2020高中物理第十七章波粒二象性水平测试卷含解析 人教版选修3-5 8页

第十七章　水平测试卷 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90分钟。‎ 第Ⅰ卷(选择题，共40分)‎ 一、选择题(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，第1～6题只有一项符合题目要求，第7～10题有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)‎ ‎1.爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是(　　)‎ A．逸出功与ν有关 B．Ek与入射光强度成正比 C．当ν<ν0时，会逸出光电子 D．图中直线的斜率与普朗克常量有关 答案　D 解析　根据爱因斯坦的光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电子的最大初动能与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关，B错误；在Ekν图象中，图线的斜率表示普朗克常量，图线在ν轴上的截距表示极限频率，D正确；逸出功是金属本身对金属内电子的一种束缚本领的体现，与入射光的频率无关，A错误；当ν<ν0时，不会发生光电效应，C错误。‎ ‎2．能引起人的眼睛视觉效应的最小能量为10－18 J，已知可见光的平均波长约为0.6 μm，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则要引起视觉效应进入人眼的光子至少为(　　)‎ A．1个 B．3个 C．30个 D．300个 答案　B 解析　由题意可知，可见光光子的平均能量为ε＝hν＝＝≈3.3×10－19 J，引起视觉效应时E＝nε，所以n＝＝≈3个，故B项正确。‎ ‎3.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时，有光电子产生。由于光电管间加的是反向电压，光电子从阴极发射后将向阳极做减速运动。光电流由图中电流计G测出，反向电压由电压表测出。当电流计的示数恰好为零时，电压表的示数称为遏止电压。下列表示光电效应实验规律的图象错误的是(　　)‎ 8‎ 答案　B 解析　频率ν一定时，光电效应产生的光电子数与光强成正比，则正向电压很大时，单位时间到达阳极的光电子数与光强也成正比，故饱和光电流与光强成正比，A正确；由动能定理得，－qU0＝0－Ek，又因Ek＝hν－W0，可知截止电压U0＝－，与频率ν是线性关系，不是正比关系，B错误；光强I与频率ν一定时，单位时间内逸出的光电子的最大初动能是一定的，所形成的光电流随反向电压的增大而减小，C正确；由光电效应知金属中的电子对光子的吸收是十分迅速的，时间小于10－9 s,10－9 s后，光强I和频率ν一定时，光电流恒定，D正确。‎ ‎4．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．该金属的极限频率νc＝ 答案　C 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＝和动量公式p＝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，解得W0＝EA－2E 8‎ B，故C正确；该金属的极限频率为νc＝＝，故D错误。‎ ‎5．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 答案　A 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。‎ ‎6．在绿色植物的光合作用中，每放出1个氧分子要吸收8个波长为6.88×10－7 m的光量子。每放出1 mol的氧气，同时植物储存469 kJ的能量，绿色植物能量转换效率为(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)(　　)‎ A．9% B．34% C．56% D．79%‎ 答案　B 解析　植物储存的能量与它储存这些能量所需要吸收的总光能的比值就是绿色植物的能量转换效率。现已知每放出1 mol氧气储存469 kJ的能量，只要再求出所需的光能就行了。设阿伏加德罗常数为NA。因每放出一个氧分子需要吸收8个光量子，故每放出1 mol的氧气需要吸收的光量子数为8NA。其总能量为E＝8NA·＝8×6.02×1023× J≈1.392×106 J。绿色植物的能量转化效率为η＝×100%≈34%。‎ ‎7．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增加 B．随温度降低，各种波长的辐射强度都有增加 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 答案　ACD 8‎ 解析　由题图可知，随温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，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。故正确答案为A、C、D。‎ ‎8．人类对光的本性认识的过程中先后进行了一系列实验，如图所示的四个示意图所表示的实验能说明光具有波动性的是(　　)‎ 答案　ABD 解析　A为单缝衍射、B为双孔干涉、D为薄膜干涉，这三个实验均说明光具有波动性；C为光电效应，说明光具有粒子性。‎ ‎9．关于物质波，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．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的 C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的 D．宏观物体尽管可以看做物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象 答案　AC 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；由于X射线本身不是实物粒子，故X射线的衍射现象并不能证实物质波理论的正确性，B错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，C正确；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。‎ ‎10.