光电效应与光的波粒二象性

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v0W h

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Ek=hv-W知,B、C错误,D正确.若Ek=0,得极限频率v0=W,h

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EkhvW

得W=hv -Ek=5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV

则入射光的最低能量为hvmin=W=3.5 eV

故正确选项为B.

答案B

5.紫外线光子的动量为hv.一个静止的O3吸收了一个紫外线光子后 ( ) c

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O3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v1的绿光照射某金属发生了光电效应,改用频率是v2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v1的

绿光照射某金属发生了光电效应,改用频率是v2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λ1和λ2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WC和WD,则下列选项正确的是( )

A. λ1>λ2,WC>WD

B. λ1>λ2,WC<WD

C. λ1<λ2,WC>WD

D. λ1<λ2,WC<WD

解析:由题意知,A光光子的能量大于B光光子,根据E=hv=hc,得λ1<λ2;又因为单λ

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WC<WD,

故正确选项是D.

答案D

h,它也遵守有关动量的规律.如图所示,真空中有一“∞”λ

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,9.光子有能量,也有动量p=

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λ1(λ1>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λ2 (λ2<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λ0,

换用波长为λ1照射,虽然λ1>λ,但是λ1不一定大于λ0,所以用波长为λ1的光照射时,可能

仍有光电流,故A错误.用波长为λ2 (λ2<λ)的光照射阴极K时,因λ2<λ<λ0,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 .

E h

λλE单色光在介质中传播的速度:v=λv Th

chc介质对这种色光的折射率:n=. vλE

hc答案 λE解析:由E=hv得色光频率:v=

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 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

-34朗克常量h=6.63×10 J·s).

解析:吸收的能量为

-7

E=8NAhc λ

23-343.0108=8×6.0×10×6.63×10×J 6.68107

=1.43×10 J

则能量转化效率为 6

E4.69105

η=×100%=×100%=33%. E1.43106

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 537A,阴极离光源距离d=0.5 m,原子半径取r=0.5×10 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 -10

E=P2-20πr=3.75×10J 24ππ

EEλ=5个. hvhc因此每个原子每秒钟接收到的光子数为 n=

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.

-1616.(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 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=

解得 P·1d2π() 24πs2

16Es21610161002

-6P=W10W. 232d(410)

答案10W

17.(9分)分别用λ和-63λ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4

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:

hcW λ

4hcW 当用波长为34λ的光照射时:Ek23λ当用波长为λ的光照射时:Ek1

又① ② Ek11 EK22 ③ 解①②③组成的方程组得:W

答案2hc. 3λ ④ 2hc 3λ

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=E

P2103

10 s=2×10 s. -4

(2)由E=nE0=nhc得: λ

Eλ2103500109

15n=个=5×10个. 348hc6.63103.010

答案2×10 s 5×10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.

-34-19

(h=6.63×10 J·s,电子电荷量e=1.6×10 C) -415

(1)如高压电源的电压为20 kV,求X射线的最短波长;

(2)如此时电流表读数为5 mA,1 s内产生5×10个平均波长为1.0×10 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=13-10hc Ue

6.6310343108

=m 21041.61019

=6.2×10 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=-11P2=0.1%. P1

-11答案(1)6.2×10 m

(2)0.1%


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