第4章 波粒二象性 水平测评+知识网络构建-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（粤教版2019）

第四章　知识网络构建 不连续 光量子 hν 强度 截止 频率 hν=Ek+W0 2 粒子 波动 粒子 波动 波动 粒子 3 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R eq \f(h,λ) eq \f(h,p) eq \f(h,4π) $$ 第四章　水平测评 本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，满分100分，考试时间75分钟。 第Ⅰ卷(选择题，共50分) 一、选择题(本题共10小题，每小题5分，共50分。在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一项符合题目要求，第8～10题有多项符合题目要求。全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的得0分) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1．光子的能量与其(　　) A．频率成正比 B．波长成正比 C．速度成正比 D．速度平方成正比 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2．关于波动性和粒子性，下列认识正确的是(　　) A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波 B．只有光子具有波粒二象性，其他实物粒子没有 C．康普顿效应揭示了光具有波动性 D．宏观物体尽管可以看作物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象 解析　根据德布罗意物质波理论知，任何一个运动的物体，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，A正确；任何物体都具有波粒二象性，B错误；康普顿效应揭示了光具有粒子性，C错误；干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 3．有关光的本性，下列说法中正确的是(　　) A．光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对立的 B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性 D．由于光既具有波动性，又有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 解析　光既具有波动性，又具有粒子性，并不是矛盾和对立的，故A错误；光是概率波，不同于机械波，光的粒子性也不同于质点，故B错误；光既具有粒子性，又具有波动性，大量的光子波动性比较明显，个别光子粒子性比较明显，故C错误；由于光具有波动性，又具有粒子性，即光的波动性与粒子性是光子本身的一种属性，故无法只用其中一种去说明光的一切行为，故光具有波粒二象性，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4．光子不仅有能量，还有动量，光照射到某个面上就会产生压力．有人设想在火星探测器上安装面积很大的薄膜，正对着太阳光，靠太阳光在薄膜上产生压力推动探测器前进．第一次安装的是反射率极高的薄膜，第二次安装的是吸收率极高的薄膜，那么(　　) A．安装反射率极高的薄膜，探测器的加速度大 B．安装吸收率极高的薄膜，探测器的加速度大 C．两种情况下，由于探测器的质量一样，探测器的加速度大小应相同 D．两种情况下，探测器的加速度大小无法比较 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 解析　若薄膜的反射率极高，那么光子与其作用后，动量改变较大，由动量定理可知，若作用时间都相同，薄膜反射对光子的作用力较大，根据牛顿第三定律，光子对薄膜的作用力也较大，因此探测器可获得较大的加速度，A正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 6．一盏电灯发光功率为100 W，假设它发出的光向四周均匀辐射，光的平均波长λ＝6.0×10－7 m，在以电灯为球心、半径为10 m的球面上，1 m2的面积每秒通过的光子数约是(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)(　　) A．2×1017 B．2×1016 C．2×1015 D．2×1023 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 7．如图所示，分别用功率相同的甲光和乙光照射相同 的光电管阴极，甲光的频率为ν1，乙光的频率为ν2，ν1<ν2， 产生的光电流I随阳极与阴极间电压U的变化规律，正确的是 (　　) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 8．如图所示，某种单色光射到光电管的阴极上时，电流表有示数，则(　　) A．入射的单色光的频率必大于阴极材料的截止频率 B．增大单色光的强度，电流表示数将增大 C．滑片P向左移，可增大电流表示数 D．滑片P向左移，电流表示数将减小，甚至为零 解析　光电管内是真空的，靠阴极K放出的光电子导电，电流表有示数，必然发生了光电效应，则A、B正确；当滑片P向左移时，K极的电势比A极高，光电管上加的是反向电压，故C错误，D正确． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 9．胶片电影利用光电管把“声音的照片”还原成声音，原理如图所示，在电影放映机中用频率为ν、强度不变的一极窄光束照射声音轨道，由于影片上各处的声音轨道宽窄不同，在影片移动的过程中，通过声音轨道后的光强随之变化，射向光电管后，在电路中产生变化的电流，经放大电路放大后，通过喇叭就可以把声音放出来．则(　　) A．只减小光的频率，一定可以还原出声音 B．