《第四篇 微观和宇观世界》试卷及答案-高中物理高二第二学期-沪科版-2024-2025学年

《第四篇微观和宇观世界》试卷(答案在后面)一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、下列关于原子的说法，错误的是:A.原子是由质子和中子组成的B.原子的核是由电子组成的C.原子核的质量几乎集中在质子和中子中D.原子中的电子围绕原子核运动2、下列关于光子的说法，正确的是:A.光子具有质量，且速度有限B.光子在传播过程中，会发生加速度C.光子同时具有波和粒子的性质D.光子只能以直线传播3、在量子力学中，下列哪个概念描述了电子在原子核外的运动状态？A.波函数B.能量量子化C.玻尔模型D.电子云4、以下哪个现象表明了光具有粒子性？A.光的干涉B.光的衍射C.光的偏振D.光电效应5.关于原子结构，以下说法正确的是：A.原子由质子和中子组成，电子位于质子和中子之间B.电子的发现揭示了原子具有复杂结构C.原子的半径主要由电子层数决定，与电子数无关D.所有原子的原子序数等于其原子核内质子数6.关于量子力学的基本原理，以下说法正确的是：A.波粒二象性意味着微观粒子既具有波动性也具有粒子性B.海森堡不确定性原理表明我们不能同时精确测量粒子的位置和动量C.薛定谔方程是描述微观粒子运动的唯一基本方程D.量子纠缠现象表明量子系统之间存在着超距作用7、物体在受到力作用后运动状态发生变化，下列说法中不正确的是（）A.物体一定是加速运动B.物体的速度、方向、动量都可能发生变化C.物体的速度一定改变D.物体可能保持静止二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1.（4分）以下哪些现象是量子力学预测的结果？A.超导现象B.光的干涉现象C.原子的发光现象D.量子隧穿效应2.（4分）量子力学的哪些基本原理或概念对现代科技产生了重大影响？A.波粒二象性B.海森堡不确定性原理C.量子纠缠D.量子隧穿效应3、下列哪个实验装置可以用来观察原子的直径？（）A、光学显微镜B、电子显微镜C、扫描隧道显微镜D、X射线晶体衍射仪三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题某学生用直流电源和变阻器搭建了电路，利用万用表测量了不同电阻位置时通过变阻器的电流与电路电压之间的关系，实验数据如下表：电压(伏特)U电流(安培)I2.00.54.01.06.01.58.02.0将实验数据绘入直角坐标系中，并标出图象的对应单位。(2)根据实验结果，求电路中的电阻值。第二题题目：已知氢原子能级的具体值分别为−216J、−270J、第三题题目：在真空中，一个质量为m的物体以初速度v₀作匀加速直线运动，加速度为a。求：1.第t秒末的速度大小；2.前t秒内的位移大小。第四题假设性题目内容：请解释量子力学的基本原理，并说明波函数在量子力学中的作用。第五题（10分）已知一个光源发出频率为6.0×1014Hz的光，其光在真空中传播的速度为3.0×108m/s。请计算：（1）该光的波长；（2）该光在水中(折射率n=1.33)中传播的速度；《第四篇微观和宇观世界》试卷及答案一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、下列关于原子的说法，错误的是:A.原子是由质子和中子组成的B.原子的核是由电子组成的C.原子核的质量几乎集中在质子和中子中D.原子中的电子围绕原子核运动答案：B解析：原子核是由质子和中子组成的，而电子围绕原子核运动。2、下列关于光子的说法，正确的是:A.光子具有质量，且速度有限B.光子在传播过程中，会发生加速度C.光子同时具有波和粒子的性质D.光子只能以直线传播答案：C解析：光子同时具有波和粒子的性质，这是量子力学的核心理念之一。3、在量子力学中，下列哪个概念描述了电子在原子核外的运动状态？A.波函数B.能量量子化C.玻尔模型D.电子云答案：A解析：波函数是量子力学中描述粒子在空间和时间上运动状态的数学函数，它包含了粒子位置和动量的所有可能信息。能量量子化描述了原子能级的离散性，玻尔模型是一个早期的原子模型，而电子云则是描述电子在原子核外空间分布的概率分布。因此，正确答案是A。4、以下哪个现象表明了光具有粒子性？A.光的干涉B.光的衍射C.光的偏振D.光电效应答案：D解析：光电效应是指当光照射到金属表面时，能够使金属表面释放出电子的现象。