高中物理-能量量子化、光的粒子性练习

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5.能量量子化一、热辐射新冠肺炎疫情期间,红外体温计成为生活必不可少的工具,如图所示的红外体温计具有方便快捷的特点,在疫情防控工作中发挥了重要作用。

那么,这种体温计是根据什么制成的呢?提示:将被测物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号。

红外线辐射能量的大小与物体本身的温度是相关联的,根据转变成电信号大小,就可以确定物体的温度。

1.热辐射:(1)定义:一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫作热辐射。

(2)特点:物体在热辐射中随温度的升高,辐射的较短波长的电磁波的成分越来越大。

2.黑体:(1)定义:某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就叫作黑体。

(2)黑体辐射的特点: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。

3.热辐射的原因:物体中存在着不停运动的带电微粒,带电微粒的振动会产生变化的电磁场,从而产生电磁辐射。

二、能量子1.普朗克的假设:振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。

即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。

这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。

2.能量子公式:ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量。

h=6.626×10-34J·s。

(一般取h=6.63×10-34J·s)3.能量的量子化:在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。

这种现象叫能量的量子化。

4.普朗克理论:(1)借助于能量子的假说,普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式,与实验符合得非常好。

(2)普朗克在1900年把能量子列入物理学,正确地破除了“能量连续变化”的传统观念,成为新物理学思想的基石之一。

5.光子说:(1)爱因斯坦认为电磁场本身就是不连续的。

(2)光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,h为普朗克常量。

高中物理：能量量子化光的粒子性练习[全员参与·基础练]1．能正确解释黑体辐射实验规律的是( )A．能量的连续经典理论B．普朗克提出的能量量子化理论C．以上两种理论体系任何一种都能解释D．牛顿提出的能量微粒说【解析】根据黑体辐射的实验规律,随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故B正确．【答案】 B图17­1­122．(多选)(南京高二检测)黑体辐射的实验规律如图17­1­12所示,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】根据题图中黑体辐射强度与波长的关系知选项B、C、D正确．【答案】BCD3．(多选)( ·东城区高二检测)2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家,以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化．他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点．下列与宇宙微波背景辐射的黑体谱相关的说法中正确的是( )A．微波是指波长在10－3 m到10 m之间的电磁波B．微波和声波一样都只能在介质中传播C．黑体的热辐射实际上是电磁辐射D．普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说【解析】微波是一种电磁波,波长在10－3 m到10 m之间,传播不需要介质,A正确,B错误;由于分子和原子的热运动引起一切物体不断向外辐射电磁波,又叫热辐射,C正确．能量子假说是普朗克在研究黑体的热辐射问题时提出的,D正确．【答案】ACD4．硅光电池是利用光电效应原理制成的器件,下列表述正确的是( )A．硅光电池是把光能转变为电能的一种装置B．硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出C．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关D．任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应【解析】硅光电池是把光能转化为电能的一种装置,A正确;硅光电池中吸收的光子能量大于逸出功的电子才能逸出,B错误;逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率有关,C错误;当照射到硅光电池上的光的频率大于极限频率时,才能产生光电效应,D错误．【答案】 A5．(多选)频率为ν的光子,具有的能量为hν,动量为hνc,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】CD6．( ·重庆一中高二检测)在如图17­1­13所示的光电效应现象中,光电管阴极K的极限频率为ν0,现用频率为ν(ν>ν)的光照射在阴极上,若在A、K之间加一数值为U的反向电压时,光电流恰好为零,则下列判断错误的是( )图17­1­13 A．