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普高物理2021新教材选修3第14章微观粒子的波粒二象性第4讲 康普顿效应 光的波粒二象性(讲义)--学生版(定稿)
普高物理2021新教材选修3第14章微观粒子的波粒二象性第4讲康普顿效应 光的波粒二象性
知识点1、康普顿效应和光子的动量
1、光的散射:光子在介质中与 相互作用,使光的传播方向 ,这种现象叫作光的散射。
2、康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长 λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
3、康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有 。深入揭示了光的 的一面。
4、光子的动量
4.1、表达式:p=。
4.2、说明:在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,光子的动量可能变小。因此,有些光子散射后波长 。
思考:光子与静止的电子碰撞,碰撞后电子的运动方向如图所示。
(1)碰后光子可能沿哪个方向运动?
(2)碰后光子的波长怎样变化?
5、光的散射:光在介质中与物质粒子相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。
6、康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
7、用光子说解释康普顿效应
康普顿认为X射线的光子不仅具有能量,也像其他粒子那样具有动量,X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律,求解这些方程,可以得出散射光波长的变化量Δλ,理论结果与实验符合得很好。
如图为X射线的光子与石墨中电子碰撞前后状态的示意图。
专题讲练1
1、物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,用X光对静止的电子进行照射,照射后电子获得速度的同时,X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是( )
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把部分动量转移给电子,因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比,速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向,但频率保持不变
2、在研究石墨对X射线的散射时,康普顿发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分。这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比( )
A.能量增大 B.动量增大 C.波速减小 D.频率减小
3、(多选)关于康普顿效应,下列说法正确的是( )
A.康普顿在研究X射线散射时,发现散射光的波长发生了变化,为波动说提供了依据
B.康普顿效应无法用经典物理学解释
C.发生散射时,波长较短的X射线入射时,产生康普顿效应
D.爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应,所以康普顿效应支持粒子说
4、频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射,下列关于光子散射的说法正确的是( )
A.光子改变原来的运动方向,传播速度变小 B.光子在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大
C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长小于入射光子的波长
D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率
5、(多选)实验表明:光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时,光的波长会变长或者不变,这种现象叫康普顿散射,该过程遵循能量守恒定律与动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度,以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子,则该散射被称为逆康普顿散射,这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射,下列说法中正确的是(BD)
A.相对于散射前的入射光,散射光在介质中的传播速度变大
B.若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应,则散射光照射该金属时,光电子最大初动能将变大
C.散射光中存在波长变长的成分 D.散射光中存在频率变大的成分
6、a、b两种光的频率之比为νa∶νb=2∶1,将两种光分别照射到截止频率为的金属上,则a、b两种光子的动量之比及产生的光电子的最大初动能之比分别为( )
A.2∶1 3∶1 B.1∶2 3∶1 C.2∶1 1∶3 D.1∶2 1∶3
7、大型钛合金构件在航天、航空领域应用广泛,我国使用微光焊接复杂钛合金构件的技术和能力已达到世界一流水平。若某型号激光焊机的功率为30 kW,发射的激光波长为λ=1 064 nm,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速为c=3.0×108 m/s,则( )
A.该激光的频率为2.82×1013 Hz B.每个激光光子的能量为1.87×10-19 J
C.每个激光光子的动量为6.23×10-27 kg·m/s D.该型号焊机每秒发射激光光子数约为1.60×1022个
8、在“焊接”视网膜的眼科手术中,所用激光的波长为λ,每个激光脉冲中的光子数目为n,已知普朗克常量为h,光速为c,则( )
A.用激光“焊接”视网膜是因为激光具有高度的相干性 B.激光的频率为
C.激光光子的动量为 D.每个激光脉冲的能量为nh
9、频率为ν的光子,波长为λ=,能量为E,则光的速度为( )
A. B.pE C. D.
10、红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光,每一道闪光称为一个光脉冲,现有一红宝石激光器,发射功率为P,所发射的每个光脉冲持续的时间为Δt,波长为λ,则每个光脉冲中含有的光子数是( )
A. B. C. D.
11、太阳帆飞行器是利用太阳光获得动力的一种航天器,其原理是光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量。若光子垂直太阳帆入射并反射,其波长始终为λ,普朗克常量为h,则一个光子对太阳帆的冲量大小为( )
