章末强化练(四) 波粒二象性（Word练习）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

章末强化练(四)波粒二象性 (时间：90分钟　满分：100分) [对应学生用书P128] 一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．) 1．把“能量子”概念引入物理学的物理学家是(　　) A．普朗克　　　　　　　　　 B．麦克斯韦 C．托马斯·杨 D．赫兹 A　[普朗克引入能量子概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故A正确；麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹证明了电磁波的存在，托马斯·杨首次用实验观察到了光的干涉图样，故B、C、D不合题意，故选A.] 2．第26届国际计量大会于2018年11月通过决议，正式更新了千克、安培、开尔文和摩尔四个基本单位的定义，国际测量界多年的愿望终于实现——国际测量体系全部建立在基本物理常数上，大大提高了计量的稳定性和精确性．比如，最受关注的“千克”，不再以具体实物的质量来定义，而以量子力学中的普朗克常量h为基准，经过一系列物理换算，算出质量．已知普朗克常量与频率的乘积可以表示能量，下列属于用国际单位制的基本单位来表示普朗克常量h单位的是(　　) A．J/s B．kg·m2/s C．kg·m2/s3 D．N·m·s B　[根据公式ε＝hν，因能量ε的单位为J，频率ν的单位为s－1，那么普朗克常量h的单位：J·s＝N·m·s＝·m·s＝.] 3．下列关于德布罗意波的认识，正确的是(　　) A．任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波 B．X光的衍射证实了物质波的假设是正确的 C．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，是因为宏观物体的波长太长 C　[A错：只有运动的物体才具有波动性． B错：X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在． C对：电子是实物粒子，它的衍射能证实物质波的存在． D错：宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太短，所以看不到它的干涉、衍射现象．] 4．关于光，下列说法正确的是(　　) A．光子是比电子、质子更小的实物粒子 B．光在有些情况下只具有粒子性，在另一些情况下只具有波动性 C.普朗克常量为h，光速为c时，一个频率为ν的光子质量为 D．普朗克常量为h，光速为c时，一个频率为ν的光子动量为 D　[A、B错：光本质上属于电磁波，不是实物粒子，光具有波粒二象性，在发生衍射和干涉时，表现为波动性，在发生光电效应时，表现为粒子性． C错，D对：普朗克常量为h，光速为c时，一个频率为ν的光子能量为hν＝mc2 则光子质量为m＝ 动量为p＝mc＝·c＝.] 5．如图所示是甲、乙两种金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像，如果用频率为ν0的光照射两种金属，光电子的最大初动能分别为E甲、E乙，则关于E甲、E乙大小关系正确的是(　　) A．E甲＞E乙 B．E甲＝E乙 C．E甲＜E已 D．无法判断 A　[根据光电效应方程得Ekm＝hν－W0＝hν－hν0，Ekm＝eUc，解得Uc＝ν－，结合Uc­ν图线可知，当Uc＝0，ν＝ν0；由图像可知，金属甲的极限频率小于金属乙，则金属甲的逸出功小于乙的，即W甲＜W乙．如果用ν0频率的光照射两种金属，根据光电效应方程，当相同频率的光入射时，则逸出功越大的，其光电子的最大初动能越小，因此E甲＞E乙，故A正确，B、C、D错误；故选A.] 6．德布罗意认为实物粒子也具有波动性，他给出了德布罗意波长的表达式λ＝.现用同样的直流电压加速原来静止的一价氢离子H＋和二价镁离子Mg2＋，已知氢离子与镁离子的质量之比为1∶24，则加速后的氢离子和镁离子的德布罗意波长之比为(　　) A．1∶4 B．1∶4 C．4∶1 D．4∶1 D　[离子加速后的动能Ek＝qU，离子的德布罗意波长λ＝＝＝，所以＝＝，故选项D正确．] 7．光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流，表中给出了6次实验的结果． 组 次 入射光子的能量/eV 相对光强 光电流大小/mA 逸出光电子的 最大动能/eV 第一组 1 2 3 4.0 4．0 4．0 弱 中 强 29 43 60 0.9 0．9 0．9 第二组 4 5 6 6.0 6．0 6．0 弱 中 强 27 40 55 2.9 2．9 2．9 由表中数据得出的论断中不正确的是(　　) A．两组实验采用了不同频率的入射光 B．两组实验所用的金属板材质不同 C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大 B　[A对：光子的能量E＝hν，入射光子的能量不同，故入射光子的频率不同． B错：由爱因斯坦的光电效应方程hν＝W0＋Ek，可求出两组实验的逸出功W0均为3.1 eV，故两组实验所用的金属板材质相同． C对：由hν＝W0＋Ek，W0＝3.1 eV；当hν＝5.0 eV时，Ek＝1.9 eV. D对：光强越强，单位时间内射出的光子数越多，单位时间内逸出的光电子数越多，形成的光电流越大． 