阴极材料的逸出功等于hνB．有光电子逸出,且光电子的最大初动能可表示为eUC．有光电子逸出,且光电子的最大初动能可表示为hν－hν0 D．无光电子逸出,因为光电流为零【解析】阴极材料的逸出功W0＝hν,选项A正确．由于入射光的频率ν＞ν,则能发生光电效应,有光电子逸出,选项D错误．但是AK间加的是反向电压,电子飞出后要做减速运动,当速度最大的光电子减速到A端速度为零时,光电流恰好为零,由动能定理得：－eU＝0－Ekm,则Ekm ＝eU,选项B正确．由爱因斯坦光电效应方程：Ekm＝hν－W,可得Ekm＝hν－hν,选项C正确．故选D.【答案】 D图17­1­147．(多选)如图17­1­14所示是某金属在光的照射下,光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图象,由图象可知( )A．该金属的逸出功等于EB．该金属的逸出功等于hνC．入射光的频率为ν时,产生的光电子的最大初动能为ED．入射光的频率为2ν时,产生的光电子的最大初动能为2E【解析】题中图象反映了光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系,根据爱因斯坦光电效应方程Ek ＝hν－W,知当入射光的频率恰为金属的截止频率ν时,光电子的最大初动能Ek ＝0,此时有hν＝W,即该金属的逸出功等于hν,选项B正确,根据图线的物理意义,有W＝E,故选项A正确,而选项C、D错误．【答案】AB8．二氧化碳能很好地吸收红外长波辐射,这种长波辐射的波长范围是 1.43×10－3～1.6×10－3 m,相应的光子能量的范围是________________,“温室效应”使大气全年的平均温度升高,空气温度升高,从微观上看就是空气中分子的____________．(已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s,真空中的光速c＝3.0×108 m/s,结果取两位有效数字)【解析】由c＝λν,得ν＝cλ,代入数据得频率范围为1.88×1011～2.1×1011 Hz,又由ε＝hν得能量范围为1.2×10－22～1.4×10－22 J.由分子动理论可知,温度升高,物体分子无规则运动更剧烈,因此分子平均动能增大．【答案】 1.2×10－22～1.4×10－22J 无规则运动(或热运动)更剧烈,或无规则运动(或热运动)的平均动能增大[超越自我·提升练]图17­1­159．( ·北京高考)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出．强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实．光电效应实验装置示意如图17­1­15.用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应．换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在KA之间就形成了使光电子减速的电场．逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U 可能是下列的(其中W为逸出功,h为普朗克常量,e为电子电量)( )A．U＝hνe－WeB．U＝2hνe－WeC．U＝2hν－W D．U＝5hν2e－Ee【解析】 由题意可知一个电子吸收多个光子仍然遵守光电效应方程,设电子吸收了n 个光子,则逸出的光电子的最大初动能为E k ＝nhν－W(n ＝2,3,4…),逸出的光电子在遏止电压下运动时应有E k ＝eU,由以上两式联立得U ＝nh ν－We,若取n ＝2,则B 正确． 【答案】 B10．分别用波长为λ和23λ的单色光照射同一金属板,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为( )A.12hc λB.32hc λC.34hc λ D.45hc λ【解析】 根据光电效应方程得E k1＝h cλ－W 0① E k2＝hc 23λ－W 0②又E k2＝2E k1③ 联立①②③得W 0＝12hcλ,A 正确． 【答案】 A11．用波长为λ的光照射金属的表面,当遏止电压取某个值时,光电流便被截止;当光的波长改为原波长的1n 后,已查明使电流截止的遏止电压必须增大到原值的η倍,试计算原入射光的波长λ.(已知该金属的逸出功为W 0)【解析】 由爱因斯坦光电效应方程可知,光电子的初动能E k ＝hν－W 0,设遏止电压为U e ,eU e ＝E k ,故eU c ＝hν－W 0.由题意得eU c ＝hcλ－W 0① ηeU c ＝hncλ－W 0② 将①代入②,解得λ＝hc （η－n ）W 0（η－1）.【答案】hc （η－n ）W 0（η－1）12．( ·武汉模拟)如图甲所示是研究光电效应规律的光电管．用波长λ＝0.50 μm 的绿光照射阴极K,实验测得流过G 表电流I 与AK 之间电势差U AK 满足如图乙所示规律,取h ＝6.63×10－34 J ·s.结合图象,求：(结果保留两位有效数字)图17­1­16(1)每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极K 时的最大动能; (2)该阴极材料的极限波长．【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,阴极每秒钟发射的光电子的个数n ＝I m e ＝0.64×10－61.6×10－19＝4.0×1012(个)光电子的最大初动能为：E km ＝eU 0＝1.6×10－19C ×0.6 V ＝9.6×10－20J. (2)由爱因斯坦光电效应方程可得h cλ－W 0＝E km 又W 0＝hc λ0代入数据得λ0＝0.66×10－6m.【答案】 (1)4.0×1012个 9.6×10－20J (2)0.66×10－6m。