A. B. C. D.
12、我国使用激光焊接复杂钛合金构件的技术和能力已达到世界一流水平,若焊接所用的激光波长为λ,每个激光脉冲中的光子数目为n,已知普朗克常量为h、光速为c,则下列说法中正确的是( )
A.激光焊接利用了激光的相干性 B.激光的频率为
C.每个激光脉冲的能量为nh D.每个激光脉冲的动量为n
13、(多选)某物理科研小组在实验中发现,频率为ν的激光光子与静止的电子碰撞后光子频率变为ν′,碰撞后的光子照射极限频率为ν的光电管阴极K,电子垂直磁场方向射入磁感应强度为B的匀强磁场中,示意图如图。已知光子与电子碰撞过程中没有能量损失,电子质量为m,碰撞后电子获得的动量为p,普朗克常量为h,光速为c,则( )
A.碰撞后光子的波长为 B.电子增加的动能为
C.电子将做半径为r=的匀速圆周运动
D.光电管阴极处可能会发生光电效应
14、有人设想在遥远的宇宙探测时,给探测器安上反射率极高(可认为100%)的薄膜,并让它正对太阳,用光压为动力推动探测器加速。已知某探测器在轨道上运行,阳光恰好垂直照射在薄膜上,薄膜面积为S,每秒每平方米面积获得的太阳光能为E,若探测器总质量为M,光速为c,普朗克常量为h,则探测器获得加速度大小的表达式是( )
A. B. C. D.
15、(多选)频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射,下列关于光子散射的说法正确的是( )
A.光子改变原来的运动方向,传播速度变小
B.光子由于在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大
C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长大于入射光子的波长
D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率
16、(多选)物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应,以下说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光子有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
17、关于康普顿效应,下列说法正确的是( )
A.康普顿效应证明光具有波动性
B.康普顿效应可用经典电磁理论进行解释
C.康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现,在散射的X射线中,有些波长变长了
D.康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现,在散射的X射线中,有些波长变短了
18、图中四幅图涉及光的粒子性和波动性,其中说法正确的是( )
A.图甲的光电效应实验说明光具有波粒二象性
B.图乙说明,在光电效应中,同一单色入射光越强,饱和电流越大
C.图丙的“泊松亮斑”说明光具有波动性,是光通过小圆孔时发生衍射形成的
D.图丁的康普顿效应表明光子具有动量,揭示了光的波动性的一面
19、科学研究证明,光子既有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ′,则碰撞过程中( )
A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ′ B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ′
C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ′ D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ′
20、康普顿散射的主要特征是( )
A.散射光的波长与入射光的波长完全不同
B.散射光的波长有些与入射光的相同,但有些变短了,散射角的大小与散射波长无关
C.散射光的波长有些与入射光的相同,但也有变长的,也有变短的
D.散射光的波长有些与入射光的相同,有些散射光的波长比入射光的波长长些,且散射光波长的改变量与散射角的大小有关
21、美国物理学家阿瑟阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖,原来光在接触物体后,会对其产生力的作用,这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动,这就是光镊技术.在光镊系统中,光路的精细控制非常重要.对此下列说法正确的是( )
A.光镊技术利用光的粒子性 B.光镊技术利用光的波动性
C.红色激光光子能量大于绿色激光光子能量 D.红色激光光子动量大于绿色激光光子动量
22、一台激光器发射激光的功率为P,光束垂直入射到真空中的某一平面,被平面完全反射后频率保持不变.已知光的波长为λ,光在真空中的速度为c,下列说法正确的是( )
A.激光的波长越短,其光子的动量越小 B.被平面反射后激光光子的动量变大
C.增大激光器发出的激光功率,光束对平面的压力增大 D.单位时间内入射到平面的光子数目为
23、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)光电子的最大初动能Ek; (2)A、B两种光子的动量之比.
知识点2、光的波粒二象性
情景导学:
为了对光的本性做进一步的考察与分析,物理学家把屏换成感光底片,在不断变化光强的情况下,用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示)。
不同光强下光的双缝干涉实验结果
光很弱时,感光底片上的图像与我们通常观察到光的双缝干涉的图像相差很远如图(a);增强光的强度,光的双缝干涉的图像变得清晰起来如图(b);当光较强时,得到的图像与我们通常观察到的光的双缝干涉图像一样如图(c)。这个实验说明了什么?
