高中物理选修3-5人教版单元素养检测第十七章波粒二象性

单元素养检测(二)(第十七章)(90分钟100分)一、选择题(本大题共12小题，每小题5分，共60分。其中1～6题为单选，7～12题为多选)1.在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ=6.4×10-7m，每个激光脉冲的能量E=1.5×102J。则每个脉冲中的光子数目为(已知普朗克常量h=6.63×1034J·s，光速c=3×108A.5×1015 B.5×1016C.5×1017 D.5×1018【解析】选B。每个光子的能量为E0=hν=hQUOTE，每个激光脉冲的能量为E，所以每个脉冲中的光子个数为：N=QUOTE，联立且代入数据解得：N=5×1016个。2.如表给出了一些金属材料的逸出功。材料铯钙镁铍钛逸出功(1019J)3.04.35.96.26.6现用波长为400nm的单色光照射上述材料，能产生光电效应的材料最多有(普朗克常量h=6.63×1034J·s，光速c=3.0×108A.2种 B.3种C.4种 D.5种【解析】选A。当单色光的频率大于金属的极限频率时便能产生光电效应，即照射光子的能量大于金属的逸出功。由ε=hν及c=λν得，ε=hQUOTE=6.63×1034×QUOTEJ=4.97×1019J。照射光光子的能量大于铯、钙的逸出功，能产生光电效应的材料有2种，故A项正确。3.在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m=1.67×10-27kg，可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10A.1017J B.1019JC.1021J D.1024J【解析】选C。德布罗意波理论中子动量p=QUOTE，中子动能Ek=QUOTE=QUOTE，代入数据可估算出数量级1021J。4.某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图所示。表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料()材料钠铜铂极限波长(nm)541268196A.仅钠能产生光电子B.仅钠、铜能产生光电子C.仅铜、铂能产生光电子D.都能产生光电子【解析】选D。光源发出的光中都含有比极限波长更短的光，所以都能产生光电效应，故选项D正确，选项A、B、C错误。5.(2020·桂林高二检测)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是 ()A.若νa>νb，则一定有Ua<UbB.若νa>νb，则一定有Eka>EkbC.若Ua<Ub，则一定有Eka>EkbD.若νa>νb，则一定有hνaEka>hνbEkb【解析】选B。由爱因斯坦光电效应方程hν=Ekm+W0，由动能定理可得Ekm=eU，故当νa>νb时，Ua>Ub，Eka>Ekb，故A错误，B正确；若Ua<Ub，则一定有Eka<Ekb，故C错误；由光电效应方程可得：金属的逸出功W0=hνaEka=hνbEkb，故D错误。6.光子有能量，也有动量p=QUOTE，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)的下列说法中正确的是 ()A.顺时针方向转动 B.逆时针方向转动C.都有可能 D.不会转动【解析】选B。本题考查光子的动量，光照射到黑纸片上被吸收，照射到白纸片上被反射，因此白纸片受到的冲量大，装置逆时针转动，故正确选项为B。7.(2020·衡水高二检测)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2mA。移动滑动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.7V时，电流表读数为0。则()A.光电管阴极的逸出功为1.8eVB.开关K断开后，没有电流流过电流表GC.光电子的最大初动能为0.7eVD.改用光子能量为1.5eV的光照射，电流表G也有电流，但电流较小【解析】选A、C。题图所示装置所加的电压为反向电压，当电压表的示数大于或等于0.7V时，电流表示数为0，则知光电子的最大初动能为0.7eV，根据光电效应方程Ek=hνW0，得逸出功W0=1.8eV，故A、C正确；用光子能量为2.5eV的光照射到光电管上时，发生了光电效应，有光电子逸出，则当开关K断开后，有电流流过电流表，故B错误；改用光子能量为1.5eV的光照射，由于光子的能量小于逸出功，不能发生光电效应，无光电流，D错误。【补偿训练】以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子光电效应，这已被实验证实。光电效应实验装置示意如图：用频率为ν的普通光源照射阴极K，没有发生光电效应。换用同样频率ν的强激光照射阴极K，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极K接电源正极，阳极A接电源负极，在KA之间就形成了使光电子减速的电场。逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量)()A.U=QUOTEQUOTE B.U=QUOTEQUOTEC.U=2hνW D.U=QUOTEQUOTE【解析】选B。由题意可知一个电子吸收多个光子仍然遵守光电效应方程，设电子吸收了n个光子，则逸出的光电子的最大初动能为Ek=nhνW(n=2，3，4…)，逸出的光电子在遏止电压下运动时应有Ek=eU，由以上两式联立得U=QUOTE，若取n=2，则B正确。8.1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广，成功地解释了光电效应现象，提出了光子说。在给出的与光电效应有关的四个图象中，下列说法正确的是 ()A.图1中，当紫外线照射锌板时，发现验电器指针发生了偏转，说明锌板带正电，验电器带负电B.图2中，从光电流与电压的关系图象中可以看出，电压相同时，光照越强，光电流越大，说明遏止电压和光的强度有关C.图3中，若电子电荷量用e表示，ν1、ν2、U1已知，由Ucν图象可求得普朗克常量的表达式为h=QUOTED.图4中，由光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象可知，该金属的逸出功为E或hν0【解析】选C、D。当紫外线照射锌板时，发现验电器指针发生了偏转，仅仅能说明验电器带电；发生光电效应后锌板带正电，所以验电器也带正电，故A错误；图2中，从光电流与电压的关系图象中可以看出，电压相同时，光照越强，光电流越大，说明饱和光电流与光的强度有关，不能说明遏止电压和光的强度有关，故B错误；根据Ekm=hνW0=eUc，计算得出Uc=QUOTEQUOTE，图线的斜率k=QUOTE=QUOTE，则h=QUOTE，所以C选项是正确的；根据光电效应方程Ek=hνW0，当ν=0时，Ek=W0，由图象知纵轴截距E，所以W0=E，即该金属的逸出功为E；图线与ν轴交点的横坐标是ν0，该金属的逸出功hν0，所以D选项是正确的。9.下列对光电效应的解释正确的是 ()A.金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子，当它积累的能量足够大时，就能逸出金属B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应C.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大D.由于不同金属的逸出功是不同的，因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同【解析】选B、D。按照爱因斯坦的光子说，光的能量是由光的频率决定的，与光强无关。入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大，C错误。要使电子离开金属，须使电子具有足够的动能，而电子增加的动能来源于照射光光子的能量，金属内的电子吸收一个光子，获取能量，若足够时，就会逸出，电子不能吸收多个光子、积累能量，A错误。10.在光的双缝干涉实验中，在光屏上放上照相底片并设法减弱光子流的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，在曝光时间不长和曝光时间足够长的两种情况下，其实验结果是()A.若曝光时间不长，则底片上出现一些无规则的点B.若曝光时间足够长，则底片上出现干涉条纹C.这一实验结果证明了光具有波动性D.这一实验结果否定了光具有粒子性【解析】选A、B、C。实验表明，大量光子的行为表现为波动性，个别或少数光子行为表现为粒子性。上述实验表明光具有波粒二象性，故A、B、C正确。11.实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示。表中列出了几种金属的截止频率和逸出功，参照表可以确定的是()金属种类钨钙钠截止频率ν0/1014Hz10.957.735.53逸出功W0/eV4.543.202.29A.如用金属钨做实验得到的Ekν图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大B.如用金属钠做实验得到的Ekν图线也是一条直线，其斜率与图中直线的斜率相等C.如用金属钠做实验得到的Ekν图线也是一条直线，设其延长线与纵轴交点的坐标为(0，Ek2)，则Ek2<Ek1D.如用金属钨做实验，当入射光的频率ν<ν1时，可能有光电子逸出【解析】选B、C。由光电效应方程Ek=hνW0，可知Ekν图线是直线，且斜率为h，是定值，故A错误，B正确；结合表中所列的截止频率和逸出功数据分析可知C项正确，D项错误。【补偿训练】爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率，从图中可以确定的是()A.逸出功与ν有关B.Ekm与入射光强度成正比C.当ν<ν0时，会逸出光电子D.图中直线的斜率与普朗克常量有关【解析】选D。由爱因斯坦光电效应方程Ek=hνW0和W0=hν0(W0为金属的逸出功)可得，Ek=hνhν0，可见图象的斜率表示普朗克常量，D正确；只有ν≥ν0时才会发生光电效应，C错；金属的逸出功只和金属的极限频率有关，与入射光的频率无关，A错；最大初动能取决于入射光的频率，而与入射光的强度无关，B错。