第一章绪论一、填空题1、1923年，德布洛意提出物质波概念，认为任何实物粒子，如电子、质子等，也具有波动性，对于质量为1克，速度为1米/秒的粒子，其德布洛意波长为0.123A（保留三位有效数字）。

2、自由粒子的质量为m,能量为E,其德布罗意波长为h/p=h/√2mE(不考虑相对论效应)。

3、写出一个证明光的粒子性的：康普顿效应的发现,从实验上证实了光具有粒子性。

4、爱因斯坦在解释光电效应时，提出光的频率决定光子的能量，光的强度只决定光子的数目概念。

5、德布罗意关系为p=h/λ n（没有写为矢量也算正确）。

7、微观粒子具有波粒二象性。

8、德布罗意关系是粒子能量E、动量P与频率ν、波长λ之间的关系，其表达式为E=hv9、德布罗意波长为λ，质量为m的电子，其动能为已知。

10、量子力学是反映微观粒子运动规律的理论。

11、历史上量子论的提出是为了解释的能量分布问题。

用来解释光电效应的爱因斯坦公式为已知。

12、设电子能量为4电子伏，其德布罗意波长为待定nm。

13、索末菲的量子化条件为在量子理论中，角动量必须是h的整数倍，E待定。

应用这个量子化条件可以求得一维谐振子的能级=n14、德布罗意假说的正确性，在1927年为戴维孙和革末所做的电子衍射实验所证实，德布罗意关系（公式）为见P11。

15、1923年，德布洛意提出物质波概念，认为任何实物粒子，如电子、质子等，也具有波动性。

根据其理论，质量为μ，动量为p的粒子所对应的物质波的频率为，波长为若对于质量为1克，速度为1米/秒的粒子，其德布洛意波长为待定（保留三位有效数字）。

16、1923年，德布罗意提出物质波概念，认为任何实物粒子，如电子、质子等，也具有波动性，对于经过电压为100伏加速的电子，其德布洛意波长为0.123A（保留三位有效数字）。

二、选择题1、利用爱因斯坦提出的光量子概念可以成功地解释光电效应。

A. 普朗克B. 爱因斯坦C. 玻尔D. 波恩2、1927年C和等人所做的电子衍射试验验证了德布洛意的物质波假设。

17.1-17.2 能量量子化光的粒子性课后提升作业【基础达标练】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】选C。

黑体自身辐射电磁波,不一定是黑的,故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,故B错、C对;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此是小孔成了一个黑体,而不是空腔,故D错误。

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【解析】选A、C、D。

由题图可知,随温度升高,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,上述变化都将反过来。

故A、C、D正确,B 错误。

【补偿训练】下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射规律的是( )【解析】选A。

黑体辐射规律:随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有所增加,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,A图正确。

3.(多选)(2018·厦门高二检测)光电效应实验的装置如图所示,则下列说法中正确的是( )A.用紫外线照射锌板,验电器指针会发生偏转B.用红色光照射锌板,验电器指针会发生偏转C.锌板带的是负电荷D.使验电器指针发生偏转的是正电荷【解析】选A、D。