只增大光的频率，一定可以还原出声音 C．a端为电源正极 D．a端为电源负极 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 解析　只增大光的频率，由光电效应的实验 规律知，当光的频率增大到超过金属的截止频率 时，肯定有光电子从光电管的阴极逸出，到达阳 极，从而使电路导通，一定可以还原出声音，只 减小光的频率则不一定发生光电效应现象使电路 导通，故A错误，B正确；光照射部分为光电管的阴极，光电子从光电管的阴极逸出后，在电场力作用下到达阳极，阴极与电源负极连接，阳极与电源正极连接，故a端为电源正极，故C正确，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 10．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<Ub B．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb C．若Ua<Ub，则一定有Eka<Ekb D．若νa>νb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 解析　光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eU＝Ek，根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0，若νa>νb，则Eka>Ekb，Ua>Ub，A错误，B正确；若Ua<Ub，则Eka<Ekb，C正确；由光电效应方程可得W0＝hν－Ek，则hνa－Eka＝hνb－Ekb，D错误． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 第Ⅱ卷(非选择题，共50分) 二、实验题(本题共2小题，共12分) 11．(6分)如图甲所示，一验电器与锌板相连，在A处用 一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角． (1)甲图中金属片张开是因为验电器带_____(填“正”或 “负”)电，若改用强度较弱的紫外线照射锌板____(填“能”或 “不能”)使金属片张开． (2)现用一带少量负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将_______(填“增大”“减小”或“不变”)． 正 能 减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 (3)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转．那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板，可观察到验电器指针______(填“有”或“无”)偏转． (4)光电效应实验和康普顿效应实验都证明了光具有__________(填“粒子性”或“波动性”)．乙图中ν1_____ν(填“>”“<”或“＝”)． 无 粒子性 > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 解析　(1)紫外线灯照射锌板，锌板产生光电效应，光电子射出后，锌板带正电，验电器带正电，验电器的金属片张开．只要入射光的频率大于截止频率，光电效应就会发生，与光照强度无关，故改用较弱的紫外线照射锌板，锌板一样产生光电效应，光电子射出后，锌板带正电，验电器带正电，验电器的金属片张开． (2)在A处用一紫外线灯照射锌板，锌板产生光电效应，光电子射出后，锌板带正电，用一带少量负电的金属小球与锌板接触，会使锌板上带的正电减少，验电器指针偏角将减小． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 (3)用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转，说明黄光不能使锌板产生光电效应；改用红外线灯照射锌板，红外线的频率小于黄光的频率，红外线也不能使锌板产生光电效应，故验电器指针无偏转． (4)光电效应实验和康普顿效应实验都证明了光具有粒子性．乙图中光子与电子碰撞后，光子的能量减小，光子的频率减小，则ν1>ν. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 12．(6分)用金属物制成的光电管观测光电效应的装置如图甲所示． (1)图甲中电极K为光电管的________(选填 “阴极”或“阳极”)． (2)要观察遏止电压，电源正、负极的接线 为__________(选填“左负右正”或“左正右负”)． (3)用不同频率的光照射该光电管，测得遏止电压Uc与入射光频率的关系图像如图乙所示，则该金属的截止频率νc＝_________ Hz，逸出功W0＝___________ J．已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s.(结果均保留两位有效数字) 阴极 左负右正 5.0×1014 3.3×10－19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 解析　(1)光束照射到光电管的阴极K上后，光电子从阴极K上逸出． (2)要观察遏止电压，则加反向电压，电源正、负极的接线为左负右正． (3)根据爱因斯坦光电效应方程hν＝Ek＋W0，eUc＝Ek，得eUc＝hν－W0，因此当遏止电压为零时有hνc＝W0，由图像可知，该金属的截止频率νc＝5.0×1014 Hz，则求得该金属的逸出功W0＝hνc＝3.3×10－19 J. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 三、论述、计算题(本题共3小题，共38分．解答应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．有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位) 13．