鲁科版（2019）高二物理必修第三册寒假复习主观题知识点专项练习：5.4初识光量子与量子世界

高二物理鲁科版（2019）必修第三册寒假复习主观题知识点专项练习：5.4初识光量子与量子世界
1．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最大（______）
2．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波（______）
3．经测量，人体表面辐射本领的最大值落在波长为940μm处，根据电磁辐射的理论得出，物体最强辐射的波长与物体的绝对温度的关系近似为Tλm
=
2.90×10
-
1mK，由此估算人体表面的温度和辐射的能量子的值各是多少？(h
=
6.63×10
-
34J·s)
4．医生用红外热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知他的体温是多少，你知道其中的道理吗？
5．太阳光垂直照射到地面上时，地面接收太阳光的功率为1.4kW，其中可见光部分约占45%．
（1）假如认为可见光的波长约为，日地间距离，普朗克常量，估算太阳每秒辐射出的可见光光子为多少？
（2）若已知地球的半径，估算地球接收的太阳光的总功率．
6．处于自然状态的物体会不断地向外辐射电磁波，同时也会吸收由其他物体辐射来的电磁波，当辐射和吸收达到平衡时，物体的温度保持不变。如果某物体能完全吸收入射到其表面的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就称为黑体。黑体也会同时向外辐射电磁波，已知单位时间内从黑体表面单位面积辐射出电磁波的能量I与黑体表面热力学温度T的4次方成正比，即I=σT4，其中σ为已知常量。
（1）若将火星看成表面温度相同的球形黑体，火星的半径为r，火星中心到太阳中心的距离为L，且L远远大于r，所以火星接收到来自太阳的辐射可视为垂直射到面积为πr2的圆面上。已知太阳向外辐射电磁波的总功率为P1。火星大气层对太阳辐射的吸收和反射、太阳辐射在传播过程中的能量损失，以及其他天体和宇宙空间的辐射均可忽略不计。
①
求在火星表面垂直于太阳和火星连线的单位面积接收到的来自太阳辐射的功率P0；
②
设火星向四面八方各个方向均匀辐射，请写出当吸收和辐射达到平衡时火星表面热力学温度T火的表达式。
（2）太阳辐射电磁波的能量来源于如图甲所示的太阳中心的“核反应区”。“核反应区”产生的电磁波在向太阳表面传播的过程中，会不断被太阳的其他部分吸收，然后再辐射出频率更低的电磁波。为了研究“核反应区”的温度，某同学建立如下简化模型：如图乙所示，将“核反应区”到太阳表面的区域视为由很多个“薄球壳层”组成，第1“薄球壳层”的外表面为太阳表面；各“薄球壳层”的内、外表面都同时分别向相邻内“薄球壳层”和外“薄球壳层”均匀辐射功率相等的电磁波（第1“薄球壳层”的外表面向太空辐射电磁波，最内侧的“薄球壳层”的内表面向“核反应区”辐射电磁波），如图丙所示；“核反应区”产生的电磁波的能量依次穿过各“薄球壳层”到达太阳的表面，每个“薄球壳层”都视为黑体，且辐射和吸收电磁波的能量已达到平衡，所以各“薄球壳层”的温度均匀且恒定。
已知太阳表面热力学温度为T1，所构想的“薄球壳层”数目为N，太阳半径R1与“核反应区”的半径RN满足R1=kRN（k为已知的常数），第1“薄球壳层”的外表面向外辐射电磁波的总功率为P1。请根据该同学建立的模型和题目中给出的信息，解答下列问题。
①
求第2、第3和第N“薄球壳层”向相邻的外“薄球壳层”辐射电磁波的功率P2、P3和PN；
②
若认为“核反应区”的温度和第N“薄球壳层”的温度TN相等，请推导出“核反应区”热力学温度TN的表达式。结合所得到TN的表达式，请说明该同学的模型是否合理？若不合理，请说明理由。
7．阅读如下资料并回答问题；自然界中的物体由于具有一定的温度，会不断向外辐射电磁波，这种辐射因与温度有关，称为热辐射。热辐射具有如下特点：①辐射的能量中包含各种波长的电磁波；②物体温度越高，单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大；③在辐射的总能量中，各种波长所占的百分比不同。处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其他物体辐射的电磁能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变．若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能100％地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即P0=T
4，其中常量=5.67
10-8W/（m2·K4）。在下面的问题中，把研究对象都简单地看作黑体。有关数据及数学公式：太阳半径Rs=696000km，太阳表面温度T=5770K，地球半径r=6371km．球面积=4R2，其中R为球半径。
（1）太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为
210-7m~110-5m范围内，求相应的频率范围；
（2）每小时从太阳表面辐射的总能量为多少；
（3）已知太阳到地球的距离约1.49108km，忽略太阳辐射能量在传播过程中的损失。地球表面受到来自太阳的辐射能量的总功率约为多少?