1、光的干涉和衍射现象说明光具有 , 效应和 效应说明光具有粒子性。
2、光子的能量ε=hν,光子的动量p=。 3、光子既有粒子性,又有波动性,即光具有 二象性。
4、对光的波粒二象性的理解
实验基础
表现
说明
光的波动性
干涉和衍射
(1) 光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)足够能量的光在传播时,表现出波的性质
(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的
(2)光的波动性不同于宏观观念的波
光的粒
子性
光电效应、康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性
(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
(2)光子不同于宏观观念的粒子
专题讲练2
1、关于光的粒子性、波动性和波粒二象性,下列说法正确的是( )
A.光子说的确立完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同
C.光的波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象
D.光电效应说明光具有粒子性,康普顿效应说明光具有波动性
2、关于光的波粒二象性的理解正确的是( )
A.大量光子的行为往往表现出粒子性,个别光子的行为往往表现出波动性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转化成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
3、(多选)下列有关光的波粒二象性的说法正确的是( )
A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出波动性
4、关于光的本质下列说法正确的是( )
A.康普顿效应说明光具有波动性 B.光的干涉、衍射现象说明光具有粒子性
C.在任何情况下,光都既具有波动性、同时又具有粒子性 D.光的波动性和粒子性是相互矛盾的
5、如图所示,当弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器箔片有张角,则该实验( )
A.只能证明光具有波动性 B.只能证明光具有粒子性
C.只能证明光能够发生衍射 D.证明光具有波粒二象性
6、物理学家阿瑟·阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖。光在接触物体后,会对其产生力的作用,这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动,这就是光镊技术。在光镊系统中,光路的精细控制非常重要。对此下列说法正确的是( )
A.光镊技术利用光的粒子性 B.光镊技术利用光的波动性
C.红色激光光子能量大于绿色激光光子能量 D.红色激光光子动量大于绿色激光光子动量
7、 (多选)对光的认识,下列说法正确的是( )
A.少量光子的行为易表现出粒子性,大量光子的行为易表现出波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性可以理解为在某些场合下光的波动性表现明显,在某些场合下,光的粒子性表现明显
8、(多选)关于光的波粒二象性,下列理解正确的是( )
A.高频光是粒子,低频光是波 B.大量的光子往往表现出波动性,个别光子往往表现出粒子性
C.波粒二象性是光的属性,只是有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
D.光在传播时是波,而与物质发生相互作用时转变成粒子
9、关于光的波粒二象性的说法中,正确的是( )(多选)
A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样一种粒子
C.光在本质上是一种频率很高的电磁波 D.光的波长越长,其波动性越显著,波长越短,其粒子性越显著
10、用极微弱的可见光做双缝干涉实验,随着时间的增加,在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图象,则( )(多选)
A.图象(a)表明光具有粒子性 B.图象(c)表明光具有波动性
C.用紫外光观察不到类似的图象 D.用射线可以观察到类似的图象
11、通过学习波粒二象性的内容,你认为下列说法正确的是( )
A.能量较大的光子其波动性越显著 B.速度相同的质子和电子相比,质子的波动性更为明显
C.波粒二象性指光有时表现为波动性,有时表现为粒子性
D.康普顿效应中光子与静止的电子发生相互作用后,光子的波长变小了
12、下列关于光的说法中,正确的是( )
A.光有时是波,有时是粒子 B.光电效应表明在一定条件下,光子可以转化为电子
C.光的干涉现象和光的衍射现象说明光具有粒子性 D.光电效应现象说明光具有粒子性
13、波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的有( B )
A.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 B.光电效应现象揭示了光具有粒子性
C.康普顿效应揭示了光具有波动性 D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等
14、关于光的波粒二象性下列说法正确的是( )
A.光子说完全否定了波动说 B.光波频率越高,波动性越明显
C.个别光子易表现出粒子性,大量光子易表现出波动性
D.光的波粒二象性是指光和经典的波和微粒都很相似
15、在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是( )
A.光子通过狭缝的运动路线像水波一样起伏
B.使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上将会显示衍射图样
C.单个光子通过单缝后,底片上也会出现完整的衍射图样
D.单个光子通过单缝后的运动情况具有随机性,大量光子通过单缝后的运动情况也呈现随机性
16、我国已研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”,对芯片制造领域技术突破作出重大贡献,光刻所用光的波长越短,分辨率越高.下面关于光的波粒二象性的说法中,正确的说法是( )
A.光不可能同时既具有波动性,又具有粒子性
B.频率越小的光其粒子性越显著,频率越大的光其波动性越显著
C.光在传播时往往表现出粒子性,光在跟物质相互作用时往往表现出波动性
D.大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性
17、关于光的粒子性、波动性和波粒二象性,下列说法正确的是( )
A.光子说的确立完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同
C.光的波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象
D.光电效应说明光具有粒子性,康普顿效应说明光具有波动性
18、下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是( C )
A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往表现出粒子性
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普高物理2021新教材选修3第14章微观粒子的波粒二象性第4讲康普顿效应 光的波粒二象性
知识点1、康普顿效应和光子的动量
1、光的散射:光子在介质中与物质微粒相互作用,使光的传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。
2、康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
3、康普顿效应的意义:康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量。深入揭示了光的粒子性的一面。
4、光子的动量
4.1、表达式:p=。
4.2、说明:在康普顿效应中,当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,光子的动量可能变小。因此,有些光子散射后波长变大。
思考:光子与静止的电子碰撞,碰撞后电子的运动方向如图所示。
(1)碰后光子可能沿哪个方向运动?
(2)碰后光子的波长怎样变化?