12.如图甲所示，在光电效应实验中，某同学用相同频率的单色光，分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管，结果都能发生光电效应。图乙为其中一个光电管的遏止电压Uc随入射光频率ν变化的函数关系图象。对于这两个光电管，下列判断正确的是()A.因为材料不同，逸出功不同，所以遏止电压Uc不同B.光电子的最大初动能不同C.因为光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，饱和光电流也可能相同D.两个光电管的Ucν图象的斜率可能不同【解析】选A、B、C。根据光电效应方程Ek=hνW0和eUc=Ek得出，相同频率，不同逸出功，则遏止电压也不同，故A项正确。根据光电效应方程Ek=hνW0得出，相同的频率，不同的逸出功，则光电子的最大初动能也不同，故B项正确。虽然光的频率相同，但光强不确定，所以单位时间逸出的光电子数可能相同，而饱和光电流也可能相同，故C项正确。由于Uc=QUOTEQUOTE，图线的斜率等于QUOTE，两个光电管的Ucν图象的斜率一定相同，故D项错误。综上所述，本题正确答案为A、B、C。【补偿训练】紫外线光子的动量为QUOTE，一个静止的O3吸收了一个紫外线光子后()A.仍然静止B.沿着光子原来运动的方向运动C.沿光子运动相反方向运动D.可能向任何方向运动【解析】选B。由动量守恒定律知，吸收了紫外线光子的O3分子与光子原来运动方向相同，故正确选项为B。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)光电效应实验中，用波长为λ0的单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出。当波长为QUOTE的单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为多少？A、B两种光子的动量之比又为多少？(已知普朗克常量为h、光速为c)【解析】逸出功W0=hνc=QUOTE， (2分)根据爱因斯坦光电效应方程Ekm=hνW0=QUOTEQUOTE=QUOTE， (2分)再由p=QUOTE， (2分)可得QUOTE=QUOTE=QUOTE。 (2分)答案：QUOTE1∶2【补偿训练】某光电管的阴极是用金属钾制成的，它的逸出功为2.21eV，用波长为2.5×10-7m的紫外线照射阴极，已知真空中光速为3.0×108m/s，元电荷的带电量为1.6×10-19C，普朗克常量为6.63×10【解析】W=hν0ν0=QUOTE≈QUOTEHz=5.3×1014Hz由光电效应方程得Ekm=hνW=hQUOTEW=(6.63×1034×QUOTE)J(2.21×1.6×1019)J=4.4×1019J。答案：5.3×1014Hz4.4×1019J14.(10分)如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用波长λ=0.50μm的绿光照射阴极K，实验测得流过Ⓖ表的电流I与AK之间的电势差UAK满足如图乙所示规律，取h=6.63×1034J·s。结合图象，求：(结果保留两位有效数字)(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大动能。(2)该阴极材料的极限波长。【解析】(1)光电流达到饱和时，阴极发射的光电子全部到达阳极A，阴极每秒钟发射的光电子的个数n=QUOTE=QUOTE个=4.0×1012个 (3分)光电子的最大初动能为：Ekm=eU0=1.6×10-19C×0.6V=9.6×1020(2)设阴极材料的极限波长为λ0，根据爱因斯坦光电效应方程：Ekm=hQUOTEhQUOTE， (3分)代入数据得λ0=0.66μm。 (2分)答案：(1)4.0×1012个9.6×1020J(2)0.66μm15.(10分)历史上美国宇航局曾经完成了用“深度撞击”号探测器释放的撞击器“击中”坦普尔1号彗星的实验。如图所示，探测器上所携带的重达370kg的彗星“撞击器”将以1.0×104m/s的速度径直撞向彗星的彗核部分，撞击彗星后“撞击器”熔化消失，这次撞击使该彗星自身的运行速度出现1.0×10-7m/s的改变。已知普朗克常量h=6.6×1034J·(1)撞击前彗星“撞击器”对应物质波波长。(2)根据题中相关信息数据估算出彗星的质量。【解析】(1)撞击前彗星“撞击器”的动量p=mv=3.7×106kg物质波的波长λ=QUOTE≈1.8×1040m (3分)(2)撞击过程中，由动量守恒定律得mv=MΔv (3分)解得M=3.7×1013kg(2分)答案：(1)1.8×10-40m(2)3.7×16.(12分)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5×1013J，光速c=3×108(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，【解析】(1)设每秒到达感光胶片的光能量为E0，对于λ=500nm的光子能量为E=hQUOTE ①(2分)因此每秒到达感光胶片的光子数为n=QUOTE ②(2分)光子是