2020高中物理 第四章 波粒二象性 量子、光的粒子性习题 教科版选修3-5

2020高中物理 第四章 波粒二象性 量子、光的粒子性习题 教科版选修3-5

量子、光的粒子性 一、选择题 ‎1．下列叙述正确的是（ ）．‎ ‎ A．一切物体都在辐射电磁波 ‎ B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 ‎ C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 ‎ D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波 ‎2．氦—氖激光器发出波长为633 nm的激光，当激光器的输出功率为l mW时，每秒发出的光子数为（ ）．‎ ‎ A．2.2×1015 B．3.2×‎1015 C．2.2×1014 D．3.2×1014‎ ‎3．在自然界生态系统中，蛇与老鼠和其他生物通过营养关系构成食物链，在维持生态平衡方面发挥重要作用．蛇是老鼠的天敌，它是通过接收热辐射来发现老鼠的．假设老鼠的体温约‎37℃‎，它发出的最强的热辐射的波长为m．根据热辐射理论，m与辐射源的绝对温度T的关系近似为Tm=2.90×10－‎3 m·K．‎ ‎ （1）老鼠发出最强的热辐射的波长为（ ）．‎ ‎ A．7.8×10－‎5 m B．9.4×10－‎6 m C．1.16×10－‎4 m D．9.7×10－‎‎8 m ‎ （2）老鼠发出的最强的热辐射属于（ ）．‎ ‎ A．可见光波段 B．紫外波段 C．红外波段 D．X射线波段 ‎4．（能量量子化计算）一激光器发光功率为P，发出的激光在折射率为n的介质中波长为，若在真空中速度为c，普朗克常量为h，则下列叙述正确的是（ ）．‎ ‎ A．该激光在真空中的波长为n ‎ B．该波的频率为 ‎ C．该激光器在t s内辐射的能量子数为 ‎ D．该激光器在t s内辐射的能量子数为 ‎5．黑体辐射的实验规律如图所示，由图可知（ ）．‎ ‎ ‎ ‎ A．随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加 ‎ B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加 7‎ ‎ C．随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动 ‎ D．随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动 ‎6．（光子说和光电效应方程）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 ‎7．（光的粒子性）激光的主要特点之一是它的瞬时功率很大，设P表示激光功率，A表示激光波长，则激光器每秒射出的光子数（ ）．‎ ‎ A． B． C． D．‎ ‎8．（光电效应规律的理解）关于光电效应的规律，下列说法中正确的是（ ）．‎ ‎ A．只有入射光的波长大于该金属的极限波长，光电效应才能产生 ‎ B．光电子的最大初动能跟入射光强度成正比 ‎ C．发生光电效应的反应时间一般都大于10－7 s ‎ D．发生光电效应时，单位时间内从金属内逸出的光电子数目与入射光强度成正比 ‎9．（逸出功的理解）某金属的逸出功为2.3 eV，这意味着（ ）．‎ ‎ A．这种金属内部的电子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脱离表面 ‎ B．这种金属表层的电子克服原子核引力做2.3 eV的功即可脱离表面 ‎ C．要使这种金属有电子逸出，入射光子的能量必须大于2.3 eV ‎ D．这种金属受到光照时若有电子逸出，则电子离开金属表面时的动能至少等于2.3 eV ‎10．用绿光照射一光电管，产生了光电效应，欲使光电子从阴极逸出时的最大初动能增加，下列做法可取的是（ ）．‎ ‎ A．改用红光照射 B．增大绿光的强度 C．增大光电管上的加速电压 D．改用紫光照射 ‎11．某种单色光的频率为，用它照射某种金属时，在逸出的光电子中动能最大值为Ek，则这种金属的逸出功和极限频率分别是（ ）．‎ A．， B．，‎ C．， D． ，‎ ‎12．在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能巨与入射光的频率v的关系如图所示，由实验图线可求出（ ）．‎ 7‎ ‎ ‎ ‎ A．该金属的极限频率和极限波长 B．普朗克常量 ‎ C．该金属的逸出功 D．单位时间内逸出的光电子数 ‎13．（光电效应规律的理解）已知能使某金属产生光电效应的极限频率为c，则（ ）．‎ ‎ A．