2019-2020学年高中物理第十七章波粒二象性1能量量子化2光的粒子性课后检测含解析新人教版选修3-5

2019-2020学年高中物理第十七章波粒二象性1能量量子化2光的粒子性课后检测含解析新人教版选修3-5

‎1　能量量子化 2　光的粒子性 记一记 能量量子化、光的粒子性知识体系 ‎2个物理模型——黑体、能量子 ‎2个实验规律——黑体辐射实验规律 光电效应实验规律 ‎2种实验现象——光电效应、康普顿效应 辨一辨 ‎1.只有高温的物体才会热辐射．(×)‎ ‎2．热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同．(√)‎ ‎3．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关．(√)‎ ‎4．微观粒子的能量是连续变化的，不是分立的，可以取任何值．(×)‎ ‎5．任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应．(×)‎ ‎6．金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关．(×)‎ ‎7．入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的．(√)‎ 想一想 ‎1.某单色光照射到金属表面上结果没有光电子逸出，请思考：我们应如何操作才能使该金属发生光电效应呢？增大入射光频率还是增大入射光强度？‎ 提示：增大入射光频率，使其高于该金属的极限频率．‎ ‎2．光电流的强度与入射光的强度一定成正比吗？‎ 提示：不一定．光电流未达到饱和值之前其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有饱和光电流才与入射光的强度成正比．‎ ‎3．入射光越强，产生的光电子数一定越多吗？‎ 提示：不一定．入射光强度指的是单位时间内入射到金属单位面积上的光子的总能量，是由入射的光子数和入射光子的频率决定的，可用E＝nhν表示，其中n为单位时间内的光子数．在入射光频率不变的情况下，光强度与光子数成正比．换用不同频率的光，即使光强度相同，光子数目也不同，因而逸出的光电子数目也不同．‎ 思考感悟：　‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ 练一练 ‎1.[2019·河南安阳月考]下列说法正确的是(　　)‎ A．一般物体的热辐射强度只与物体的温度有关 B．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，所以黑体看上去一定是黑的 C．在黑体辐射的实验规律图中，一定温度下，黑体辐射强度有一个极大值 - 10 -‎ D．在黑体辐射的实验规律图中，温度升高时，黑体辐射强度的极大值向波长增大的方向移动 解析：一般物体的热辐射强度除与温度有关之外，还与材料、表面状况等因素有关，A错误；黑体可以完全吸收电磁波而不发生反射，同时自身可以有较强的辐射，所以看上去不一定是黑的，B错误；根据黑体辐射实验规律可得，一定温度下黑体辐射强度有一个极大值，C正确；根据黑体辐射实验规律可知，黑体热辐射强度的极大值随温度的升高向波长较小的方向移动，D错误．‎ 答案：C ‎2．(多选)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所增加 B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有所增加 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 解析：由题图可知，随温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，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，上述变化相反．故正确选项为A、C、D.‎ 答案：ACD ‎3．(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A．光子射到金属表面时，可能有电子发出 B．光子射到金属表面时，一定有电子发出 C．电子轰击金属表面时，可能有光子发出 D．电子轰击金属表面时，一定没有光子发出 解析：光的频率需达到一定值时照射到金属表面才会有电子发出；电子如果能量不够大，轰击金属表面就不会有光子发出．因此，选A、C.‎ 答案：AC ‎4．某小灯泡的功率P＝1 W，设其发光时光子向四周均匀辐射，平均波长λ＝10－‎6 m，求在距离d＝1.0×‎104 m处，每秒钟落在垂直于光线方向且面积为‎1 cm2的球面(以小灯泡为球心)上的光子数是多少？(取h＝6.63×10－34 J·s)‎ 解析：每秒内小灯泡发出的能力为E＝Pt＝1 J ‎1个光子的能量ε＝hν＝＝ J＝1.989×10－19 J 小灯泡每秒钟辐射的光子数 n＝＝个＝5×1018个 距离小灯泡d的球面面积为 S＝4πd2＝4π×(1.0×104)‎2m2‎＝1.256×‎109 m2‎＝1.256×‎1013 cm2‎ 每秒钟内射到‎1 cm2的球面上的光子数为 N＝＝个＝4×105个．‎ 答案：4×105个 要点一 黑体与黑体辐射规律 ‎1.关于热辐射的认识，下列说法中正确的是(　　)‎ - 10 -‎ A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波 B．