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 答案　ABD 解析　‎ 8‎ 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，而D正确。‎ 第Ⅱ卷(非选择题，共60分)‎ 二、填空题(本题共3小题，共15分)‎ ‎11．(3分)用同一束单色光，在同一条件下，先后照射锌片和银片，都能产生光电效应。在这两个过程中，对下列四个量，一定相同的是________，可能相同的是________，一定不相同的是________。(填正确答案标号)‎ A．光子的能量 B．金属的逸出功 C．光电子的初动能 D．光电子的最大初动能 答案　A　C　B、D 解析　光子的能量由光的频率决定，同一束单色光频率相同，因而光子能量相同。逸出功等于电子脱离原子核束缚需要做的最少的功，因此只由材料决定，锌片和银片的光电效应中，光电子的逸出功一定不相同。由Ek＝hν－W0，照射光的光子能量hν相同，逸出功W0不同，则电子最大初动能不同。由于光电子吸收光子后到达金属表面的路径不同，途中损失的能量也不同，因而脱离金属时的初动能分布在零到最大初动能之间。所以，在两个不同光电效应过程中，光电子的初动能是有可能相等的。‎ ‎12.(6分)用频率未知的紫外线照射某光电管的阴极时，有光电子飞出。现给你一个电压可调且可指示电压数值的直流电源和一个灵敏度很高的灵敏电流计，试在如图所示的方框中设计一种电路(光电管已画出)。要求用该电路测量用所给紫外线照射光电管的阴极时产生的光电子的最大初动能，按照你设计的电路，需要记录的数据是____________________________。你所测量的光电子的最大初动能是________(已知电荷量为e)。‎ 答案　电路图见解析　电流恰好为0时的电压值U　Ue 解析　测量电路如图所示。调节电源电压使灵敏电流计的读数恰好为零，记下此时电源电压的值U；光电管的阴极接电源正极，阴极和阳极间的电场阻碍光电子向阳极运动，当灵敏电流计的读数恰好为零时，由动能定理得eU＝mv，光电子最大初动能为eU。‎ ‎13．(6分)已知某金属的逸出功为2.25‎ 8‎ ‎ eV，则入射光子的最低频率是________Hz时就可以使其发生光电效应，此种频率的光的颜色是________。(附表：可见光中各色光在真空中波长)‎ 可见光中各色光在真空中波长 光色 波长λ(nm)‎ 红 ‎630～760‎ 橙 ‎600～630‎ 黄 ‎570～600‎ 绿 ‎500～570‎ 续表 光色 波长λ(nm)‎ 青 ‎450～500‎ 蓝 ‎430～450‎ 紫 ‎400～430‎ 答案　5.43×1014　绿色 解析　由光电效应方程Ek＝hν－W0知，入射光的最低频率hν0≈W0，求得ν0≈5.43×1014 Hz，波长λ＝≈552 nm。‎ 三、计算题(本题共4小题，共45分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要注明单位)‎ ‎14．(9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 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≥＝ m/s ‎≈0.58 m/s。‎ ‎15．(12分)用功率P＝1 W的光源，照射离光源r＝3 m处的某金属薄片。已知光源发出的是波长λ＝5890 Å的单色光，(1 Å＝10－10 m)试计算：‎ ‎(1)单位时间内打到金属片单位面积上的光子数；‎ ‎(2)若取该金属原子的半径r1＝0.5×10－10 m，则金属表面上每个原子平均需要隔多长时间才能接收到一个光子？‎ 答案　(1)2.62×1016个　(2)4854.4 s 解析　(1)离光源3 m处的金属片每秒内单位面积上接收的光能为：‎ W＝＝ J≈8.846×10－3 J；‎ 每个光子的能量：‎ 8‎ ε＝h＝ J≈3.377×10－19 J。‎ 所以单位时间内打到金属片单位面积上的光子数为：‎ n＝＝≈2.62×1016(个)。‎ ‎(2)每个原子的截面积为 S1＝πr＝3.14×(0.5×10－10)2 m2＝7.85×10－21 m2。‎ 把金属板看成由原子密集排列组成的，则每个原子截面上每秒内接收到的光子数：‎ n1＝nS1＝2.62×1016×7.85×10－21‎ ‎≈2.06×10－4(个)。‎ 每相邻的两个光子落在原子上的时间间隔为：‎ Δt＝＝ s≈4854.4 s。‎ ‎16．(12分)普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，铝的逸出功W0＝6.72×10－19 J，现用波长λ＝200 nm的光照射铝的表面。(结果保留三位有效数字)‎ ‎(1)求光电子的最大初动能；‎ ‎(2)若射出的一个具有最大初动能的光电子正对一个原来静止的电子运动，求在此运动过程中两电子电势能增加的最大值。(电子所受的重力不计)‎ 答案　(1)3.23×10－19 J　(2)1.62×10－19 J 解析　(1)Ek＝hν－W0＝－W0≈3.23×10－19 J。‎ ‎(2)增加的电势能来自系统损失的动能，当两电子的速度相等时电势能最大，由动量守恒mv0＝2mv 损失的动能：‎ ΔEk＝mv－(2m)v2＝≈1.62×10－19 J，‎ 所以， 电势能增加的最大值为1.62×10－19 J。‎ ‎17．(12分)光电管是应用光电效应实现光信号与电信号之间相互转换的装置，其广泛应用于光功率测量、光信号记录、电影、电视和自动控制等诸多方面。如图所示，C为光电管，B极由金属钠制成(钠的极限波长为5.0×10－7 m)。现用波长为4.8×10－7 m的某单色光照射B极。(h＝6.63×10－34 J·s)‎ ‎(1)电阻R上电流的方向是向左还是向右？‎ ‎(2)求出从B极发出的光电子的最大初动能；‎ ‎(3)若给予光电管足够大的正向电压时，电路中光电流为10 μA，则每秒射到光电管B极的光子数至少为多少个？‎ 答案　(1)向左　(2)1.66×10－20 J 8‎ ‎(3)6.25×1013个 解析　(1)电子从B逸出后，向A运动，因电子带负电，所以流过电阻R的电流的方向向左。‎ ‎(2)因入射光的波长4.8×10－7 m，小于金属钠的极限波长，入射光的频率大于金属钠的极限频率，故能使金属发生光电效应。‎ 由光电效应方程得，Ekm＝hν－hν0＝－。‎ 代入数据：‎ Ekm＝6.63×10－34×3×108× J ‎≈1.66×10－20 J。‎ ‎(3)电路中的饱和电流I＝ 每秒钟到达A的电子数目：‎ n＝＝＝＝6.25×1013个，若每一个光子都能打出一个光电子，则光电子数目是6.25×1013个。‎ 8‎