当用频率为‎2‎c的单色光照射该金属时，一定能产生光电子 ‎ B．当用频率为‎2‎c的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为h。‎ ‎ C．当照射光的频率大于c时，若增大，则逸出功增大 ‎ D．当照射光的频率大于c时，若增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 ‎14．硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能．若有N个频率为的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为（h为普朗克常量）（ ）．‎ ‎ A．h B．÷ C．Nh D．2Nh 二、填空题 ‎15．二氧化碳能强烈吸收红外长波辐射，这种长波辐射的波长范围约是1.4×10－3～1.6×10－‎3 m，相应的频率范围是________，相应的光子能量的范围是________，“温室效应”使大气全年的平均温度升高，空气温度升高，从微观上看就是空气中分子的________．（已知普朗克常量h=6.6×10－34 J·s，真空中的光速c=3.0×‎108 m／s．结果取两位有效数字）‎ 三、解答题 ‎16．人体表面辐射本领的最大值落在波长为940μm处，它对应的是何种辐射?能量子的值为多大？‎ ‎17．激光器是一个特殊的光源，它发出的光便是激光，红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光，每道闪光称为一个光脉冲，现有一红宝石激光器，发射功率为1.0×1010 W．所发射的每个光脉冲持续的时间Δt为1.0×10－11 s，波长为793.4 nm，问每列光脉冲的长度是多少？其中含有的光子数n是多少？‎ ‎18．人们发现光电效应具有瞬时性和对各种金属都存在极限频率的规律．请问谁提出了何种学说很好地解释了上述规律？已知锌的逸出功为3.34 eV，用某单色紫外线照射锌板时，逸出光电子的最大速度为‎106 m／s，求该紫外线的波长．（电子质量me=9.11×10－‎31 kg，普朗克常量h=6.63×10－34 J·s，1 eV=1.60×10－19 J）‎ ‎19．用功率P0=1W的点光源照射离光源r =‎3m处的一块金属薄片，已知光源发出的是波长为=589 nm的单色光，试计算：‎ ‎ （1）1 s内打到金属‎1 cm2面积上的光子数．‎ ‎ （2）若取该金属原子半径r1=0.5×10－‎‎10 m 7‎ ‎，则金属表面上每个原子平均需隔多长时间才能接收到一个光子？‎ ‎20．在彩色电视机的显像管中，从电子枪射出的电子在2万伏的高压下被加速，并且形成1mA的平均电流．电子束的强弱受图像信号控制，并按一定的规律在荧光屏扫描，形成电视画面．电视机以每秒显现25张画面的速率进行扫描，由于画面更换迅速和视觉暂留，我们便看到了活动的景象．‎ ‎ （1）电子以多大的动能轰击荧光屏？‎ ‎ （2）平均每幅画面有多少个电子打在屏上？‎ ‎ （3）如果轰击屏的能量全部被屏吸收并转化为光能，平均每幅画面射出多少个光子？（以绿光=5.5×1014 Hz为平均频率进行计算．普朗克常量h=6.63×10－34 J·s）‎ ‎ （4）解释下列现象：有时在电视屏幕的画面上看到行进中的小汽车，但其轮子却是静止不转的，甚至倒转，这是为什么？‎ ‎【答案与解析】‎ 一、选择题 ‎1．【答案】A、C、D ‎ ‎【解析】根据热辐射的定义，A正确；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有的温度有关，B错误，C正确；根据黑体的定义知D正确．‎ ‎2．【答案】B ‎ ‎【解析】据P=n·h，，得 ‎ =3.2×1015个．‎ ‎3．【答案】（1）B （2）C ‎ ‎【解析】．‎ ‎4．【答案】A、C ‎ ‎【解析】由知在介质中速度．在真空中波长，故A对；频率，故B错；在t s内辐射能量E=Pt，每个能量子能量，故在t s内辐射的能量子数为，故C对，D错．‎ ‎5．【答案】A、C、D ‎ ‎【解析】由题图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都有增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故A、C、D正确，B错误．‎ ‎6．【答案】A、C ‎ ‎【解析】由和Ek=h－W知两束光的光子能量相同，照射金属得到的光电子的最大初动能相同，故A、C正确．由于两束光强度不同，逸出光电子个数不同，故B错．‎ ‎7．