提示(1)碰撞前后总动量应保持一致的方向,故碰后光子只可能沿1的方向。
(2)通过碰撞,光子的一部分动量转移给电子,光子动量减少,根据p=,波长变长。
5、光的散射:光在介质中与物质粒子相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫作光的散射。
6、康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。
7、用光子说解释康普顿效应
康普顿认为X射线的光子不仅具有能量,也像其他粒子那样具有动量,X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵守能量守恒定律和动量守恒定律,求解这些方程,可以得出散射光波长的变化量Δλ,理论结果与实验符合得很好。
如图为X射线的光子与石墨中电子碰撞前后状态的示意图。
专题讲练1
1、物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,用X光对静止的电子进行照射,照射后电子获得速度的同时,X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是( B )
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把部分动量转移给电子,因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比,速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向,但频率保持不变
在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把部分动量转移给电子,则光子动量减小,但速度仍为光速c,根据p=,知光子频率减小,康普顿效应说明光不但具有能量而且具有动量,故A、C、D错误,B正确。
2、在研究石墨对X射线的散射时,康普顿发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分。这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比( D )
A.能量增大 B.动量增大 C.波速减小 D.频率减小
解析 这些波长大于λ0的成分与入射的X射线相比,传播介质不变,波速v不变,X射线光子的能量和动量分别为ε=hν=h,p=,所以频率ν减小,能量ε减小,动量p减小,故A、B、C错误,D正确。
3、(多选)关于康普顿效应,下列说法正确的是( BCD )
A.康普顿在研究X射线散射时,发现散射光的波长发生了变化,为波动说提供了依据
B.康普顿效应无法用经典物理学解释
C.发生散射时,波长较短的X射线入射时,产生康普顿效应
D.爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应,所以康普顿效应支持粒子说
解析 康普顿在研究射线散射时,发现散射光波长发生了变化,这种现象用波动说无法解释,用光子说却可以解释,故A错误,D正确;康普顿效应无法用经典物理学解释,故B正确;发生散射时,入射的光子把一部分动量转移给电子,产生康普顿效应,故C正确。
4、频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射,下列关于光子散射的说法正确的是( D )
A.光子改变原来的运动方向,传播速度变小 B.光子在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大
C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长小于入射光子的波长
D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率
解析 碰撞后光子改变原来的运动方向,但传播速度不变,A错误;光子在与电子碰撞中损失能量,因而频率减小,即ν>ν′,再由c=λ1ν=λ2ν′,得到λ1<λ2,B、C错误,D正确.
5、(多选)实验表明:光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时,光的波长会变长或者不变,这种现象叫康普顿散射,该过程遵循能量守恒定律与动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度,以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子,则该散射被称为逆康普顿散射,这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射,下列说法中正确的是(BD)
A.相对于散射前的入射光,散射光在介质中的传播速度变大
B.若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应,则散射光照射该金属时,光电子最大初动能将变大
C.散射光中存在波长变长的成分
D.散射光中存在频率变大的成分
解析 相对于散射前的入射光,散射光在介质中的传播速度不变,A错误;若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应,则因散射后光的能量变大,故照射该金属时,由光电效应方程Ek=hν-W0,光电子的最大初动能将变大,B正确;散射后光的能量变大,由ε=hν=h,所以散射光中存在频率变大的成分即波长变短的成分,C错误,D正确。
6、a、b两种光的频率之比为νa∶νb=2∶1,将两种光分别照射到截止频率为的金属上,则a、b两种光子的动量之比及产生的光电子的最大初动能之比分别为( A )
A.2∶1 3∶1 B.1∶2 3∶1 C.2∶1 1∶3 D.1∶2 1∶3
解析 由p==得,a、b两种光子的动量之比为2∶1。又因为Ek=hν-W0,所以Eka=2hνb-h=,Ekb=hνb-=,则a、b两种光子的最大初动能之比为3∶1。故选A。
7、大型钛合金构件在航天、航空领域应用广泛,我国使用微光焊接复杂钛合金构件的技术和能力已达到世界一流水平。若某型号激光焊机的功率为30 kW,发射的激光波长为λ=1 064 nm,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速为c=3.0×108 m/s,则( B )
A.该激光的频率为2.82×1013 Hz B.每个激光光子的能量为1.87×10-19 J
C.每个激光光子的动量为6.23×10-27 kg·m/s D.该型号焊机每秒发射激光光子数约为1.60×1022个
解析 根据光的波长与频率的关系,可得激光的频率为ν== Hz≈2.82×1014 Hz,故A错误;每个激光光子的能量为E=≈1.87×10-19 J,故B正确;每个激光光子的动量为p=≈6.23×10-28 kg·m/s,故C错误;激光焊机的功率为30 kW,则有Pt=nE,可得每秒发射激光光子数约为n0==≈1.60×1023个,故D错误。
8、在“焊接”视网膜的眼科手术中,所用激光的波长为λ,每个激光脉冲中的光子数目为n,已知普朗克常量为h,光速为c,则( D )
A.用激光“焊接”视网膜是因为激光具有高度的相干性 B.激光的频率为
C.激光光子的动量为 D.每个激光脉冲的能量为nh
解析 用激光“焊接”视网膜利用了激光频率高、能量高的特点,故A错误;根据c=νλ可知激光的频率为ν=,故B错误;激光光子的动量为p=,故C错误;根据ε=hν和c=νλ可知,单个光子的能量为h,则每个激光脉冲的能量为nh,故D正确.
