光电效应与光的波粒二象性

光电效应与光的波粒二象性

第 - 1 - 页 共 7 页 光电效应与光的波粒二象性 说明：本试卷分为第Ⅰ、Ⅱ卷两部分，请将第Ⅰ卷选择题的答案填入题后括号内，第Ⅱ 卷可在各题后直接作答.共 100 分，考试时间 90 分钟. 第Ⅰ卷（选择题共 40 分） 一、本题共 10 小题，每小题 4 分，共 40 分.在每小题给出的四个选项中，有的小题只有 一个选项正确，有的小题有多个选项正确.全部选对的得 4 分，选不全的得 2 分，有选错或不 答的得 0 分. 1.下列关于光电效应的说法正确的是 （ ） A.若某材料的逸出功是 W，则它的极限频率 h Wv 0 B.光电子的初速度和照射光的频率成正比 C.光电子的最大初动能和照射光的频率成正比 D.光电子的最大初动能随照射光频率的增大而增大 解析：由光电效应方程 kE =hv-W 知，B、C 错误，D 正确.若 kE =0，得极限频率 0v = h W , 故 A 正确. 答案 AD 2.在下列各组所说的两个现象中，都表现出光具有粒子性的是 （ ） A.光的折射现象、偏振现象 B.光的反射现象、干涉现象 C.光的衍射现象、色散现象 D.光电效应现象、康普顿效应 解析：本题考查光的性质. 干涉、衍射、偏振都是光的波动性的表现，只有光电效应现象和康普顿效应 都是光的粒 子性的表现，D 正确. 答案 D 3.关于光的波粒二象性的理解正确的是 （ ） A.大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性 B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子 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：根据光的波粒二象性知，A、D 正确，B、C 错误. 答案 AD 4.当具有 5.0 eV 能量的光子照射到某金属表面后，从金属表面逸出的电子具有最大的初 动能是 1.5 eV.为了使这种金属产生光电效应，入射光的最低能量为 （ ） A.1.5 eV B.3.5 eV C.5.0 eV D.6.5 eV 解析：本题考查光电效应方程及逸出功. 由 WhvEk  得 W=hv - kE =5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV 则入射光的最低能量为 h minv =W=3.5 eV 第 - 2 - 页 共 7 页 故正确选项为 B. 答案 B 5.紫外线光子的动量为 c hv .一个静止的 3O 吸收了一个紫外线光子后 （ ） A.仍然静止 B.沿着光子原来运动的方向运动 C.沿光子运动相反方向运动 D.可能向任何方向运动 解析：由动量守恒定律知,吸收了紫外线光子的 3O 分子与光子原来运动方向相同.故正确 选项为 B. 答案 B 6.关于光电效应，以下说法正确的是 （ ） A.光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 B.光电子的最大初动能越大，形成的光电流越强 C.能否产生光电效应现象，决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功 D.用频率是 1v 的绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是 2v 的 黄光照射该金属一定 不发生光电效应 解析：本题考查光电效应. 由光电效应方程知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，但不是正比关系， A 错.光电流的强度与入射光的强度成正比，与光电子的最大初动能无关，B 错.用频率是 1v 的 绿光照射某金属发生了光电效应，改用频率是 2v 的黄光照射该金属不一定不发生光电效应，D 错、C 对. 答案 C 7.在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是 （ ） A.使光子一个一个地通过单缝，如果时间足够长，底片上会出现衍射图样 B.单个光子通过单缝后，底片上会出现完整的衍射图样 C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏 D.单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性，大量光子通过单缝后打在底片上 的情况呈现出规律性 解析：根据光的波粒二象性知，A、D 正确，B、C 错误. 答案 AD 8.