这一现象只能用光的粒子性来解释，即光子具有能量，当光子的能量足够高时，可以克服金属表面电子的束缚能，使电子逸出。因此，正确答案是D。5.关于原子结构，以下说法正确的是：A.原子由质子和中子组成，电子位于质子和中子之间B.电子的发现揭示了原子具有复杂结构C.原子的半径主要由电子层数决定，与电子数无关D.所有原子的原子序数等于其原子核内质子数答案：D解析：A选项错误，因为电子是围绕原子核运动的最外层电子，它并不位于质子和中子之间。B选项正确，电子的发现确实揭示了原子内部结构的复杂性，即原子并非最简单的正电荷球体。C选项错误，原子的半径不仅由电子层数决定，还与电子数有关，因为电子云的收缩或扩张会影响原子半径的大小。D选项正确，原子序数定义了原子核内质子的数量，这是原子的基本属性之一。6.关于量子力学的基本原理，以下说法正确的是：A.波粒二象性意味着微观粒子既具有波动性也具有粒子性B.海森堡不确定性原理表明我们不能同时精确测量粒子的位置和动量C.薛定谔方程是描述微观粒子运动的唯一基本方程D.量子纠缠现象表明量子系统之间存在着超距作用答案：A解析：A选项正确，波粒二象性是量子力学的一个核心概念，指的是微观粒子如电子既表现出波动性（如干涉和衍射现象），又表现出粒子性（如光电效应）。B选项正确，海森堡不确定性原理是量子力学的基石之一，由海森堡提出，表明粒子的位置和动量的测量存在一个下限，即我们不能同时精确知道这两个物理量。C选项错误，虽然薛定谔方程是量子力学的基本方程之一，但它并不是唯一的。其他量子力学方程，如泡利不相容原理和能量守恒定律，也是描述微观粒子运动的重要方程。D选项错误，量子纠缠现象是量子信息科学中的一个重要现象，但它并不表明量子系统之间存在超距作用。根据爱因斯坦、罗森和罗顿的论证，量子纠缠并不意味着超光速通信，而是表明量子系统的测量结果相关联，这种关联是瞬时的，但不是通过传统的物理介质实现的。7、物体在受到力作用后运动状态发生变化，下列说法中不正确的是（）A.物体一定是加速运动B.物体的速度、方向、动量都可能发生变化C.物体的速度一定改变D.物体可能保持静止答案：C解析：受到力作用后，物体的运动状态可能保持静止。例如，受到大小相等方向相反的两个力的作用，物体的合外力为零，则物体仍然保持静止。二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1.（4分）以下哪些现象是量子力学预测的结果？A.超导现象B.光的干涉现象C.原子的发光现象D.量子隧穿效应答案：AD解析：A选项：超导现象是指某些材料在极低温下电阻突然降至零的现象，这是由量子力学中的配对机制预测的。B选项：光的干涉现象是波动现象，属于经典光学范畴，不是量子力学预测的结果。C选项：原子的发光现象主要是原子内部电子能级变化的结果，虽然涉及到量子力学，但不是其直接预测的结果。D选项：量子隧穿效应是指粒子在没有足够能量时，通过量子概率波动穿越势垒的现象，是量子力学预测的结果。2.（4分）量子力学的哪些基本原理或概念对现代科技产生了重大影响？A.波粒二象性B.海森堡不确定性原理C.量子纠缠D.量子隧穿效应答案：ABC解析：A选项：波粒二象性是指微观粒子既具有波动性又具有粒子性的现象，这是量子力学的基本原理之一，对半导体技术、激光技术等现代科技产生了重大影响。B选项：海森堡不确定性原理指出粒子的位置和动量不能同时被精确测量，这对量子力学的解释和应用有重要影响，如量子计算机的研究。C选项：量子纠缠是指两个或多个粒子之间存在一种强关联，使得一个粒子的状态可以即时影响到另一个粒子的状态，这是量子通信和量子计算的关键概念。D选项：量子隧穿效应已经在第1题中解释过，是量子力学预测的结果，对现代科技如半导体技术、核能开发等有重要影响。3、下列哪个实验装置可以用来观察原子的直径？（）A、光学显微镜B、电子显微镜C、扫描隧道显微镜D、X射线晶体衍射仪答案：B解析：光学显微镜的分辨率有限，无法直接观察到原子尺度。电子显微镜，尤其是扫描透射电子显微镜（STEM），具有极高的分辨率，可以用来观察原子级的结构。扫描隧道显微镜（STM）主要用于研究表面纳米尺度下的结构，其原理与电子显微镜不同。X射线晶体衍射仪主要用于研究物质的晶体结构，不用于直接观察原子的直径。因此，正确答案是电子显微镜。