9、频率为ν的光子,波长为λ=,能量为E,则光的速度为( A )
A. B.pE C. D. 解:根据光速c=λν和光子的能量E=hν可得光的速度为c=λ=,故A正确.
10、红宝石激光器发射的激光是不连续的一道一道的闪光,每一道闪光称为一个光脉冲,现有一红宝石激光器,发射功率为P,所发射的每个光脉冲持续的时间为Δt,波长为λ,则每个光脉冲中含有的光子数是( D )
A. B. C. D.
【解析】一个光脉冲的能量:E=PΔt.每个光子能量E0=h,所以每个光脉冲中含有的光子数n=
11、太阳帆飞行器是利用太阳光获得动力的一种航天器,其原理是光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量。若光子垂直太阳帆入射并反射,其波长始终为λ,普朗克常量为h,则一个光子对太阳帆的冲量大小为(B)
A. B. C. D.
解析 光子在太阳帆表面反射的过程中会对太阳帆产生一个冲量,光子垂直太阳帆入射并反射,根据动量定理I=Δp=2,故选B。
12、我国使用激光焊接复杂钛合金构件的技术和能力已达到世界一流水平,若焊接所用的激光波长为λ,每个激光脉冲中的光子数目为n,已知普朗克常量为h、光速为c,则下列说法中正确的是( C )
A.激光焊接利用了激光的相干性 B.激光的频率为
C.每个激光脉冲的能量为nh D.每个激光脉冲的动量为n
解析 激光焊接利用了激光的能量,不是相干性,故A错误;激光的频率f=,故B错误;每个光子的能量E=hν=h,每个激光脉冲的能量为E′=nE=nh,故C正确;激光光子的动量p=,每个激光脉冲的动量为p′=np=n,故D错误。
13、(多选)某物理科研小组在实验中发现,频率为ν的激光光子与静止的电子碰撞后光子频率变为ν′,碰撞后的光子照射极限频率为ν的光电管阴极K,电子垂直磁场方向射入磁感应强度为B的匀强磁场中,示意图如图。已知光子与电子碰撞过程中没有能量损失,电子质量为m,碰撞后电子获得的动量为p,普朗克常量为h,光速为c,则( BC )
A.碰撞后光子的波长为 B.电子增加的动能为
C.电子将做半径为r=的匀速圆周运动
D.光电管阴极处可能会发生光电效应
解析 碰撞后光子频率变为ν′,光子的波长为λ′=,选项A错误;碰撞后电子获得的动量为p,则电子增加的动能为Ek=,选项B正确;根据qvB=m,电子将做半径为r==的匀速圆周运动,选项C正确;光电管阴极的极限频率为ν,而光子的频率ν′<ν,则光电管阴极处不可能发生光电效应,故D错误。
14、有人设想在遥远的宇宙探测时,给探测器安上反射率极高(可认为100%)的薄膜,并让它正对太阳,用光压为动力推动探测器加速。已知某探测器在轨道上运行,阳光恰好垂直照射在薄膜上,薄膜面积为S,每秒每平方米面积获得的太阳光能为E,若探测器总质量为M,光速为c,普朗克常量为h,则探测器获得加速度大小的表达式是( A )
