监测中通常需要监测烟尘浓度。如图所示为光电式烟尘浓度计的工作原理图。光源1发出的光线经聚光透镜2后，再经半透半反镜3分成两束强度相等的光线。其中一路光线经反射镜4后穿过被测烟尘，有部分光线被烟尘吸收或散射（光在介质中与物质微粒相互作用，使光的传播方向发生改变的现象）后，经过光电转换电路6转换成电压信号U1.另一路光线直接到达光电转换电路7（6、7完全相同）后，产生作为被测烟尘浓度的参比电压信号U2.运算电路通过U1和U2的比值计算出被测烟尘的浓度。根据上述信息应用所学知识可以判断（　　）
A．没有烟尘时，U1和U2的比值应该为零
B．散射过程中动量守恒定律不成立
C．如果用全反射棱镜作为反射镜4，其折射率至少为2
D．烟尘浓度越高时，U1和U2的差值越大
3．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量．如图给出了光子与静止电子碰撞后电子的运动方向，则碰后光子：（ ）
A．可能沿1方向，且波长变小
B．可能沿2方向，且波长变小
C．可能沿1方向，且波长变长
D．可能沿3方向，且波长变长
4．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变．下列说法正确的是
A．当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B．康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C．X光散射后与散射前相比，速度变小
D．散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
5．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量．图中给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿那个方向运动，波长如何变化
A．3、变长 B．1、变短 C．1、变长 D．2、不变
6．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
7．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，这种现象叫康普顿效应，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，则该现象被称为逆康普顿效应，这一现象已被实验证实．关于上述逆康普顿效应，下列说法正确的是
A．该过程不遵循能量守恒定律
B．该过程不遵循动量守恒定律
C．散射光中存在波长变长的成分
D．散射光中存在频率变大的成分
8．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
9．关于光的本性，下列说法中正确的是（　　）
A．光电效应现象表明在一定条件下，光子可以转化为电子
B．光电效应实验中，只有光的强度足够大时，才能观察到光电流
C．光在传播过程中表现为粒子性，在与物质相互作用时表现为波动性
D．康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量
10．下列四幅图涉及光的粒子性和波动性，其中说法正确的是（ ）
A．甲图的光电效应实验说明光具有波粒二象性
B．乙图说明，在光电效应中，同一单色入射光越强，饱和电流越大
C．丙图的“泊松亮斑”说明光具有波动性，是光通过小圆孔时发生衍射形成的
D．丁图的康普顿效应表明光子具有动量，揭示了光的粒子性的一面
11．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
12．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＝1.6×10－19C)
(1)若高压电源的电压为20kV，求X射线的最短波长；
(2)若此时电流表读数为5mA，1s内产生5×1013个平均波长为1.0×10－10m的光子，求伦琴射线管的工作效率．
参考答案
1．D
【解析】
A．由题意可知，这种光子的波长为
故A错误；
B．根据
可得，这种光子的动量为
故B错误；
C．两束光要想发生干涉现象，要求两种光子的频率相同，所以该光与另一束强度相同、频率为的光相遇时不可以产生光的干涉现象，故C错误；
D．根据爱因斯坦的光电效应方程，可得光电效应逸出光电子的最大初动能为
所以用该光照射逸出功为W的金属有电子逸出，则电子的最大初动能为，故D正确。
故选D。
2．D
【解析】
A．没有烟尘时，光的传播方向没有发生改变，U1和U2的大小相等，其比值应该为1，不是零，故A错误；
B．根据康普顿效应原理，散射过程是光子与微粒碰撞作用的结果，所以动量守恒定律仍然成立，故B错误；
C．如果用全反射棱镜作为反射镜4，其反射光线与入射光线的夹角是90°，故需要其临界角小于45°，再根据
故其折射率至少为，故C错误；
D．烟尘浓度越高时，光线被烟尘吸收或散射得就会越多，光线射到6的亮度就会越少，所以U1和U2的差值越大，故D正确。
故选D。
3．C
【解析】
康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设．光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒．根据动量守恒，碰后光子不可能沿2、3方向，根据能量守恒，在散射波中，除了原波长的波以外，还出现波长增大的波，故C正确，ABD错误。
故选C．
4．B
【解析】
在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，则光子动量减小，但速度仍为光速c，根据：
知光子频率减小，康普顿效应说明光不但具有能量而且具有动量，证明了光的粒子性，故ACD错误，B正确；
故选B。
5．C
【解析】
光子与电子碰撞过程系统动量守恒,系统动量的矢量和不变,碰前动量向右,故碰撞后系统的动量的矢量和也向右,故碰后光子可能沿方向1振动;因为电子动能增加,故光子动减量小,根据,光子的频率减小,根据,波长变长;故C正确；ABD错误．故选C
6．D
【解析】
A．光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子碰撞前静止，碰撞后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，由
可知光子频率变小，故A错误；
B．碰撞前后光子的速度是不变的，故B错误；
C．碰撞后光子的动量和能量都减小，故C错误；
D．由于光子的动量减小，由
可知光子的波长变长，故D正确。
故选D。
7．D
【解析】
AB．射线的光子与电子撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律，可以推知，在逆康普顿效应中，同样遵循能量守恒定律与动量守恒定律，故AB错误；
CD．逆康普顿散射的过程中有能量从电子转移到光子，则光子的能量增大，根据公式：
可知散射光中存在频率变大的成分，或者说散射光中存在波长变短的成分，故C错误，D正确。
故选D。
8．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．
9．D
【解析】
本题考查光的本性，根据光电效应的规律、光的波粒二象性、康普顿效应进行分析解答。
【详解】
A.光电效应现象表明在一定条件下，光子的能量可以被电子吸收，故A不符合题意；
B.光电效应实验中，只有光的频率大于金属的极限频率，才能观察到光电流；与光照强度无关；故B不符合题意；
C.光的波长越长，波动性越明显，频率越高，粒子性越明显；大量光子的运动表现为波动性，单个光子的运动表现为粒子性，故C不符合题意；
D.康普顿效应表明光子和电子、质子等实物粒子一样也具有能量和动量，故D符合题意。
【点睛】
本题考查波粒二象性的基本内容，理解光电效应的规律、光的波粒二象性以及康普顿效应是解题的关键。
10．BD
【解析】
A．甲图的光电效应实验说明光具有微粒性，选项A错误；
B．乙图中，黄光的强度越大，饱和光电流越大，即说明在光电效应中，同一单色入射光越强，饱和电流越大，选项B正确；
C．丙图的“泊松亮斑”说明光具有波动性，是光通过小圆板时发生衍射形成的，选项C错误；
D．丁图的康普顿效应表明光子具有动量，揭示了光的粒子性的一面，选项D正确。
故选BD。
11．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。
12．（1）6.2×10－11 m（2）0.1%
【解析】
（1）X射线是电子受激辐射产生的，热阴极产生的电子在高电压的加速下与阳极K碰撞，如果动能全部转化为x射线的光子的能量，对应的波长最短；
（2）根据P=UI求解电源消耗的电功率，根据求解有用功率，得到效率．
【详解】
（1）伦琴射线管阴极上产生的热电子在20kV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．
由得
（2）高压电源的电功率P1=UI=100W，
每秒产生X光子的能量
效率为.