8．20世纪20年代，剑桥大学学生G·泰勒做了一个实验，在一个密闭的箱子里放上小灯泡、烟熏黑的玻璃、狭缝、针尖、照相底片，整个装置如图所示小灯泡发出的光通过熏黑的玻璃后变得十分微弱，经过三个月的曝光，在底片上针尖影子周围才出现非常清晰的衍射条纹．泰勒对这照片的平均黑度进行测量，得出每秒到达底片的能量是．已知光速．
（1）假如起作用的光波波长约为500nm，计算从一个光子到来和下一光子到来所相隔的平均时间，及光束中两邻近光子之间的平均距离；
（2）如果当时实验用的箱子长1.2m，根据（1）的计算结果，能否找到支持光是概率波的证据？
9．黑体就是绝对不发光的物体，看上去一定是黑色的，这句话对吗？
10．纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面．将激光束的宽度聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官．糖尿病引起视网膜病变是导致成年人失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严重后果．一台功率为10W的氩激光器，能发出波长的激光，用它“点焊”视网膜，每次“点焊”需要的能量，求：
（1）每次“点焊”视网膜的时间．
（2）在这段时间内发出的激光光子的数量．
11．光具有波粒二象性，光子的能量为，其中频率表征波的特性．在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量与光波波长的关系为．若某激光管以的功率发射波长的光束．求：
（1）该管在内发射出多少个光子？
（2）若光束全部被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到的光束对它的作用力为多大？
12．生活中很多地方杀毒都用到紫外线，紫外线的波长范围大致是100nm﹣400nm
．
100nm、400nm电磁波辐射的能量子ε的值是多少？
13．有一真空中波长为6×10﹣7m的单色光，普朗克常量为6.63×10﹣34J?s求此:
(1)单色光的频率；
(2)单色光的的1个光子的能量．
14．已知小灯泡的功率，设小灯泡发光时向四周均匀辐射平均波长的光，求在距离灯泡处，每秒钟落在垂直于光线方向上面积为处的光子数是多少？（已知，计算结果保留两位有效数字）
15．一定功率的小灯泡发出的光向四周均匀辐射，平均波长为，在距离d处，每秒种落在垂直于光线方向、面积为S的球面上的光子数为N，普朗克常量为h，小灯泡的发光频率为多大？
16．阅读如下资料并回答问题：
自然界中的物体由于具有一定的温度，会不断向外辐射电磁波，这种辐射与温度有关，因此被称为热辐射．热辐射具有如下特点：①辐射的能量中包含各种波长的电磁波；②物体温度越高，单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大；③在辐射的总能量中，各种波长所占的百分比不同。
处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其他物体辐射的电磁能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变．若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能100%地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体．单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即P0＝σT4，其中常量σ＝5．67×10－8
W/（m2·K4）．
在下面的问题中，把研究对象都简单地看成黑体。
有关数据及数学公式：太阳半径RS＝6．96×105
km，太阳表面温度T＝5
770
K，火星半径r＝3
395
km，球面积S＝4πR2，其中R为球的半径。
（1）太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为2×10－7～1×10－5
m范围内，求相应的频率范围；
（2）每小时从太阳表面辐射的总能量为多少？
（3）火星受到来自太阳的辐射可以认为垂直射到面积为πr2（r为火星半径）的圆盘上，已知太阳到火星的距离约为太阳半径的400倍，忽略其他天体及宇宙空间的辐射，试估算火星的平均温度。
17．一种红宝石激光器发射的激光是不连续的一道道闪光，每道闪光称为一个光脉冲，若这种激光器光脉冲的持续时间为1.0×10－11
s，波长为694.3
nm，发射功率为1.0×1010
W。
(1)每列光脉冲的长度是多少？
(2)用红宝石激光照射皮肤色斑，每1
cm2吸收能量达到60
J以后，色斑便逐渐消失，一颗色斑的面积是50
mm2，则它需要吸收多少个红宝石激光脉冲才能逐渐消失？
18．在巴耳末系中波长最长的光子能量约为多少？
19．（1）功率为P的光源向四周发出光子，光速为c，光波的波长为，普朗克常量为h，求每秒发出的光子数．
（2）在离光源d处有一挡板挡光，设挡板对光是完全吸收的，且挡板正对光源，求光子在挡板上产生的压强．
20．太阳的辐射功率（太阳每秒辐射的能量）为，已知射到大气层的太阳能只有45%到达地面，另有55%被大气层吸收和反射，而未到达地面．若射到地球上的太阳光可视为垂直于地球表面，把太阳光看成是频率为的单色光，求地球表面上的面积每秒接收到多少个光子？已知太阳到地球的距离为．（最后结果保留两位有效数字）
参考答案
1．正确
2．错误
3．36℃，2.12×10
-
22J
4．见解析
5．（1）个
（2）
6．（1）①；②T火=；（2）①2P1，3P1，NP1；②见解析
7．（1）3×1013Hz～1.5×1015Hz；（2）；（3）W
8．（1）；
240m（2）见解析
9．不对
10．（1）
（2）个
11．（1）个（2）
12．100nm、400nm电磁波辐射的能量子ε的值分别是19.9X10-17J和4.98X10-17J
13．(1)f=5×1014Hz
(2)
E=3.3×10﹣19J
14．个
15．
16．（1）3×1013～1．5×1015
Hz
（2）1．38×1030J
（3）204
K
17．(1)3.0×10－3
m　(2)300个
18．
19．（1）
（2）
20．个