用波长为 1λ 和 2λ 的单色光 A 和 B 分别照射两种金属 C 和 D的表面.单色光 A 照射两种金 属时都能产生光电效应现象；单色光 B 照射时，只能使金属 C 产生光电效应现象，不能使金 属 D 产生光电效应现象.设两种金属的逸出功分别为 CW 和 DW ，则下列选项正确的是（ ） A. 1λ ＞ 2λ , CW ＞ DW B. 1λ ＞ 2λ , CW ＜ DW 第 - 3 - 页 共 7 页 C. 1λ ＜ 2λ , CW ＞ DW D. 1λ ＜ 2λ , CW ＜ DW 解析：由题意知，A 光光子的能量大于 B 光光子，根据 E=hv=h λ c ,得 1λ ＜ 2λ ；又因为单 色光 B 只能使金属 C 产生光电效应现象，不能使金属 D 产生光电效应现象，所以 CW ＜ DW , 故正确选项是 D. 答案 D 9.光子有能量，也有动量 p= λ h ，它也遵守有关动量的规律.如图所示，真空中有一“∞” 字形装置可绕通过横杆中点的竖直轴 OO 在水平面内灵活地转动，其中左边是圆形黑纸片， 右边是和左边大小、质量均相同的圆形白纸片.当用平行白光垂直照射这两个圆面时，关于此 装置开始时转动情况（俯视）的下列说法中正确的是 （ ） A.顺时针方向转动 B.逆时针方向转动 C.都有可能 D.不会转动 解析：本题考查光子的动量.光照射到黑纸片上被吸收，照射到白纸片上被反射，因此白 纸片受到的冲量大，装置逆时针转动.故正确选项为 B. 答案 B 10.如图所示为一光电管的工作原理图，当用波长为λ的光照射阴极 K 时，电路中有光电 流 ， 则 （ ） A.换用波长为 1λ ( 1λ ＞λ)的光照射阴极 K 时，电路中一定没有光电流 B.换用波长为 2λ ( 2λ ＜λ)的光照射阴极 K 时，电路中一定有光电流 C.增加电路中电源的路端电压，电路中的光电流一定增大 D.将电路中电源的极性反接，电路中可能还有光电流 解析：用波长为λ的光照射阴极 K，电路中有光电流，表明λ小于该金属的极限波长 0λ ， 换用波长为 1λ 照射，虽然 1λ ＞λ，但是 1λ 不一定大于 0λ ,所以用波长为 1λ 的光照射时，可能 第 - 4 - 页 共 7 页 仍有光电流，故 A 错误.用波长为 2λ ( 2λ ＜λ)的光照射阴极 K 时，因 2λ ＜λ＜ 0λ ,故电路中 一定有光电流，B 对.如果电源的端电压已经足够大，阴极 K 逸出的光电子都能全部被吸引到 阳极形成光电流，此时再增大路端电压，电路中的光电流也不再增大，C 错.将电路中电源的 极性反接，具有最大初动能的光电子有可能能够克服电场阻力到达阳极 A，从而形成光电流， 所以 D 正确. 答案 BD 第Ⅱ卷（非选择题共 60 分） 二、本题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分.把答案填在题中的横线上. 11.如右图所示，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，指针保 持一定偏角. （1）现用一带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”）. （2）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. 解析：当用紫外光照射锌板时，锌板发生光电效应，放出光电子而带上了正电，此时与 锌板连在一起的验电器也带上了正电，从而指针发生了偏转.当带负电的小球与锌板接触后， 中和了一部分正电荷，从而使验电器的指针偏转减小. 使验电器指针回到零，用钠灯黄光照射，验电器指针无偏转，说明钠灯黄光的频率小于 极限频率，红外光比钠灯黄光的频率还要低，更不可能发生光电效应.能否发生光电效应与入 射光的强度无关. 答案（1）减小 （2）无 12.在某种介质中，某单色光的波长为λ，已知该色光光子能量为 E，光在真空中的速度 为 c，则该介质对这种色光的折射率为 . 解析：由 E=hv 得色光频率：v= h E 单色光在介质中传播的速度：v= h Ev λλT λ  介质对这种色光的折射率：n= E hc v c λ  . 答案 E hc λ 13.在绿色植物的光合作用中，每放出一个氧分子要吸收 8 个波长为 6.68×10-7 m 的光子， 同时每放出 1 mol 氧气，植物储存 469 kJ 的能量.则绿色植物能量转化效率为 （ 普 朗克常量 h=6.63×10-34 J·s）. 解析：吸收的能量为 第 - 5 - 页 共 7 页 E=8NAh λ c =8×6.0×1023×6.63×10-34× 7 8 1068.6 100.3   J =1.43×106 J 则能量转化效率为 η= E E ×100%= 6 5 1043.1 1069.4   ×100%=33%. 