内容正文:
章末检测卷(第四章)——原子结构和波粒二象性
物理试题
一、单项选择题:本题共11小题,每小题4分,共44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.在通往量子论的道路上,一大批物理学家作出了卓越的贡献,下列有关说法正确的是( )
A.爱因斯坦提出光子说,并成功地解释了光电效应现象
B.德布罗意第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念
C.玻尔在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念
D.普朗克把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性
2.关于原子结构的认识历程,下列说法正确的有( )
A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷
C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释原子中带正电部分的体积、质量占比都很小
D.α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据
3.质量为m的粒子原来的速度为v,现将粒子的速度增大为2v,则该粒子的物质波的波长将(粒子的质量保持不变)( )
A.保持不变 B.变为原来波长的两倍
C.变为原来波长的一半 D.变为原来波长的倍
4.来自氢原子所发射的光谱线中有4种波长的光是可见光,其波长分别为:410 nm、434 nm、486 nm和656 nm。它们是氢原子中的电子吸收光子能量跃迁至能级较高的激发态后,再向n=2的能级跃迁时释放出的谱线。对相关信息说法正确的是( )
A.氢原子只能通过吸收光子才能跃迁至能级较高的激发态
B.氢原子处于n=2能级时为基态
C.氢原子可以吸收任何能量的光子而发生能级跃迁
D.这四种光子中410 nm的光子能量最大
5.用同一束单色光,在同一条件下先后照射锌板和银板,都能产生光电效应。已知锌的截止频率为8.1×1014 Hz,银的截止频率为1.2×1015 Hz。关于以上两次实验,下列说法正确的是( )
A.入射单色光的频率可能为9.0×1014 Hz
B.锌板产生的光电子的初动能一定较大
C.银板的逸出功一定较小
D.锌板产生的光电子的动量可能较小
6. “拉曼散射”是指一定频率的光照射到样品表面时,物质中的分子与光子发生能量转移,散射出不同频率的光。若在反射时光子将一部分能量传递给分子,则( )
A.光传播速度变大 B.光子的波长变小
C.光子的频率变大 D.光子的动量变小
7.氢原子能级图如图所示,一群处于n=4能级的氢原子自发跃迁,产生的光子照射某金属时,只有三种频率的光能发生光电效应,则该金属的逸出功可能是( )
A.0.85 eV B.1.51 eV
C.3.40 eV D.13.6 eV
8.手机屏幕的亮度传感器与光电效应原理有关,在某次实验中,我们得到的关于遏止电压和入射光频率的关系图像如图所示,其中Uc为遏止电压,ν为入射光的频率,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是( )
A.普朗克常量h=
B.入射光频率越高,得到的光电子的初动能越大
C.若更换材料再实验,则得到的图线斜率改变,b改变
D.金属的逸出功为eb
9.目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为En=,其中E1=-13.6 eV。如图是按能量排列的电磁波谱,要使n=20的氢原子吸收一个光子后,恰好失去一个电子变成氢离子,被吸收的光子是( )
A.红外线波段的光子 B.可见光波段的光子
C.紫外线波段的光子 D.X射线波段的光子
10.研究光电效应的电路图如图甲所示,现用某一频率的单色光照射阴极K,改变滑动变阻器滑片P的位置,记录微安表的示数I和对应电压表的示数U,然后将电源的正负极对调,重复上述过程,作出I-U图像如图乙所示。已知电子的电荷量大小为e,普朗克常量为h,则下列说法正确的是( )
A.入射光的频率为
B.阴极K的逸出功为Uce
C.从阴极K逸出的光电子最大初动能为Uce
D.图乙中电压Uc大小与入射光的频率ν成正比
11.如图甲是用于研究光电效应的实验装置,图乙是氢原子的能级结构图。实验发现n=4跃迁到n=2时发出的某种光照射甲图实验装置的阴极时,发现电流表示数不为零,慢慢移动滑动变阻器触点c,发现电压表读数大于等于0.8 V时,电流表读数为零,下列说法正确的是( )
A.光电子的动能为2.55 eV
B.滑动变阻器触点c向a侧慢慢移动时,电流表读数会增大
C.其他条件不变,一群氢原子处于n=4能级跃迁发出的光,总共有3种光可以发生光电效应
D.用不同频率的光子照射该实验装置,记录电流表恰好读数为零的电压表读数,根据频率和电压关系可以精确测量普朗克常量