(10分)电视显像管中的电子的加速电压为10 kV，电子枪的枪口直径设为0.01 cm，试求电子射出电子枪后的横向速度的不确定量． 答案　Δvx≥0.58 m/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 14．(12分)由于光子具有动量，当光照射到物体表面时，会对物体表面产生持续均匀的压力，这种压力会对物体表面产生压强，这就是“光压”，用I表示．一台发光功率为P0的激光器发出一束频率为ν0的激光，光束的横截面积为S.当该激光束垂直照射到某物体表面时，假设光全部被吸收(即光子的末动量变为0)．求 (1)该激光器在单位时间内发出的光子数N； (2)该激光作用在物体表面时产生的光压I. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 15.(16分)如图所示，阴极K用极限波长是λ0＝0.66 μm 的 金属铯制成，用波长λ＝0.50 μm的绿光照射阴极K，调整两个 极板间电压，当A极电势比阴极高出2.5 V时，光电流达到饱 和，电流表的示数为0.64 μA.(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s， 电子电荷量e＝1.6×10－19 C，真空中的光速c＝3×108 m/s)求： (1)每秒钟内阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K时的最大初动能； (2)若把入射到阴极的绿光的光强增大到原来的二倍，求每秒钟阴极发射的光电子数和光电子到达A极的最大动能； (3)电流表中电流为零的条件即遏止电压UAK. 答案　(1)4.0×1012　9.6×10－20 J　(2)8.0×1012　4.96×10－19 J　(3)－0.6 V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 (2)若入射光的频率不变，光的强度加倍，则阴极每秒发 射的光电子数也加倍，即：n′＝2n＝8.0×1012. 根据Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能不变，由于 A、K之间电势差是2.5 V，所以电子到达A极时的最大动能： Ek′＝Ek＋eU＝4.96×10－19 J. (3)光电子的最大初动能：Ek＝9.6×10－20 J＝0.6 eV 若使电流表中电流为零，即光电子恰好不能到达A极，则光电子克服电场力做功最大为W＝eUc＝Ek 解得：Uc＝0.6 V，即UAK＝－0.6 V. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析　由ε＝hν、c＝λν得ε＝hν＝heq \f(c,λ)，可见光子的能量与其频率成正比、与其波长成反比，A正确，B错误；由于任意能量的光子在真空中传播的速度都是相同的，故C、D错误． 5．A、B两种光子的能量之比为2∶1，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB，则下列说法正确的是(　　) A．A、B两种光子的频率之比为1∶2 B．A、B两种光子的动量之比为1∶2 C．该金属的逸出功W0＝EA－2EB D．该金属的截止频率ν0＝eq \f(EA－EB,h) 解析　由ε＝hν知，光子的能量与频率成正比，则A、B两种光子的频率之比为2∶1，故A错误；由光子能量ε＝eq \f(hc,λ)和动量p＝eq \f(h,λ)知，A、B两种光子的动量之比等于A、B两种光子的能量之比，为pA∶pB＝2∶1，故B错误；EA＝εA－W0，EB＝εB－W0，εA∶εB＝2∶1，解得W0＝EA－2EB，故C正确；该金属的截止频率为ν0＝eq \f(W0,h)＝eq \f(EA－2EB,h)，故D错误． 解析　光是电磁波，辐射能量是一份一份地进行的，100 W的电灯每秒产生光能E＝100 J，设电灯每秒发射的光子数为n，则E＝nhν＝eq \f(nhc,λ)，在以电灯为球心、半径为10 m的球面上，S′＝1 m2的面积每秒通过的光子数为n′＝eq \f(nS′,4πR2)＝eq \f(EλS′,4πR2hc)≈2×1017，故A正确． 解析　根据爱因斯坦光电效应方程hν＝Ek＋W0，以及遏止电压和光电子最大初动能的关系eUc＝Ek，可得Uc＝eq \f(hν－W0,e)，由于乙光的频率大于甲光的频率，即ν2＞ν1，由上式知，乙光对应的遏止电压大于甲光所对应的遏止电压．由于甲光和乙光的功率相同，即在单位时间单位面积上甲光的能量等于乙光的能量，设甲光单位时间照射到单位面积上的光子个数为n1，乙光单位时间照射到单位面积上的光子个数为n2，则有n1hν1＝n2hν2，由于ν1＜ν2，故n1＞n2；由于光子和光电子是一一对应的关系，所以甲光照射光电管单位时间内产生的光电子个数大于乙光单位时间内产生的光电子个数，故甲光对应的饱和光电流大于乙光对应的饱和光电流．综上所述，C正确，A、B、D错误． 解析　电子的横向位置不确定量Δx＝0.01 cm，由不确定关系式得 Δvx≥eq \f(h,4πmΔx) ＝eq \f(6.63×10－34,4×3.14×0.91×10－30×10－4) m/s ≈0.58 m/s. 答案　(1)eq \f(P0,hν0)　(2)eq \f(P0,cS) 解析　(1)单位时间发出激光的能量为P0＝Nε， 光子能量为ε＝hν0 得单位时间内发出的光子数为N＝eq \f(P0,hν0). (2)设该激光作用在物体表面时产生的压力为F0，根据牛顿第三定律，物体表面对激光的力大小也为F0，设作用时间为Δt，由动量定理可知F0Δt＝ΔtNp 又p＝eq \f(h,λ)＝eq \f(hν0,c)，I＝eq \f(F0,S)， 联立解得I＝eq \f(P0,cS). 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，所以阴极每秒钟发射的光电子的个数： n＝eq \f(Imt,e)＝eq \f(0.64×10－6×1,1.6×10－19)＝4.0×1012. 根据光电效应方程：hν＝Ek＋W0， 且W0＝eq \f(hc,λ0)，ν＝eq \f(c,λ) 联立并代入数据可求得：Ek≈9.6×10－20 J. $$