将擦得很亮的锌板连接验电器,用弧光灯照射锌板(弧光灯发出紫外线),验电器指针张开一个角度,说明锌板带了电。

2019-2020学年人教版选修3-517.2光的粒子性 课时作业1（含解析）1．一单色光照到某金属表面时，有光电子从金属表面逸出，下列说法中错误．．的是（ ） A ．只延长入射光照射时间，光电子的最大初动能将不变B ．只增大入射光的频率，光电子的最大初动能将增大C ．只增大入射光的频率，光电子逸出所经历的时间将缩短D ．只增大入射光的强度，单位时间内逸出的光电子数目将增多2．若能力为E 0的光子射到某金属表面时，从金属表面逸出的电子的最大初动能为E ，则能量为2E 0的光子射到该金属表面时，逸出的电子的最大初动能为A ．E 0+EB ． E 0-EC ．2ED ．2E 0-E3．下列说法中正确的是（ ）A ．原子核结合能越大，原子核越稳定B ．对黑体辐射的研究表明：随着温度的升高，辐射强度的最大值向波长较短的方向移动C ．核泄漏事故污染物Cs137能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为1371375556Cs Ba x →+，可以判断x 为正电子D ．一个氢原子处在n =4的能级，当它跃迁到较低能级时，最多可发出6种频率的光子4．如图所示，一束可见光穿过平行玻璃砖后，变为a 、b 两束单色光，则A ．a 光的频率大于b 光的频率B ．若a 光是蓝色光，则b 光可能是黄色光C ．若两种光通过相同双缝，则a 光产生的干涉条纹间距比b 光大D ．若a 光不能使某金属发生光电效应，则b 光一定不能使该金属发生光电效应5．分别用a 、b 、c 三种颜色的光照射某金属板，当用b 光照射时，发现从金属表面有光电子逸出，已知三种光的波长关系是a b c λλλ<<，则下列判断正确是A．用c光照射这个金属板时，一定不会有光电子逸出B．用a光照射这个金属板时，可能没有光电子逸出C．如果b光的照射强度越强，相同时间内从金属表面逸出的光电子数目就会越多D．如果b光的照射强度越强，从金属表面逸出的光电子的动能就会越大6．如图所示，当电键K断开时，用光子能量为3.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零.合上电键，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于1.5V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于1.5V时，电流表读数为零.由此可知阴极材料的逸出功为( )A．1.5eV B．2.0eV C．3.5eV D．5.0eV7．下列说法正确的是A．在光电效应实验中，入射光越强，逸出的光电子的初动能越大B．处于基态的氢原子可以吸收任意频率的光子而跃迁到对应的激发态C．某种放射性元素的样品经过6小时后还有没有衰变，它的半衰期是1．5小时D．比结合能的大小决定着原子核的稳定程度8．下列说法正确的是A．发生光电效应时，光电子的动能只与入射光的强度有关B．玻尔认为，原于中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的C．经典物理学不能解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征D．原子核的质量大于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损9．下列说法中正确的是（）A．卢瑟福依据大多数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型B．处于基态的氢原子吸收一个光子跃迁到激发态，再向低能级跃迁时辐射光子的频率一定不大于入射光子的频率C．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能因为这束光的强度太小D．铀（）经过多次αβ衰变形成稳定的铅的过程中，有6个中子转变成质子E. 两个质量较轻的原子核聚变形成一个中等质量的原子核要发生质量亏损10．光电效应实验中，下列表述正确的是A ．发生光电效应时，光照越强光电流越大B ．入射光足够强就可以有光电流C ．遏止电压与入射光的频率有关D ．入射光频率大于极限频率才能产生光电子11．已知某金属的极限波长为0.6 μm ，用0.5 μm 的光照射该金属表面时发射光电子的最大初动能为多少焦耳？该金属的逸出功为多少焦耳？(普朗克常量h ＝6.63×10－34 J·s ，结果保留2位有效数字)12．如图所示，阴极材料由铝制成，已知铝的逸出功为0W ，现用波长为λ的光照射铝的表面，使之产生光电效应．已知电子的电量为e ，普朗克常量为h ，真空中光速为c 。