温度越高，物体辐射的电磁波越强 C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关 D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色 解析：一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，A错误，B正确；选项C是黑体辐射的特性，C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，D错误．‎ 答案：B ‎2．如图所示为t1、t2温度时的黑体辐射强度与波长的关系，则两温度的关系为(　　)‎ A．t1＝t2　　　　　B．t1>t2‎ C．t1W0判断，钠、钾、铷能发生光电效应．‎ 答案：钠、钾、铷能发生光电效应 要点四 光子说与康普顿效应 ‎9.白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比(　　)‎ A．频率变大 B．频率不变 C．光子能量变大 D．波长变长 解析：运动的光子和一个静止的自由电子碰撞时，既遵守能量守恒，又遵守动量守恒．碰撞中光子将能量hν - 10 -‎ 的一部分传递给了电子，光子的能量减少，波长变长，频率减小，D选项正确．‎ 答案：D ‎10．(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，且传播速度变小 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．‎ 答案：CD 基础达标 ‎1.关于对黑体的认识，下列说法正确的是(　　)‎ A．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的 B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关 C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关 D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体 解析：黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，A错误．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，B错误，C正确．小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔，D错误．‎ 答案：C ‎2．[2019·江苏苏州月考](多选)根据黑体辐射的实验规律，以下判断正确的是(　　)‎ A．在同一温度下，波长越短的电磁波辐射强度越大 B．在同一温度下，辐射强度最大的电磁波波长不是最大的，也不是最小的，而是处在最大波长与最小波长之间 C．温度越高，辐射强度的极大值就越大 D．温度越高，辐射强度最大的电磁波的波长越短 解析：在同一温度下，辐射强度最大的电磁波波长不是最大的，也不是最小的，而是处在最大波长与最小波长之间，A错误，B正确；黑体辐射的强度与温度有关，温度越高，黑体辐射的强度越大，则辐射强度的极大值也就越大，所以C正确；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，D正确．‎ 答案：BCD ‎3．[2019·广东汕头模拟]当光照射在某种金属表面时，金属表面有电子逸出．如果该入射光的强度减弱，则(　　)‎ A．可能不再有电子逸出金属表面 B．单位时间内逸出金属表面的电子数减少 C．逸出金属表面的电子的最大初动能减小 D．从光入射到光电子逸出的时间间隔延长 解析：入射光的频率不变，则仍然能发生光电效应，A错误；入射光的强度减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少，光电流减弱，B正确；入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变，C错误；光的强弱影响的是单位时间内发出光电子的数目，并不影响单个光电子的逸出时间，D错误．‎ 答案：B ‎4．[2019·河北名校模拟]有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa:λb:λc＝1:2:‎ - 10 -‎ ‎3.当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek，若改用b光束照射该金属板，飞出的光电子最大动能为Ek，当改用c光束照射该金属板时(　　)‎ A．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek B．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek C．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek D．由于c光束光子能量较小，该金属板不会发生光电效应 解析：对a、b、c三束光由光电效应方程有：－W＝Ek，－W＝Ek，由以上两式得＝Ek，W＝Ek.当改用c光束照射该金属板时－W＝Ek－Ek＝Ek，B正确．‎ 答案：B ‎5．研究光电效应规律的实验装置如图所示，以频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生．由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动．光电流i由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出．当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为遏止电压Uc.