二、非选择题:共5题,共56分,其中第13题~第16题解答时请写出必要的文字说明,方程式和重要的演算步骤,只写出最后答案的不能得分;有数值计算时,答案中必须明确写出数值和单位。
12.(8分)如图甲所示是工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图,它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成,其原理是:当光照射光电管时电路中产生光电流,经放大器放大的电流产生的磁场使铁芯M被磁化,将衔铁N吸住。当光照消失时,电路中电流消失,衔铁N自动离开M。
(1)(2分)图甲中,为了尽可能增大光电流,a端应是电源的 (填“正”或“负”)极。
(2)(2分)当用绿光照射光电管阴极K时,可以发生光电效应,则下列说法正确的是 。
A.增大绿光照射强度,光电子的最大初动能增大
B.增大绿光照射强度,电路中光电流增大
C.仅改用同等强度的紫光照射,光电子的最大初动能不变
D.仅改用同等强度的紫光照射,光电子的最大初动能变大
(3)(4分)已知用光照强度为Ja的a光和光照强度为Jb的b光照射该光电管,分别产生的光电流I随电源电压U的关系如图乙所示[其中电源按(1)问连接时电压为正],且在电源电压和入射光频率确定时,光电流与光照强度成正比。则a光的频率 (填“大于”“小于”或“等于”)b光的频率。实验发现,用光照强度为Ja的a光照射该光电管时,电压须大于+0.2 V,继电器才能将衔铁吸附。若用光照强度为Jb的b光照射该光电管,调整电源电压,当继电器刚好不能将衔铁吸附时,电源电压为 V(需指出正负)。
13.(10分) 2023年诺贝尔化学奖授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫,以表彰他们在“发现和开发量子点”方面做出的贡献。FRET(荧光能量共振转移)就是利用了量子点的技术,该技术可以用于检测生物分子的纳米级距离。若某次检测使用的荧光的波长为440 nm,已知普朗克常量为h=6.6×10-34 J·s,求:
(1)(5分)该荧光的一个光子的能量为多少;
(2)(5分)光在一个阿秒(1 as=10-18 s)时间内走过的距离约为一个原子的尺寸,则原子的尺寸约为多少。
14.(12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。已知普朗克常量为h,光速为c,电子质量为m。若用波长为的单色光B照射该金属板,求:
(1)(6分)光电子的最大初动能Ekm;
(2)(6分)金属表面逸出光电子的物质波的最短波长λ。
15.(12分)如图甲是研究光电效应的实验原理图,阴极K金属的逸出功为3.0 eV。如图乙是氢原子的能级图。用大量处于n=3能级的氢原子跃迁发出的光照射K极,求:
(1)(6分)有几种光可以使该金属发生光电效应,其中频率最大的光子能量是多少 eV;
(2)(6分)从图示位置向左移动滑片P至某处,电压表示数为2.29 V,光电子到达A极的最大动能为多少 eV。
16.(14分)如图甲为氢原子能级示意图的一部分,若处于基态的氢原子由于原子间的碰撞而激发,且发射出6条光谱线。
(1)(6分)求6条光谱线中最长的波长λm(已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,元电荷e=1.6×10-19 C,光速c=3.0×108 m/s,结果保留2位有效数字)。
(2)(8分)若基态氢原子受激发射出6条光谱线,是由于运动的氢原子a与静止的氢原子b碰撞导致,如图乙所示,求氢原子a的最小动能Ek。
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章末检测卷(第四章)——原子结构和波粒二象性
物理试题
一、单项选择题:本题共11小题,每小题4分,共44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.在通往量子论的道路上,一大批物理学家作出了卓越的贡献,下列有关说法正确的是( )
A.爱因斯坦提出光子说,并成功地解释了光电效应现象
B.德布罗意第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念
C.玻尔在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念
D.普朗克把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性
答案 A
解析 爱因斯坦提出光子说,成功地解释了光电效应现象,故A正确;玻尔第一次将量子观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,故B错误;普朗克在1900年把能量子引入物理学,破除了“能量连续变化”的传统观念,故C错误;德布罗意大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子,预言实物粒子也具有波动性,故D错误。