A. B. C. D.
解析 光子垂直照射后全部反射,每秒在薄膜上产生的总能量为ES,结合单个光子的能量ε=hν,则N个光子的总能量为Nhν=Nh=ES,解得λ=,结合单个光子的动量p=
则光子的总动量变化量大小为Δp=2N=2N=
以光子为研究对象,由动量定理得FΔt=Δp
式中Δt=1 s,解得F=,根据牛顿第三定律,光子对探测器的作用力大小为F′=F=
根据牛顿第二定律得F′=Ma 解得a=,A正确,B、C、D错误。
15、(多选)频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为,将这个光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射,下列关于光子散射的说法正确的是( CD )
A.光子改变原来的运动方向,传播速度变小
B.光子由于在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大
C.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长大于入射光子的波长
D.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率
解析 碰撞后光子改变原来的运动方向,但传播速度不变,A错误;光子由于在与电子碰撞中损失能量,因而频率减小,即ν>ν′,再由c=λ1ν=λ2ν′,得到λ1<λ2,B错误,C、D正确。
16、(多选)物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时,发现在散射的X射线中,除了与入射波长λ0相同的成分外,还有波长大于λ0的成分,这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应,以下说法正确的是( AC )
A.康普顿效应说明光子有动量
B.康普顿效应现象说明光具有波动性
C.康普顿效应现象说明光具有粒子性
D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加
解析 康普顿效应说明光子具有动量,证明了光具有粒子性,B错误,A、C正确;光子与晶体中的电子碰撞时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会减少,D错误。
17、关于康普顿效应,下列说法正确的是( C )
A.康普顿效应证明光具有波动性
B.康普顿效应可用经典电磁理论进行解释
C.康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现,在散射的X射线中,有些波长变长了
D.康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现,在散射的X射线中,有些波长变短了
解析 康普顿效应揭示了光具有粒子性,故A错误;光电效应和康普顿效应都无法用经典电磁理论进行解释,B错误;在康普顿效应中,当入射光子与晶体中的电子碰撞时,把一部分动量转移给电子,则动量减小,根据λ=,知波长变长,故C正确,D错误。
18、图中四幅图涉及光的粒子性和波动性,其中说法正确的是( B )
A.图甲的光电效应实验说明光具有波粒二象性
B.图乙说明,在光电效应中,同一单色入射光越强,饱和电流越大
C.图丙的“泊松亮斑”说明光具有波动性,是光通过小圆孔时发生衍射形成的
D.图丁的康普顿效应表明光子具有动量,揭示了光的波动性的一面
解析 题图甲的光电效应实验说明光具有粒子性,选项A错误;题图乙中,黄光的强度越大,饱和电流越大,即说明在光电效应中,同一单色入射光越强,饱和电流越大,选项B正确;题图丙的泊松亮斑说明光具有波动性,是光通过小圆板时发生衍射形成的,选项C错误;题图丁的康普顿效应表明光子具有动量,揭示了光的粒子性的一面,选项D错误.
19、科学研究证明,光子既有能量也有动量,当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子.假设光子与电子碰撞前的波长为λ,碰撞后的波长为λ′,则碰撞过程中( C )
A.能量守恒,动量守恒,且λ=λ′ B.能量不守恒,动量不守恒,且λ=λ′
C.能量守恒,动量守恒,且λ<λ′ D.能量守恒,动量守恒,且λ>λ′
解析 能量守恒定律和动量守恒定律是自然界的普遍规律,既适用于宏观世界也适用于微观世界.光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律,光子与电子碰撞前光子的动量p=,当光子与电子碰撞时,光子的一些动量转移给了电子,光子的动量p′=,又由p>p′,可知λ<λ′,选项C正确.
20、康普顿散射的主要特征是( D )
A.散射光的波长与入射光的波长完全不同
B.散射光的波长有些与入射光的相同,但有些变短了,散射角的大小与散射波长无关
C.散射光的波长有些与入射光的相同,但也有变长的,也有变短的
D.散射光的波长有些与入射光的相同,有些散射光的波长比入射光的波长长些,且散射光波长的改变量与散射角的大小有关
解析 康普顿测量发现散射后的X射线中,既有波长不变的X射线,又有波长变长的X射线,而且散射光波长的改变量与散射角的大小有关,波长变长的X射线动量和能量的大小均变小了,这是散射过程中动量和能量守恒的体现,选D.
21、美国物理学家阿瑟阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖,原来光在接触物体后,会对其产生力的作用,这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动,这就是光镊技术.在光镊系统中,光路的精细控制非常重要.对此下列说法正确的是( A )
A.光镊技术利用光的粒子性 B.光镊技术利用光的波动性
C.红色激光光子能量大于绿色激光光子能量 D.红色激光光子动量大于绿色激光光子动量
解析 光在接触物体后,会对其产生力的作用,则光镊技术利用光的粒子性,A正确,B错误;红光的频率小于绿光的频率,根据E=hν可知,红色激光光子能量小于绿色激光光子能量,C错误;
红色激光光子的频率小于绿色激光光子的频率,则红色激光光子的波长大于绿色激光光子的波长,根据p=可知红色激光光子动量小于绿色激光光子动量,D错误.
22、一台激光器发射激光的功率为P,光束垂直入射到真空中的某一平面,被平面完全反射后频率保持不变.已知光的波长为λ,光在真空中的速度为c,下列说法正确的是( C )
A.激光的波长越短,其光子的动量越小 B.被平面反射后激光光子的动量变大
C.增大激光器发出的激光功率,光束对平面的压力增大 D.单位时间内入射到平面的光子数目为
解析 根据p=可知,激光的波长越短,其光子的动量越大,选项A错误;根据p=知,被平面反射后激光光子的动量大小不变,选项B错误;功率增大,光子数增大,光束对平面的压力增大,选项C正确;单位时间(t=1 s)内入射到平面的光子数目为n==,选项D错误.
23、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)光电子的最大初动能Ek; (2)A、B两种光子的动量之比. 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,根据光电效应方程,有h-W0=0
同理,用波长为的单色光B照射该金属板, 有Ek=h-W0 联立可得Ek=h
(2)根据p=,得A、B两种光子的动量之比 ==.