答案 33% 14.康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞后， 电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向 运动，并且波长 （填“不变”“变小” 或“变长”）. 解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光 子碰前的方向一致，可见碰后光子的方向可能沿 1 方向，不可能沿 2 或 3 方向；通过碰撞， 光子将一部分能量转移给电子，能量减少，由 E=hv 知，频率变小，再根据 c=λv 知，波长变 长. 答案 1 变长 15.实验室用功率 P=1 500 W 的紫外灯演示光电效应.紫外线波长λ=2 537  A ,阴极离光源 距离 d=0.5 m,原子半径取 r=0.5×10-10 m,则阴极表面每个原子每秒钟接收到的光子数为. 解析：以紫外灯为圆心，作半径为 d 的球面，则每个原子每秒钟接收到的光能量为 E= 24ππ P πr2=3.75×10-20J 因此每个原子每秒钟接收到的光子数为 n= hc E hv E λ =5 个. 答案 5 个 三、本题共 4 小题，共 40 分.解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，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. 16.（8 分）为引起人眼的视觉，进 入人眼的绿光的能量至少为每秒 E=10-16 J.假设在漆黑 的夜晚，在距人 s=100 m 远处点亮一只绿光小灯泡，为使人看到它的光线，小灯泡的功率至 少为多大？（人用一只眼看，瞳孔直径为 4 mm） 解析：由题意知 E= 2 2 )2π( 4π 1· d s P  解得 第 - 6 - 页 共 7 页 P= W10W )104( 100101616 6- 23 216 2 2      d Es . 答案 W10-6 17.（9 分）分别用λ和 4 3 λ的单色光照射同一金属，发出的光电子的最大初动能之比为 1∶2.以 h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，则此金属板的逸出功是多大？ 解析：设此金属的逸出功为 W,根据光电效应方程得如下两式： 当用波长为λ的光照射时： WhcEk  λ1 ① 当用波长为 34λ的光照射时： WhcEk  3λ 4 2 ② 又 2 1 2 1  K k E E ③ 解①②③组成的方程组得： λ3 2hcW  . ④ 答案 λ3 2hc 18.（11 分）纳米技术现在已经广泛应用到社会生产、生活的各个方面.将激光束的宽度 聚光到纳米级范围内，可以精确地修复人体损坏的器官.糖尿病引起视网膜病变是导致成年人 失明的一个重要原因，利用聚光到纳米级的激光束进行治疗，90%的患者都可以避免失明的严 重后果.一台功率为 10 W 氩激光器，能发出波长λ=500 nm 的激光，用它“点焊”视网膜，每 次“点焊”需要 2×10-3 J 的能量，则每次“点焊”视网膜的时间是多少？在这段时间内发 出的激光光子的数量是多少？ 解析：（1）根据 E=Pt,所以 t= 10 102 3 P E s=2×10-4 s. （2）由 E=n 0E =nh λ c 得： n= 834 93 100.31063.6 10500102λ     hc E 个=5×1015 个. 答案 2×10-4 s 5×1015 个 19.（12 分）如图所示，伦琴射线管两极加上一高压电源，即可在阳极 A 上产生 X 射线. （h=6.63×10 -34 J·s,电子电荷量 e=1.6×10-19 C) （1）如高压电源的电压为 20 kV，求 X 射线的最短波长; 第 - 7 - 页 共 7 页 （2）如此时电流表读数为 5 mA，1 s 内产生 5×1013 个平均波长为 1.0×10-10 m 的光子， 求伦琴射线管的工作效率. 解析：（1）X 射线管阴极上产生的热电子在 20 kV 高压加速下获得的动能全部变成 X 光子 的能量，X 光子的波长最短. 由 W=Ue=hv=hc/λ 得λ= Ue hc = 194 834 106.1102 1031063.6     m =6.2×10-11 m. （2）高压电源的电功率 P1=UI=100 W 每秒产生 X 光子的能量 P2=nhc/λ=0.1 W 效率为η= 1 2 P P =0.1%. 答案（1）6.2×10 -11 m (2)0.1%