三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题某学生用直流电源和变阻器搭建了电路，利用万用表测量了不同电阻位置时通过变阻器的电流与电路电压之间的关系，实验数据如下表：电压(伏特)U电流(安培)I2.00.54.01.06.01.58.02.0将实验数据绘入直角坐标系中，并标出图象的对应单位。(2)根据实验结果，求电路中的电阻值。答案：将实验数据绘入直角坐标系中，横坐标为电压U，纵坐标为电流I，即可绘制出I-U图象。图象应该为一条直线，斜率为电阻值。根据公式I=U/R，可以计算电路中的电阻值:R=U/I=2.0V/0.5A=4Ω.解析：本题考察学生掌握电阻与电流、电压的关系，并能进行实验数据分析和图形绘制的能力。通过绘制I-U图象，可以直观地观察电流和电压的关系，并根据图象的倾斜程度判断电阻的大小。通过公式I=U/R，可以根据任意一组数据计算出电路中的电阻值。由于实验数据呈线性关系，因此所得电阻值应一致。第二题题目：已知氢原子能级的具体值分别为−216J、−270J、答案与解析：为了求解这个问题，我们需要了解几个关键点：1.原子的不同能级之间，当电子从一个高能量级跃迁到低能量级时，会以光的形式释放能量。光所具有的能量与发射和吸收频率之间的关系可以用普朗克方程来表达，即E=hν其中E是光子的能量，ν2.氢原子在不同的能级之间跃迁时，发射光子的频率也取决于能量差。激发态能级Eexcited与基态能级E解题步骤：1.确定基态的能量值。氢原子基态通常设定为能级n=1的能级，因此假定基态的能量Eground2.假设氢原子是从能级nf向基态ni=3.需要列出所有可能的跃迁路径，即列出所有可能的nf从能级270J向基态跃迁时，释放的能量差270从能级324J向基态跃迁时，释放的能量差324依此类推，计算所有可能的跃迁路径。4.从所有可能跃迁路径中挑选能量差等于跃迁所需能量差的那个。这个能量差需要对应一个特定频率的光，根据普朗克方程E=hν假设最后选出的一个能量差为某个已知常数值，记为ΔE，那么光频率ν为确保结果的准确性，还需核对题目所提供的光学系统信息（如所用滤光片仅允许可见光通过，滤光片对特定波长光的透光特性等），结合氢原子可能的跃迁能级，合理推断服用滤光片筛选出观察到的特定光线的物理过程。总而言之，解题的关键是将氢原子能级间跃迁的相关理论应用于题干描述的光学现象中。对于一些特定能级差的计算尤其要注意能量差的正负问题，从而确保跃迁前后能量守恒，准确地求解光子的频率。第三题题目：在真空中，一个质量为m的物体以初速度v₀作匀加速直线运动，加速度为a。求：1.第t秒末的速度大小；2.前t秒内的位移大小。答案：1.根据匀变速直线运动的速度公式，第t秒末的速度大小为：v2.根据匀变速直线运动的位移公式，前t秒内的位移大小为：s解析：1.由于是匀加速直线运动，物体的速度随时间均匀增加。根据匀变速直线运动的速度公式，第t秒末的速度等于初速度加上加速度乘以时间。因此，第t秒末的速度大小为v=2.同样地，根据匀变速直线运动的位移公式，前t秒内的位移是初速度对时间的积分。由于加速度是恒定的，这个积分可以直接计算，得到前t秒内的位移大小为12第四题假设性题目内容：请解释量子力学的基本原理，并说明波函数在量子力学中的作用。答案：量子力学是研究物质中微粒运动和相互作用的基本理论，它与经典物理学在基本原理上有着根本的差异。量子力学的核心概念之一是波粒二象性，即物质微观粒子在某些实验中展现出波动性质，而在其他实验中则表现出粒子性质。海森堡的测不准原理指出，不可能同时精确测量粒子的位置和动量，除非我们接受信息的丢失。这一原理的数学表示为位置和动量坐标的共轭变量乘积的期待值有一个下界。在量子力学中，波函数是描述系统状态的函数，它在薛定谔方程中扮演关键角色，该方程是量子力学的基本方程。波函数的模平方给出粒子在某一点的概率密度，即找到粒子的概率。测量过程中波函数的坍缩是指在测量后波函数会迅速改变其相位，从而导致粒子行为从概率波转变为确定状态的粒子。解析：这道题目要求学生理解量子力学的基本原理。学生需要解释量子力学是如何描述物质微观粒子的行为，以及波粒二象性在量子力学的地位。其次，学生需要了解波函数是什么，以及它在量子力学中的作用。这包括波函数与物理量的关系，以及它在测量过程中的特殊作用。最后，学生需要讨论海森堡测不准原理和它对量子力学中的实验和理论的意义。通过这道题目，学生可以展示他们对量子力学科学核心概念的理解。第五题（10分）已知一个光源发出频率为6.0×1014Hz的光，其光在真空中传播的速度为3.0×