知识点2、光的波粒二象性
情景导学:
为了对光的本性做进一步的考察与分析,物理学家把屏换成感光底片,在不断变化光强的情况下,用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示)。
不同光强下光的双缝干涉实验结果
光很弱时,感光底片上的图像与我们通常观察到光的双缝干涉的图像相差很远如图(a);增强光的强度,光的双缝干涉的图像变得清晰起来如图(b);当光较强时,得到的图像与我们通常观察到的光的双缝干涉图像一样如图(c)。这个实验说明了什么?
答案 当光很弱时,光是作为一个个粒子落在感光底片上的,显示出了光的粒子性;当光很强时,光与感光底片量子化的作用积累起来形成明暗相间的条纹,显示出了光的波动性。
1、光的干涉和衍射现象说明光具有波动性,光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。
2、光子的能量ε=hν,光子的动量p=。
3、光子既有粒子性,又有波动性,即光具有波粒二象性。
4、对光的波粒二象性的理解
实验基础
表现
说明
光的波动性
干涉和衍射
(1) 光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述
(2)足够能量的光在传播时,表现出波的性质
(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的
(2)光的波动性不同于宏观观念的波
光的粒
子性
光电效应、康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质
(2)少量或个别光子容易显示出光的粒子性
(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的
(2)光子不同于宏观观念的粒子
专题讲练2
1、关于光的粒子性、波动性和波粒二象性,下列说法正确的是( C )
A.光子说的确立完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同
C.光的波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象
D.光电效应说明光具有粒子性,康普顿效应说明光具有波动性
解析 光子说的确立,没有完全否定波动说,使人们对光的本质认识更完善,光既有波动性,又有粒子性,光具有波粒二象性,故A错误;光的波粒二象性,与宏观概念中的波相同,与微观概念中的粒子不相同,故B错误;波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象,故C正确;光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性,故D错误。
2、关于光的波粒二象性的理解正确的是( D )
A.大量光子的行为往往表现出粒子性,个别光子的行为往往表现出波动性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转化成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
解析 光同时具有波的性质和粒子的性质,大量光子往往表现出波动性,个别光子往往表现为粒子性,即波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著,故D正确,A、B错误;波长越大,频率越小,波动性越明显,而不是说其是波,故C错误。
3、(多选)下列有关光的波粒二象性的说法正确的是( CD )
A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往显示出波动性
解析 一切光都具有波粒二象性,光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性,有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性,A错误;电子是实物粒子,有静止质量,光子不是实物粒子,没有静止质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,B错误;光的波长越长,波动性越显著,光的波长越短,粒子性越显著,C正确; 大量光子运动的规律往往表现出光的波动性,D正确。
4、关于光的本质下列说法正确的是( C )
A.康普顿效应说明光具有波动性 B.光的干涉、衍射现象说明光具有粒子性
C.在任何情况下,光都既具有波动性、同时又具有粒子性 D.光的波动性和粒子性是相互矛盾的
解析 康普顿效应说明光具有粒子性,而且光子不但具有能量,还有动量,故A错误;在光的干涉、衍射现象中,光体现波动性,故B错误;由于光具有波粒二象性,则在任何情况下,光都既具有波动性、同时又具有粒子性,故C正确;光的波粒二象性是指光有时表现为波动性,有时表现为粒子性,二者是统一的,故D错误。
5、如图所示,当弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,同时与锌板相连的验电器箔片有张角,则该实验( D )
A.只能证明光具有波动性 B.只能证明光具有粒子性
C.只能证明光能够发生衍射 D.证明光具有波粒二象性
解析 弧光灯发出的光经一狭缝后,在锌板上形成明暗相间的条纹,这是光的衍射,证明了光具有波动性;验电器箔片有张角,说明锌板发生了光电效应,则证明了光具有粒子性,所以该实验证明了光具有波粒二象性,故选D。
6、物理学家阿瑟·阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖。光在接触物体后,会对其产生力的作用,这个来自光的微小作用可以让微小的物体(如细胞)发生无损移动,这就是光镊技术。在光镊系统中,光路的精细控制非常重要。对此下列说法正确的是( A )
A.光镊技术利用光的粒子性 B.光镊技术利用光的波动性
C.红色激光光子能量大于绿色激光光子能量 D.红色激光光子动量大于绿色激光光子动量
解析 光在接触物体后,会对其产生力的作用,则光镊技术利用光的粒子性,A正确,B错误;红光的频率小于绿光的频率,根据E=hν可知,红色激光光子能量小于绿色激光光子能量,C错误;
红色激光光子的频率小于绿色激光光子的频率,则红色激光光子的波长大于绿色激光光子的波长,根据p=可知红色激光光子动量小于绿色激光光子动量,D错误。
7、 (多选)对光的认识,下列说法正确的是( ABD )
A.少量光子的行为易表现出粒子性,大量光子的行为易表现出波动性
B.光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间的相互作用引起的