2.关于原子结构的认识历程,下列说法正确的有( )
A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷
C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释原子中带正电部分的体积、质量占比都很小
D.α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据
答案 D
解析 汤姆孙发现电子后猜想出原子核内的正电荷是均匀分布的,故A错误;密立根通过著名的“油滴实验”精确测定电子电荷,故B错误;卢瑟福提出的原子核式结构模型解释了原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,故C错误;α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据,故D正确。
3.质量为m的粒子原来的速度为v,现将粒子的速度增大为2v,则该粒子的物质波的波长将(粒子的质量保持不变)( )
A.保持不变
B.变为原来波长的两倍
C.变为原来波长的一半
D.变为原来波长的倍
答案 C
解析 根据λ==,v增大为2v时,λ变为,故选项C正确。
4.来自氢原子所发射的光谱线中有4种波长的光是可见光,其波长分别为:410 nm、434 nm、486 nm和656 nm。它们是氢原子中的电子吸收光子能量跃迁至能级较高的激发态后,再向n=2的能级跃迁时释放出的谱线。对相关信息说法正确的是( )
A.氢原子只能通过吸收光子才能跃迁至能级较高的激发态
B.氢原子处于n=2能级时为基态
C.氢原子可以吸收任何能量的光子而发生能级跃迁
D.这四种光子中410 nm的光子能量最大
答案 D
解析 氢原子可以通过吸收光子或者实物粒子轰击进入能级较高的激发态,故A错误;氢原子处于n=1能级时为基态,故B错误;氢原子从低能级向高能级跃迁,所吸收的光子能量应该是两能级的差值,故C错误;根据E=hν=,可知波长越短能量越大,故D正确。
5.用同一束单色光,在同一条件下先后照射锌板和银板,都能产生光电效应。已知锌的截止频率为8.1×1014 Hz,银的截止频率为1.2×1015 Hz。关于以上两次实验,下列说法正确的是( )
A.入射单色光的频率可能为9.0×1014 Hz
B.锌板产生的光电子的初动能一定较大
C.银板的逸出功一定较小
D.锌板产生的光电子的动量可能较小
答案 D
解析 根据题意可知,入射单色光的频率一定大于等于1.2×1015 Hz,故A错误;由于银的截止频率大于锌的截止频率,则银板的逸出功大于锌板的逸出功,故C错误;根据光电效应方程Ekm=hν-W0,虽然锌板的逸出功较小,锌板产生的光电子的最大初动能较大,但不同光电子逸出金属表面的初动能是不一样的,所以锌板产生的光电子的初动能有可能较小,根据p=可知锌板产生的光电子的动量可能较小,故B错误,D正确。
6. “拉曼散射”是指一定频率的光照射到样品表面时,物质中的分子与光子发生能量转移,散射出不同频率的光。若在反射时光子将一部分能量传递给分子,则( )
A.光传播速度变大 B.光子的波长变小
C.光子的频率变大 D.光子的动量变小
答案 D
解析 光的传播速度不变,A错误;光子将一部分能量传递给分子,光子的能量减小,频率变小,波长应该变大,B、C错误;根据光子的动量计算公式p=可知,由于普朗克常量h不变,当波长λ变大时,其动量变小,D正确。
7.氢原子能级图如图所示,一群处于n=4能级的氢原子自发跃迁,产生的光子照射某金属时,只有三种频率的光能发生光电效应,则该金属的逸出功可能是( )
A.0.85 eV B.1.51 eV
C.3.40 eV D.13.6 eV
答案 C
解析 根据玻尔理论,跃迁时能够辐射出光子能量从大到小分别为
hν1=-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,
hν2=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,
hν4=-3.40 eV-(-13.6 eV)=10.20 eV,
hν5=-0.85 eV-(-3.40 eV)=2.55 eV…
因只有三种频率的光能发生光电效应,所以逸出功为2.55 eV<W0≤10.20 eV,故选C。
8.手机屏幕的亮度传感器与光电效应原理有关,在某次实验中,我们得到的关于遏止电压和入射光频率的关系图像如图所示,其中Uc为遏止电压,ν为入射光的频率,电子的电荷量为e,则下列说法正确的是( )
A.普朗克常量h=
B.入射光频率越高,得到的光电子的初动能越大
C.若更换材料再实验,则得到的图线斜率改变,b改变
D.金属的逸出功为eb
答案 D