本题选不正确的，故选B.] 二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分．在每小题给出的四个选项中，有多个选项符合题目要求．全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分．) 8．下表列出了几种不同物体在某种速度下的德布罗意波长和频率为1 MHz的无线电波的波长，由表中数据可知(　　) 质量/kg 速度/(m·s－1) 波长/m 弹子球 2.0×10－2 1.0×10－2 3.3×10－30 电子(100 eV) 9.1×10－31 5.0×106 1.2×10－10 无线电波(1 MHz) 3.0×108 3.0×102 A.要检测弹子球的波动性几乎不可能 B．无线电波通常情况下只能表现出波动性 C．电子照射到金属晶体上能观察到它的波动性 D．只有可见光才有波动性 ABC　[由于弹子球德布罗意波长极短，故很难观察其波动性，而无线电波波长为3.0×102 m，所以通常表现出波动性，很容易发生衍射，而金属晶体的品格线度大约是10－10 m数量级，所以波长为1.2×10－10 m的电子可以观察到明显的衍射现象，故选A、B、C.] 9．爱因斯坦成功地解释了光电效应现象，提出了光子说，关于与光电效应有关的四个图像的说法正确的是(　　) A．如图甲装置，如果先让锌板带负电，再用紫外线照射锌板，则验电器指针的张角可能变小 B．根据图乙可知，黄光越强，光电流越大，说明光子的能量与光强有关 C．由图丙可知ν2为该金属的截止频率 D．由图丁可知E等于该金属的逸出功 AD　[A对：如果先让锌板带负电，再用紫外线照射锌板时，由于光电效应激发出电子，锌板带电荷量减少，验电器指针的张角会变小，等锌板电荷量为零时，验电器指针就无法张开；如果用紫外线继续照射锌板，就会使锌板带正电，验电器指针的张角又会变大． B错：由图乙可知，电压相同时，光照越强，光电流越大，只能说明光电流强度与光的强度有关，光子的能量只与光的频率有关，与光的强度无关． C错：对于某种金属材料，只有当入射光的频率大于某一频率时，电子才能从金属表面逸出，形成光电流，这一频率就称为截止频率．光电效应中截止频率由金属本身的材料决定，图丙中遏止电压为零时所对应的入射光的频率为截止频率，ν2对应的遏止电压不为零． D对：根据光电效应方程Ek＝hν－W0，知道图丁中Ek­ν图线的纵轴截距的绝对值表示逸出功，则逸出功为E，当最大初动能为零，入射光的频率等于金属的截止频率，则金属的逸出功等于hν0.] 10．利用光电管研究光电效应的实验电路如图所示，用频率为ν的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则(　　) A．改用紫外光照射K，电流表中没有电流通过 B．只增加该可见光的强度，电流表中通过的电流将变大 C．若将滑动变阻器的滑片移到A端，电流表中一定无电流通过 D．若将滑动变阻器的滑片向B端移动，电流表示数可能不变 BD　[用可见光照射阴极K，能发生光电效应，则可见光的频率大于该阴极材料的极限频率，紫外光的频率大于可见光，故用紫外光照射K，也一定能发生光电效应，A错误；增加可见光的照射强度，单位时间内逸出金属表面的电子数增多，饱和光电流变大，B正确；变阻器的滑片移到A端，光电管两端的电压为零，但光电子有初动能，故电流表中仍有电流通过，C错误；变阻器的滑片向B端滑动时，可能电流没达到饱和电流，所以电流表示数可能增大，可能不变，D正确．] 三、非选择题(本题共5小题，共54分．) 11．(7分)如图所示，光滑轨道abc固定在竖直平面内，c点与粗糙水平轨道cd相切，一质量为m的小球A从高H1静止落下，在b处与一质量为m的滑块B相撞后小球A静止，小球A的动能全部传递给滑块B，随后滑块B从c处运动到d处，且bd高H2，滑块B通过cd段所用时间为t.求： (1)cd处的动摩擦因数μ； (2)若将此过程类比为光电效应的过程，则A为________；B为________；分析说明：________类比为极限频率v0. 解析　(1)根据机械能守恒有：小球A运动到b处的机械能为E＝mgH1，然后将这部分能量传递给滑块B，设滑块B在c处的速度为v，则由机械能守恒定律可得：mgH1＝mgH2＋mv2，解得v＝，在cd段，摩擦力提供合外力，a＝＝μg，由v＝at＝μgt，解得μ＝＝ . (2)光电效应过程是光子将能量传递给电子，电子克服原子的逸出功而逸出，所以A为入射的光子，B为光电子．mgH2对应为逸出功，所以H2类比为极限频率ν0. 答案　(1)　(2)光子　光电子　H2 12．(9分)深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道，如图所示是一个航标灯自动控制电路的示意图．电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属．