在下列表示光电效应实验规律的图象中，错误的是(　　)‎ 解析：当反向电压U与频率ν一定时，光电流与入射光强度成正比，A正确．遏止电压Uc与入射光频率的关系图象应为一条不过坐标原点的倾斜直线，B错误．当光强I和频率ν一定时，反向电压增大，光电流减小，若反向电压超过遏止电压Uc，则光电流为零，C正确．光电效应发生所需的时间小于10－9 s，D正确．‎ 答案：B ‎6．[2019·河北邢台月考]美国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．康普顿效应揭示了光的粒子性，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 解析：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，证明了光的粒子性．故A、C、D错误，B正确．‎ - 10 -‎ 答案：B ‎7．[2019·广东佛山期中](多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点横坐标值为4.27，与纵轴的交点纵坐标值为0.5)．由图可知(　　)‎ A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz C．该图线的斜率表示普朗克常量 D．该金属的逸出功为0.5 eV 解析：根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，图线的斜率表示普朗克常量，图线与ν轴的交点对应的频率表示截止频率；Ek－ν图象中ν＝0时对应的Ek的值表示逸出功的负值，易知该金属的逸出功不等于0.5 eV，所以选项A、C正确．‎ 答案：AC ‎8.‎ ‎[2019·天津卷]如图为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系．由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的是(　　)‎ 解析：根据光电效应方程可知，eU＝Ek＝hν－W，则遏止电压大时，入射光的频率大，再结合光电流和电压的关系图象，可知νb>νc>νa，同一介质对频率大的光的折射率大，折射率大的光通过三棱镜时，光线偏转得厉害，故b光偏转得最厉害，选项C正确．‎ 答案：C ‎9.‎ ‎[2019·广西南宁期中]如图所示是研究光电管产生的电流的电路图，A、K是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的极限频率为ν0，元电荷为e，普朗克常量为h.现将频率为ν(大于ν0)的光照射在阴极上，则下列方法一定能够增加饱和光电流的是(　　)‎ A．照射光强度不变，增加光的频率 - 10 -‎ B．照射光频率不变，增加照射光强度 C．增加A、K电极间的电压 D．减小A、K电极间的电压 解析：照射光强度不变，增加光的频率，则入射光的光子数目不变，光电流的饱和值不变，A错误；照射光频率不变，增加光强，则入射光的光子数目增多，使光电流的饱和值增大，B正确；当已经达到饱和光电流后，增减A、K电极间的电压，饱和光电流可能不变，C、D错误．‎ 答案：B ‎10．研究光电效应的电路如图所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中，正确的是(　　)‎ 解析：频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，故选项C正确．‎ 答案：C 能力达标 ‎11.‎ 如图所示是使用光电管的原理图，当频率为ν的可见光照射到阴极K上时，电流表中有电流通过．‎ ‎(1)当变阻器的滑动端P向________(选填“左”或“右”)滑动时，通过电流表的电流将会增大．‎ ‎(2)当电流表电流刚减小到零时，电压表的读数为U，则光电子的最大初动能为________(已知电子电荷量为e)．‎ ‎(3)如果不改变入射光的频率，而增加入射光的强度，则光电子的最大初动能将________(选填“增加”、“减小”或“不变”)．‎ 解析：(1)当变阻器的滑动端P向左移动，反向电压减小，光电子到达右端的速度变大，则通过电流表的电流变大．‎ ‎(2)当电流表电流刚减小到零时，电压表的读数为U，根据动能定理得，eU＝mv，则光电子的最大初动能为eU.‎ ‎(3)根据光电效应方程知，Ekm＝hν－W0，入射光的频率不变，则光电子的最大初动能不变．‎ 答案：(1)左　(2)eU　(3)不变 - 10 -‎ ‎12．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遏止电压Uc与入射光频率ν，作出Uc－ν的图象，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，遏止电压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) ‎13．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(遏止电压)时，电流消失．当改变照射光的频率ν时，遏止电压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，则根据图象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，遏止电压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，Uc ν图象斜率k＝，在Uc轴上的截距为－.而由图可得，截距为－Uc.故有 - 10 -‎ ＝，－Uc＝－ 解得h＝，W0＝eUc.‎ 答案：ν0　eUc　 - 10 -‎