解析 由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W0,又Ekm=eUc,解得Uc=-,图线的斜率=,解得h=e,故A错误;入射光频率越高,得到的光电子的最大初动能越大,光电子的初动能不一定大,故B错误;纵轴截距的绝对值b=,解得逸出功W0=eb,故D正确;若更换材料再实验,即逸出功改变,得到的图线的斜率不变,b改变,故C错误。
9.目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为En=,其中E1=-13.6 eV。如图是按能量排列的电磁波谱,要使n=20的氢原子吸收一个光子后,恰好失去一个电子变成氢离子,被吸收的光子是( )
A.红外线波段的光子 B.可见光波段的光子
C.紫外线波段的光子 D.X射线波段的光子
答案 A
解析 要使处于n=20的氢原子吸收一个光子后恰好失去一个电子变成氢离子,则需要吸收光子的能量为E=0-() eV=0.034 eV,
结合题图可知被吸收的光子是红外线波段的光子,故选A。
10.研究光电效应的电路图如图甲所示,现用某一频率的单色光照射阴极K,改变滑动变阻器滑片P的位置,记录微安表的示数I和对应电压表的示数U,然后将电源的正负极对调,重复上述过程,作出I-U图像如图乙所示。已知电子的电荷量大小为e,普朗克常量为h,则下列说法正确的是( )
A.入射光的频率为
B.阴极K的逸出功为Uce
C.从阴极K逸出的光电子最大初动能为Uce
D.图乙中电压Uc大小与入射光的频率ν成正比
答案 C
解析 根据动能定理有Ek=eUc,故从阴极K逸出的光电子最大初动能为Uce,故C正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0,可得:eUc=hν-W0,故无法求出入射光的频率以及阴极K的逸出功,故A、B错误;将上式整理可得Uc=ν-,可知题图乙中电压Uc大小与入射光的频率ν为一次函数关系,不成正比,故D错误。
11.如图甲是用于研究光电效应的实验装置,图乙是氢原子的能级结构图。实验发现n=4跃迁到n=2时发出的某种光照射甲图实验装置的阴极时,发现电流表示数不为零,慢慢移动滑动变阻器触点c,发现电压表读数大于等于0.8 V时,电流表读数为零,下列说法正确的是( )
A.光电子的动能为2.55 eV
B.滑动变阻器触点c向a侧慢慢移动时,电流表读数会增大
C.其他条件不变,一群氢原子处于n=4能级跃迁发出的光,总共有3种光可以发生光电效应
D.用不同频率的光子照射该实验装置,记录电流表恰好读数为零的电压表读数,根据频率和电压关系可以精确测量普朗克常量
答案 D
解析 n=4跃迁到n=2的光子能量为2.55 eV,当电压大于等于0.8 V时,逸出的最大动能的光电子被截止,说明光电子最大初动能为0.8 eV。根据爱因斯坦光电效应方程hν-W0=eU,可知该材料的逸出功W0=1.75 eV,故A错误;滑动变阻器触点c慢慢向a端移动,增加遏止电压,电流表读数会减小,甚至有可能出现电流表读数为零,故B错误;从n=4向低能级跃迁,一共可以发射出=6种光,其中n=4跃迁到n=3的光子能量小于逸出功,所以总共有5种光可以发生光电效应,故C错误;根据爱因斯坦光电效应方程hν-W0=eU,可知只要记录光子频率、遏止电压就能精确测量普朗克常量,故D正确。
二、非选择题:共5题,共56分,其中第13题~第16题解答时请写出必要的文字说明,方程式和重要的演算步骤,只写出最后答案的不能得分;有数值计算时,答案中必须明确写出数值和单位。
12.(8分)如图甲所示是工业生产中大部分光电控制设备用到的光控继电器的示意图,它由电源、光电管、放大器、电磁继电器等几部分组成,其原理是:当光照射光电管时电路中产生光电流,经放大器放大的电流产生的磁场使铁芯M被磁化,将衔铁N吸住。当光照消失时,电路中电流消失,衔铁N自动离开M。
(1)(2分)图甲中,为了尽可能增大光电流,a端应是电源的 (填“正”或“负”)极。
(2)(2分)当用绿光照射光电管阴极K时,可以发生光电效应,则下列说法正确的是 。
A.增大绿光照射强度,光电子的最大初动能增大
B.增大绿光照射强度,电路中光电流增大
C.仅改用同等强度的紫光照射,光电子的最大初动能不变
D.仅改用同等强度的紫光照射,光电子的最大初动能变大
(3)(4分)已知用光照强度为Ja的a光和光照强度为Jb的b光照射该光电管,分别产生的光电流I随电源电压U的关系如图乙所示[其中电源按(1)问连接时电压为正],且在电源电压和入射光频率确定时,光电流与光照强度成正比。则a光的频率 (填“大于”“小于”或“等于”)b光的频率。实验发现,用光照强度为Ja的a光照射该光电管时,电压须大于+0.2 V,继电器才能将衔铁吸附。若用光照强度为Jb的b光照射该光电管,调整电源电压,当继电器刚好不能将衔铁吸附时,电源电压为 V(需指出正负)。
答案 (1)正 (2)BD (3)小于 -0.4