C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了;光表现出粒子性时,就不具有波动性了
D.光的波粒二象性可以理解为在某些场合下光的波动性表现明显,在某些场合下,光的粒子性表现明显
解析 少量光子的行为易表现出粒子性,大量光子的行为易表现出波动性;光与物质相互作用,表现为粒子性,光传播时表现为波动性;光的波动性与粒子性都是光的本质属性,因为波动性表现为粒子分布概率,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,故正确选项有A、B、D。
8、(多选)关于光的波粒二象性,下列理解正确的是( BC )
A.高频光是粒子,低频光是波 B.大量的光子往往表现出波动性,个别光子往往表现出粒子性
C.波粒二象性是光的属性,只是有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
D.光在传播时是波,而与物质发生相互作用时转变成粒子
解析 波粒二象性是光所具有的性质,在不同的情况下有不同的表现:大量的光子往往表现出波动性,个别光子往往表现出粒子性;光在传播过程中通常表现为波动性,在与物质发生相互作用时通常表现为粒子性,故选项B、C正确。
9、关于光的波粒二象性的说法中,正确的是( CD )(多选)
A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样一种粒子
C.光在本质上是一种频率很高的电磁波 D.光的波长越长,其波动性越显著,波长越短,其粒子性越显著
10、用极微弱的可见光做双缝干涉实验,随着时间的增加,在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图象,则(ABD)(多选)
A.图象(a)表明光具有粒子性 B.图象(c)表明光具有波动性
C.用紫外光观察不到类似的图象 D.用射线可以观察到类似的图象
11、通过学习波粒二象性的内容,你认为下列说法正确的是( C )
A.能量较大的光子其波动性越显著 B.速度相同的质子和电子相比,质子的波动性更为明显
C.波粒二象性指光有时表现为波动性,有时表现为粒子性
D.康普顿效应中光子与静止的电子发生相互作用后,光子的波长变小了
12、下列关于光的说法中,正确的是( D )
A.光有时是波,有时是粒子 B.光电效应表明在一定条件下,光子可以转化为电子
C.光的干涉现象和光的衍射现象说明光具有粒子性 D.光电效应现象说明光具有粒子性
13、波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的有( B )
A.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 B.光电效应现象揭示了光具有粒子性
C.康普顿效应揭示了光具有波动性 D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等
14、关于光的波粒二象性下列说法正确的是( C )
A.光子说完全否定了波动说 B.光波频率越高,波动性越明显
C.个别光子易表现出粒子性,大量光子易表现出波动性 D.光的波粒二象性是指光和经典的波和微粒都很相似
15、在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是( B )
A.光子通过狭缝的运动路线像水波一样起伏
B.使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上将会显示衍射图样
C.单个光子通过单缝后,底片上也会出现完整的衍射图样
D.单个光子通过单缝后的运动情况具有随机性,大量光子通过单缝后的运动情况也呈现随机性
16、我国已研发成功“世界上首台分辨率最高的紫外超分辨光刻装备”,对芯片制造领域技术突破作出重大贡献,光刻所用光的波长越短,分辨率越高.下面关于光的波粒二象性的说法中,正确的说法是( D )
A.光不可能同时既具有波动性,又具有粒子性
B.频率越小的光其粒子性越显著,频率越大的光其波动性越显著
C.光在传播时往往表现出粒子性,光在跟物质相互作用时往往表现出波动性
D.大量光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性
解析 光的波粒二象性是指光既具有波动性,又具有粒子性,二者是统一的,故A错误;在光的波粒二象性中,频率越大的光其粒子性越显著,频率越小的光其波动性越显著,故B错误;光在传播时往往表现出波动性,光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性,故C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D正确.
17、关于光的粒子性、波动性和波粒二象性,下列说法正确的是( C )
A.光子说的确立完全否定了波动说
B.光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同
C.光的波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象
D.光电效应说明光具有粒子性,康普顿效应说明光具有波动性
解析 光子说的确立,没有完全否定波动说,使人们对光的本质认识更完善,光既有波动性,又有粒子性,光具有波粒二象性,故A错误;光的波粒二象性,与宏观概念中的波相同,与微观概念中的粒子不相同,故B错误;波动说和粒子说都有其正确性,但又都是不完善的,都有其不能解释的实验现象,故C正确;光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性,故D错误.
18、下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是( C )
A.有的光是波,有的光是粒子 B.光子与电子是同样的一种粒子
C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著 D.大量光子的行为往往表现出粒子性
解析 一切光都具有波粒二象性,光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性,光的有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性,A错误;电子是实物粒子,有静止质量,光子不是实物粒子,没有静止质量,电子是以实物形式存在的物质,光子是以场形式存在的物质,B错误;光的波长越长,衍射性越好,即波动性越显著,光的波长越短,粒子性就越显著,C正确; 大量光子运动的规律往往表现出波动性,D错误.
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