【答案】A ‎ 7‎ ‎【解析】每秒转化为光的能量E=P，每个光子能量，故每秒射出光子数为．‎ ‎8．【答案】D ‎ ‎【解析】由知，当入射光波长小于极限波长时，发生光电效应，故A错．由Ek=h－W知，最大初动能由入射光频率决定，与光强度无关，故B错．发生光电效应的时间一般不超过10－9 s，故C错．‎ ‎9．【答案】B ‎ ‎【解析】逸出功指原子的外层电子脱离原子核克服引力所做的功．‎ ‎10．【答案】D ‎ ‎【解析】由爱因斯坦光电效应方程，在逸出功一定时，只有增大光的频率，才能增加最大初动能，与光的强度无关，故D项正确．‎ ‎11．【答案】A ‎ ‎【解析】由光电效应方程Ek=h－W得W=h－Ek，而W=hc，则，故A正确．‎ ‎12．【答案】A、B、C ‎ ‎【提示】依据光电效应方程Ek=h－W可知，当Ek=0时，=c，即图线横轴的截距在数值上等于金属的极限频率．图线的斜率．可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量．根据图象，假设图线的延长线与Ek轴的交点为C，其截距为W，有tan=W／．而tan=h，所以W=h，即图象中纵轴的截距在数值上等于金属的逸出功．‎ ‎13．【答案】A、B ‎ ‎【解析】入射光的频率大于金属的极限频率，照射该金属时一定能发生光电效应，A正确；金属的逸出功为W=hc，又根据爱因斯坦光电效应方程，当入射光的频率为‎2c时，其光电子的最大初动能为，所以B正确；若当入射光的频率由‎2c增大一倍变为‎4c时，其光电子的最大初动能为，显然不是随着增大一倍，D错误；逸出功是金属本身对金属内电子的一种束缚本领的体现，与入射光的频率无关，C错误．综上所述，A、B正确．‎ ‎14．【答案】C ‎ ‎【解析】据光子说可知：光子能量与频率有关，一个光子能量为E=h枷（h为普朗克常量），N个光子的能量为Nh，所以C正确．‎ 二、填空题 ‎15．【答案】1.9×1011～2.1×1011 Hz 1.3×10－22～1.4×10－22 J 平均动能增大 7‎ ‎ 【解析】由得．‎ ‎ 则求得频率范围为1.9×1011～2.1×1011 Hz．‎ ‎ 又由E=h得能量范围为1.3×10－22～1.4×10－22 J．‎ ‎ 温度越高，分子无规则热运动更剧烈，无规则热运动的平均动能也越大．‎ 三、解答题 ‎16．【答案】见解析。‎ ‎【解析】可见光的波长的大致范围是370～750 am，即红光波长约为750 nm，因此人体是对应红外辐射．其对应的能量子．‎ ‎17．【答案】见解析。‎ ‎【解析】以Δt、和c分别表示光脉冲的持续时间、长度和光在真空中的传播速度，由题意可知 ‎ ， ①‎ ‎ 以P和E表示红宝石激光器发射的功率和光脉冲的能量，则有E=PΔt． ②‎ 以和表示红宝石激光的波长和频率，则有，因此就得到每个红宝石激光光子的能量 ‎． ③‎ 由②③式就得到该列光脉冲含有的光子数 ． ④‎ ‎ 将数据代入①④式，就得到该列光脉冲的长度、含有的光子数分别为=3.0×10－‎3 m=‎3.0mm、n=4.0×1017个．‎ ‎18．【答案】见解析。‎ ‎【解析】爱因斯坦于1905年提出的光子说成功解释了光电效应现象．，，代入数据解得=2.01×10－‎7 m．‎ ‎19．【答案】见解析。‎ ‎【解析】（1）离光源r=‎3 m处的金属板每1 s内单位面积上接收的光的能量为 ，所以1 s内传到金属板‎1 cm2面积上的光能E0=ES=5.5×1012 eV．又因为这种单色光一个光子的能量，即E0＇=2.11 eV，所以1 s内打到金属板‎1 cm2面积上的光子数个=2.61×1012个．‎ ‎ 这是一个十分庞大的数字，可见，即使在光强相当弱的情况下，辐射到板面上的光子数仍然较多，因此，粒子性在通常情况下不能明显地表现出来．‎ ‎ （2）金属板可以看成由金属原子密集排列组成的，每个金属原子的最大截面积为 ‎ 7‎ ‎，则每个原子每秒内接收到的光子数为n1=nS1×104=2.61×1012×7.85×10－21×104个=2.05×10－4个，每两个光子落在同一个原子上的时间间隔，说明光电效应中光子与原子之间的作用是一对一的．‎ ‎20．【答案】见解析。‎ ‎【解析】（1）据动能定理：，‎ ‎ ．‎ ‎ （2）因为q=I·t，q=N·e，‎ ‎ 所以 个=2.5×1014个．‎ ‎ （3）电子轰击屏的总能量E=N·Ek．‎ 全部转化为光子，光子数为N＇，E=N＇·h．‎ ‎ 所以 个=2.2×1018个．‎ ‎ （4）电视屏幕每秒钟显现25张画面，即每隔去秒显现一幅，其余时间为黑屏．由于视觉暂留，看到的画面是连续的．车轮的图案都是对称的，车轮转动，图案跟着转，若每幅画面车轮转至相同的图案，则看上去是静止不动的．倒转的理由同理可得．‎ 7‎