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1、第十七章 波粒二象性 (90分钟100分)一、选择题(本大题共12小题,每小题5分,共60分。多选题已在题号后标出)1.关于黑体辐射的强度与波长的关系,如图所示正确的是()【解析】选B。根据黑体辐射的实验规律:随温度升高,各种波长的辐射强度都有增加,故图线不会有交点,选项C、D错误。另一方面,辐射强度的极大值会向波长较短方向移动,选项A错误,选项B正确。2.爱因斯坦由光电效应的实验规律,猜测光具有粒子性,从而提出光子说,从科学研究的方法来说,这属于()A.等效替代 B.控制变量C.科学假说 D.数学归纳【解析】选C。为了解释光电效应的实验规律,由于当时没有现成的理论,爱因斯坦就提出了“光子说”
2、来解释光电效应的规律,并取得成功。从科学研究的方法来说,这属于科学假说。C正确,A、B、D错误。3.关于热辐射,下列说法中正确的是()A.一般物体的热辐射强度只与物体的温度有关B.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,所以黑体一定是黑的C.一定温度下,黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值D.温度升高时,黑体辐射强度的极大值向波长增大的方向移动【解析】选C。一般物体的热辐射强度除与温度有关之外,还与材料、表面状况有关,A错误;黑体可以辐射可见光,不一定是黑的,B错误;由黑体辐射的实验规律知,C正确,D错误。4.(2015潍坊高二检测)在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连,用弧光
3、灯照射锌板时,验电器的指针就张开了一个角度,如图所示,这时()A.锌板带正电,指针带负电B.锌板带正电,指针带正电C.锌板带负电,指针带正电D.锌板带负电,指针带负电【解析】选B。弧光灯照射锌板发生光电效应,锌板上有电子逸出,锌板带正电,验电器指针也带正电,故B正确。5.(多选)用很弱的光做双缝干涉实验,把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间只能同时有两个光子,比较不同曝光时间摄得的照片,发现曝光时间不长的情况下,照片上是一些散乱的无规则分布的亮点,若曝光时间较长,照片上亮点分布区域呈现不均匀迹象;若曝光时间足够长,照片上获得清晰的双缝干涉条纹,这个实验说明了()A.光具有粒子性B.光具有波
4、动性C.光既具有粒子性,又具有波动性D.光的波动性不是光子之间的相互作用引起的【解析】选C、D。少量光子通过双缝后,照片上呈现不规则分布亮点,显示了光的粒子性;大量光子通过双缝后照片上获得了双缝干涉条纹,说明光具有波动性;光子先后依次通过双缝,说明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的,故正确答案是C、D。6.(多选)下列关于微观粒子波粒二象性的认识,正确的是()A.因实物粒子具有波动性,故其轨迹是波浪线B.由概率波的知识可知,因微观粒子落在哪个位置不能确定,所以粒子没有确定的轨迹C.由概率波的知识可知,因微观粒子落在哪个位置不能确定,再由不确定性关系知粒子动量将完全确定D.大量光子表现出波动
5、性,此时光子仍具有粒子性【解析】选B、D。实物粒子的波动性指实物粒子是概率波,与经典的波不同,选项A错误;微观粒子落点位置不能确定,与经典粒子有确定轨迹不同,选项B正确;单缝衍射中,微观粒子通过狭缝,其位置的不确定量等于缝宽,其动量也有一定的不确定量,选项C错误;波动性和粒子性是微观粒子的固有特性,无论何时二者都同时存在,选项D正确。7.(多选)用两束频率相同、强度不同的紫外线分别照射两种相同金属的表面,均能产生光电效应,那么()A.两束光的光子能量相同B.两种情况下单位时间内逸出的光电子个数相同C.两种情况下逸出的光电子的最大初动能相同D.两种情况下逸出的光电子的最大初动能不同【解析】选A、
6、C。由=h和Ek=h-W0知两束光的光子能量相同,照射金属得到的光电子最大初动能相同,故A、C对,D错;由于两束光强度不同,逸出光电子个数不同,故B错。8.下列关于光的波粒二象性的理解,正确的是()A.大量的光子中有些光子表现出波动性,有些光子表现出粒子性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.波粒二象性是光的属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著【解析】选D。光的波粒二象性是光的属性,不论其频率的高低还是光在传播或者是与物质相互作用,光都具有波粒二象性,大量光子的行为易呈现出波动性,少量光子的行为易表现出粒子性,光的频率越高,粒子性越强,光的频
7、率越低,波动性越强,故A、B、C错误,D项正确。9.(多选)产生光电效应时,关于逸出光电子的最大初动能Ek,下列说法正确的是()A.对于同种金属,Ek与照射光的强度无关B.对于同种金属,Ek与照射光的波长成反比C.对于同种金属,Ek与光照射的时间成正比D.对于同种金属,Ek与照射光的频率成线性关系E.对于不同种金属,若照射光频率不变,Ek与金属的逸出功成线性关系【解析】选A、D、E。由爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0可知,Ek与照射光的强度无关,选项A正确;Ek与照射光的频率成线性关系,与波长不是成反比的关系,选项B错误、D正确;由于电子一次性吸收光子的全部能量,Ek与照射光的时间无关,选项