如表反映的是各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长，又知可见光的波长在400～770 nm的范围内(1 nm＝10－9m). 各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长： 金属 铯 钠 锌 银 铂 极限频率/Hz 4.545×1014 6.000×1014 8.065×1014 1.153×1015 1.529×1015 极限波长/μm 0.660 0 0.500 0 0.372 0 0.260 0 0.196 2 根据图和表所给出的数据，你认为： (1)光电管阴极K上应涂有金属________． (2)控制电路中的开关S应和________(选填“a”或“b”)接触． (3)工人在锻压机、冲床、钻床等机器上劳动时，稍有不慎就会把手压在里面，造成工伤事故．如果将上述控制电路中的电灯换成驱动这些机器工作的电机，这时电路中开关S应和________(选填“a”或“b”)接触，这样，当工人不慎将手伸入危险区域时，由于遮住了光线，光控继电器衔铁立即动作，使机床停止工作，避免事故发生． 解析　(1)依题意知，可见光的波长范围为400～770 nm，即0.400 0～0.770 0 μm，因此，光电管阴极K上应涂金属铯或钠． (2)深沉的夜色中，线圈中无电流，衔铁与b接触，船舶依靠航标灯指引航道，所以控制电路中的开关S应和b接触． (3)若将上述控制电路中的电灯换成电机，在手遮住光线之前，电机应是正常工作的，此时衔铁与a接触，所以电路中的开关S应和a接触． 答案　(1)铯或钠　(2)b　(3)a 13．(11分)我国北方城市在冬季易遭受雾霾侵袭，严重雾霾不仅对人类健康造成伤害，也影响地面接收太阳光的能量的效率．假设太阳光垂直射到地面上时，地面上1 m2接收的太阳光的功率是1.4 kW，其中可见光部分约占45%. (1)假设认为可见光的波长约为0.55 μm，日地间距离R＝1.5×1011 m，普朗克常量取h＝6.6×10－34 J·s，估算太阳每秒辐射出的可见光光子数． (2)若已知地球的半径为6.4×106 m，估算地球接收的太阳光的总功率． 解析　设想一个以太阳为球心，以日、地距离为半径的大球面包围着太阳，大球面接收的光子数等于太阳辐射的全部光子数；地球背着阳光的半个球面没有接收太阳光，地球向阳的半个球面也不处处都与太阳光垂直，接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆面面积． (1)设地面上垂直阳光每平方米面积上每秒接收的可见光光子数为n， 则有Pt×45%＝n， 解得n＝＝＝1.75×1021(个)， 则所求可见光光子数N＝n·4πR2＝1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2≈4.9×1044(个). (2)地球接收阳光的总功率 P地＝Pπr2＝1.4×3.14×(6.4×106)2 kW≈1.8×1014 kW. 答案　(1)4.9×1044个　(2)1.8×1014 kW 14．(12分)从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量．他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的截止电压Uc与入射光频率ν，作出Uc­ν的图像，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性．图乙中频率ν1、ν2，截止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知，求： (1)普朗克常量h； (2)该金属的截止频率ν0. 解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0及动能定理eUc＝Ek得Uc＝ν－ν0 结合题图乙有k＝＝＝ 解得普朗克常量h＝，ν0＝ 答案　(1)　(2) 15．(15分)在图甲所示的装置中，K为一个金属板，A为一个金属电极，都密封在真空玻璃管中，单色光可通过玻璃壳照在K上，E为可调直流电源．实验发现，当用某种频率的单色光照射K时，K会发出电子(光电效应)，这时，即使A、K间的电压等于零，回路中也有电流，当A的电势低于K时，电流仍不为零，A的电势比K低得越多，电流越小，当A比K的电势低到某一值Uc(截止电压)时，电流消失．当改变照射光的频率ν时，截止电压Uc也将随之改变．如果某次实验我们测出的一系列数据如图乙所示，若知道电子的电荷量e，则根据图像可求出该金属的极限频率为多少？该金属的逸出功W0为多少？普朗克常量h为多少？ 解析　由题图可知，数据对应的点几乎落在一条直线上，直线与ν轴的交点ν0即为该金属的极限频率．因此当照射光的频率为ν0时，截止电压Uc＝0，说明在此频率下，金属板刚好发生光电效应．设光电子的最大初动能为Ek，根据光电效应方程有hν＝W0＋Ek 当A比K的电势低到某一值Uc时，电流消失，光电子的最大初动能全部用来克服电场力做功，由动能定理有 eUc＝Ek 联立以上两式可得Uc＝－ 由上式可知，Uc­ν图像斜率k＝，在Uc轴上的截距为－. 而由图可得，截距为－Uc.故有 ＝，－Uc＝－ 解得h＝，W0＝eUc. 答案　ν0　eUc　 学科网（北京）股份有限公司 $$