解析 (1)为尽可能增大光电流,光电管两端应加正向电压,则a端应是电源的正极。
(2)根据光电效应规律可知,增大光照强度时,光电子的最大初动能不变,但光电流增大,故A错误,B正确;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,因为紫光的频率大于绿光的频率,所以光电子的最大初动能增加,故C错误,D正确。
(3)由于b光的图像与横轴交点在a光的图像与横轴交点的左侧,可知a光的遏止电压小于b光的遏止电压,根据爱因斯坦光电效应方程和Ek=eUc,有eUc=hν-W0,则a光的频率小于b光的频率。用a光照射该光电管,且电源电压为+0.2 V时,由题图乙可得到此时的光电流,如果使用b光照射该光电管,要得到相同的光电流,此时电源电压为-0.4 V。
13.(10分)2023年诺贝尔化学奖授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫,以表彰他们在“发现和开发量子点”方面做出的贡献。FRET(荧光能量共振转移)就是利用了量子点的技术,该技术可以用于检测生物分子的纳米级距离。若某次检测使用的荧光的波长为440 nm,已知普朗克常量为h=6.6×10-34 J·s,求:
(1)(5分)该荧光的一个光子的能量为多少;
(2)(5分)光在一个阿秒(1 as=10-18 s)时间内走过的距离约为一个原子的尺寸,则原子的尺寸约为多少。
答案 (1)4.5×10-19 J (2)3×10-10 m
解析 (1)该荧光的一个光子的能量为ε=hν=h=6.6×10-34× J=4.5×10-19 J
(2)光在一个阿秒(1 as=10-18 s)时间内走过的距离约为一个原子的尺寸,则原子的尺寸约为d=ct=3×108×10-18 m=3×10-10 m。
14.(12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。已知普朗克常量为h,光速为c,电子质量为m。若用波长为的单色光B照射该金属板,求:
(1)(6分)光电子的最大初动能Ekm;
(2)(6分)金属表面逸出光电子的物质波的最短波长λ。
答案 (1)h (2)
解析 (1)依题意,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,根据爱因斯坦光电效应方程,有h-W0=0
用波长为的单色光B照射该金属板,有
Ekm=h-W0
联立可得Ekm=h。
(2)物质波的最短波长λ=,又=Ekm
联立可得金属表面逸出光电子的物质波的最短波长λ=。
15.(12分)如图甲是研究光电效应的实验原理图,阴极K金属的逸出功为3.0 eV。如图乙是氢原子的能级图。用大量处于n=3能级的氢原子跃迁发出的光照射K极,求:
(1)(6分)有几种光可以使该金属发生光电效应,其中频率最大的光子能量是多少 eV;
(2)(6分)从图示位置向左移动滑片P至某处,电压表示数为2.29 V,光电子到达A极的最大动能为多少 eV。
答案 (1)2种 12.09 eV (2)6.8 eV
解析 (1)大量处于n=3能级的氢原子跃迁发出的光子能量分别为
ΔE1=E3-E1=12.09 eV,ΔE2=E2-E1=10.2 eV,ΔE3=E3-E2=1.89 eV,
ΔE>3.0 eV的光子有2种,频率最大的光子能量是:Em=ΔE1=12.09 eV
(2)光电子最大初动能为:Ekm=ΔE1-W0=9.09 eV
由题图甲可知,向左移动滑片P时,K极电势高于A极,根据动能定理有:U(-e)=Ekm'-Ekm
可得光电子到达A极的最大动能为:Ekm'=6.8 eV。
16.(14分)如图甲为氢原子能级示意图的一部分,若处于基态的氢原子由于原子间的碰撞而激发,且发射出6条光谱线。
(1)(6分)求6条光谱线中最长的波长λm(已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,元电荷e=1.6×10-19 C,光速c=3.0×108 m/s,结果保留2位有效数字)。
(2)(8分)若基态氢原子受激发射出6条光谱线,是由于运动的氢原子a与静止的氢原子b碰撞导致,如图乙所示,求氢原子a的最小动能Ek。
答案 (1)1.9×10-6 m (2)25.5 eV
解析 (1)处于基态的氢原子由于原子间的碰撞而激发,且发射出6条光谱线,根据=6,可知处于基态的氢原子由于原子间的碰撞而激发跃迁到n=4能级,可知n=4能级向n=3能级跃迁的光谱线的波长最长,则有E4-E3=h=0.66 eV,解得λm≈1.9×10-6 m
(2)令氢原子a的初速度为v0,则有Ek=m,氢原子a与氢原子b发生完全非弹性碰撞时,系统损失的动能最大,根据动量守恒可得mv0=2mv,解得v=v0
根据题意及能量守恒有
E4-E1=m-×2mv2=m=12.75 eV
联立解得Ek=25.5 eV。
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