8、C错误;对于不同金属,若照射光的频率不变,由光电效应方程可知,Ek与金属的逸出功成线性关系,选项E正确。10.关于物质波,下列说法正确的是()A.速度相等的电子和质子,电子的波长长B.动能相等的电子和质子,电子的波长短C.动量相等的电子和中子,中子的波长短D.甲电子速度是乙电子的3倍,甲电子的波长也是乙电子的3倍【解析】选A。由=可知,动量大的波长短。电子与质子的速度相等时,电子动量小,波长长。电子与质子动能相等时,由动量与动能的关系式p=可知,电子的动量小,波长长。动量相等的电子和中子,其波长应相等。如果甲、乙两电子的速度远小于光速,甲的速度是乙的三倍,甲的动量也是乙的三倍,则甲的波长应是乙
9、的。11.一个质量为m、电荷量为q的带电粒子,由静止开始经加速电场加速后(加速电压为U),该粒子的德布罗意波长为()A. B. C. D.【解析】选C。设加速后的速度为v,由动能定理得:qU=mv2所以v=由德布罗意波长公式:=。12.(多选)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图像,由图像可知()A.该金属的逸出功等于EB.该金属的逸出功等于h0C.入射光的频率为20时,产生的光电子的最大初动能为3ED.入射光的频率为时,产生的光电子的最大初动能为【解析】选A、B。根据光电效应方程有Ek=h-W0,其中W0=h0为金属的逸出功。所以有Ek=h-h0,由此结合
10、图像可知,该金属的逸出功为E,或者W0=h0,当入射光的频率为20时,代入方程可知产生的光电子的最大初动能为E,故A、B正确,C错误;若入射光的频率为时,小于极限频率,不能发生光电效应,故D错误。【总结提升】光电效应问题的解答技巧(1)在理解的基础上熟练记住光电效应规律,光电效应实验规律可理解记忆为:“放(出光电子)不放,看光限(入射光最低频率);放多少(光电子),看光强;(光电子的)最大初动能(大小),看(入射光的)频率;要放瞬时放”。(2)光电子的最大初动能mev2,与入射光频率成一次函数关系,不是成正比。(3)光电流的饱和值跟入射光的强度成正比,这是因为在发生光电效应时,吸收一个光子产生
11、一个光电子,光电子的个数决定了光电流强度,而光电子个数取决于入射光强度,我们容易推得,光电流的饱和值跟入射光的强度成正比。二、计算题(本大题共4小题,共40分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)13.(8分)已知:功率为100W灯泡消耗的电能的5%转化为所发出的可见光的能量,光速c=3.0108m/s,普朗克常量h=6.6310-34Js,假定所发出的可见光的波长都是560nm,计算灯泡每秒内发出的光子数。【解析】波长为的光子能量为:E=, (2分)设灯泡每秒内发出的光子数为n,灯泡电功率为P,则n=, (3分)式中,k=5%是灯泡的发光效率。得:光子数n=, (1分)代入
12、题给数据得:n=1.41019(个)。 (2分)答案:1.41019个14.(8分)原子核的半径为10-15m,估计核内质子的动量不确定范围。如果电子被限制在核内,其动量不确定范围又是多少?【解析】设质子的位置不确定范围等于原子核的直径,即x=210-15m,(3分)由不确定关系公式xp,得p=2.610-20kgm/s。 (2分)同理,电子被限制在核内,动量的不确定范围与质子一样,为:p2.610-20kgm/s。 (3分)答案:大于或等于2.610-20kgm/s大于或等于2.610-20kgm/s15.(12分)光具有波粒二象性,光子的能量h,其中频率表征波的特性。在爱因斯坦提出光子说之
13、后,法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长的关系为p=。若某激光管以P=60 W的功率发射波长=6.6310-7m的光束,试根据上述理论计算:(1)该管在1 s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F为多大?【解析】(1)设在时间t内发射出的光子数为n,光子频率为,每个光子的能量为h,则Pt=nh, (2分)又=,则Pt=, (2分)将t=1 s代入上式,得n=21020个 (1分)(2)在时间t内激光管发射出的光子全部被黑体表面吸收,光子的末态总动量变为0, (1分)根据题中信息可知,n个光子的初态总动量为p0=np=n, (2分)根据动量定理可知Ft=0-(-p0), (2分)黑体表面对光子的作用力为F。根据牛顿第三定律,光子对黑体表面的作用力为2.010-7N。 (2分)答案:(1)21020个(2)2.010-7N16.(12分)如图所示,相距为d的两平行金属板A、B足够大,板间电压恒为U,有一波长为的细激光束照射到B板中央,使B板发生光电效应,已知普朗克常量为h,金属板B的逸出功为W,电子质量为m,电荷量为e。求:(1)从B板运动到A板所需时间最短的光电子,到达A板时的动能。(2)光电子从B板运动到A板时所需的最长时间。【解析】(1)根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W,
