2020高中物理 14 光的波粒二象性（含解析）教科版-5

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGE10-學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精課時(shí)分層作業(yè)（十四)光的波粒二象性（時(shí)間：40分鐘分值：100分)[基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)練]一、選擇題（本題共6小題,每小題6分，共36分)1．(多選)以下關(guān)于康普頓效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，說法正確的是(）A．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性B．康普頓效應(yīng)現(xiàn)象說明光具有粒子性C．當(dāng)光子與晶體中的電子碰撞后，其能量增加D．當(dāng)光子與晶體中的電子碰撞后，其能量減少BD[康普頓用光子的模型成功地解釋了康普頓效應(yīng)，在散射過程中X射線的光子與晶體中的電子碰撞時(shí)要遵循動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律,故B、D正確,A、C錯(cuò)誤．］2．（多選）關(guān)于光的本性，下列說法中正確的是(）A．關(guān)于光的本性,牛頓提出“微粒說”，惠更斯提出“波動(dòng)說”，愛因斯坦提出“光子說”,它們都說明了光的本性B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波,也可以看成微觀概念上的粒子C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性D．光電效應(yīng)說明光具有粒子性CD［光的波動(dòng)性指大量光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小可以用波動(dòng)規(guī)律來描述，不是惠更斯的波動(dòng)說中宏觀意義下的機(jī)械波,光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個(gè)光子，不是牛頓微粒說中的經(jīng)典微粒．某現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性,是指波動(dòng)理論能解釋這一現(xiàn)象．某現(xiàn)象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個(gè)現(xiàn)象．要區(qū)分說法和物理史實(shí)與波粒二象性之間的關(guān)系．C、D正確，A、B錯(cuò)誤．］3．（多選)下面關(guān)于光的波粒二象性的說法中，正確的是（)A．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動(dòng)性，個(gè)別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性B．頻率越大的光其粒子性越顯著,頻率越小的光其波動(dòng)性越顯著C．光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，光在跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性D．光不可能同時(shí)既具有波動(dòng)性,又具有粒子性ABC［光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，大量的光子波動(dòng)性比較明顯，個(gè)別光子的粒子性比較明顯，故A正確；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動(dòng)性越顯著，故B正確;光在傳播時(shí)往往表現(xiàn)出波動(dòng)性,光在跟物質(zhì)相互作用時(shí)往往表現(xiàn)出粒子性，故C正確；光的波粒二象性是指光有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性，二者是統(tǒng)一的，故D錯(cuò)誤．]4．（多選）為了驗(yàn)證光的波粒二象性，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中將光屏換成照相底片,并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，下列說法正確的是（）A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的狹縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上將出現(xiàn)雙縫干涉圖樣B．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置的狹縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干涉圖樣C．大量光子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律顯示出光的粒子性D．個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示出光的粒子性AD[單個(gè)光子運(yùn)動(dòng)具有不確定性,大量光子落點(diǎn)的概率分布遵循一定規(guī)律，顯示出光的波動(dòng)性．使光子一個(gè)一個(gè)地通過雙縫,如果時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上會(huì)出現(xiàn)明顯的干涉圖樣，A正確，B、C錯(cuò)誤；由光的波粒二象性知,個(gè)別光子的運(yùn)動(dòng)顯示出光的粒子性，D正確．］5．（多選）在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是（）A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過單縫，如果時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣B．單個(gè)光子通過單縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣C．光子通過單縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏D．單個(gè)光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性,大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性AD［個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性．單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，無規(guī)律的,但出現(xiàn)在底片上明條紋處的概率大些，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性,大量光子運(yùn)動(dòng)符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過單縫產(chǎn)生衍射圖樣,故A、D正確，B錯(cuò)誤．光子通過單縫的運(yùn)動(dòng)路線是無規(guī)律的，故C錯(cuò)誤．］6．(多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95％以上．假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子能通過單縫，那么該光子（）A．一定落在中央亮紋處B．一定落在亮紋處C．可能落在亮紋處D．可能落在暗紋處CD[根據(jù)光的概率波的概念，對(duì)于一個(gè)光子通過單縫落在何處，是不可確定的,但概率最大的是落在中央亮紋處，可達(dá)95％以上．當(dāng)然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處,只不過落在暗處的概率很小而已,故只有C、D正確．]二、非選擇題（14分)7．光具有波粒二象性,光子的能量ε＝hν，其中頻率ν表示波的特征．若某激光管以PW＝60W的功率發(fā)射波長(zhǎng)λ＝663nm的光束，試根據(jù)上述理論計(jì)算：該管在1s內(nèi)發(fā)射出多少個(gè)光子？［解析]設(shè)在時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)射出的光子數(shù)為n，光子的頻率為ν，每個(gè)光子的能量ε＝hν,所以PW＝eq\f(nhν，Δt)（Δt＝1s)而ν＝eq\f(c，λ），解得n＝eq\f（PWΔt·λ，hc）＝eq\f(60×1×663×10－9，6。63×10－34×3×108）個(gè)＝2。0×1020個(gè)．[答案］2.0×1020個(gè)［能力提升練]一、選擇題（本題共4小題，每小題6分，共24分）1．（多選)科學(xué)研究證明，光子有能量也有動(dòng)量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．假設(shè)光子與電子碰撞前的波長(zhǎng)為λ，碰撞后的波長(zhǎng)為λ′,則碰撞過程中()A．能量守恒 B．動(dòng)量守恒C．λ＜λ′ D．λ＞λ′ABC[能量守恒和動(dòng)量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界,也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個(gè)守恒規(guī)律．光子與電子碰撞前光子的能量E＝hν＝heq\f（c，λ），當(dāng)光子與電子碰撞時(shí),光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量E′＝hν′＝heq\f（c，λ′），由E＞E′，可知λ＜λ′,選項(xiàng)A、B、C正確．］2．（多選）用極微弱的可見光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，隨著時(shí)間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖(a)、(b）、（c）所示的圖像，則下列說法正確的是(）A．圖像（a）表明光具有粒子性B．圖像（c)表明光具有波動(dòng)性C．用紫外光不能產(chǎn)生干涉D．實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波ABD[用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)得到的圖片上的一個(gè)一個(gè)無分布規(guī)律的光點(diǎn)，體現(xiàn)了光的粒子性，故A正確;經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間曝光的圖片（c），出現(xiàn)了明暗相間的條紋,波動(dòng)性較為明顯，本實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波,但不能表明光是一種電磁波，故B、D均正確；紫外光也屬于波，也能發(fā)生干涉，故C錯(cuò)誤．］3．近年來,數(shù)碼相機(jī)幾近家喻戶曉,用來衡量數(shù)碼相機(jī)性能的一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是像素，1像素可理解為光子打在光屏上的一個(gè)亮點(diǎn),現(xiàn)知300萬像素的數(shù)碼相機(jī)拍出的照片比30萬像素的數(shù)碼相機(jī)拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解為(）A．光是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是一份一份的B．光的波動(dòng)性是大量光子之間的相互作用引起的C．大量光子表現(xiàn)光具有粒子性D．光具有波粒二象性,大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性D[數(shù)碼相機(jī)拍出的照片不是白點(diǎn)，不能說明顯示粒子性,故不選擇A；光的波粒二象性是光的內(nèi)在屬性，即使是單個(gè)光子也有波動(dòng)性,跟光子的數(shù)量和光子之間是否有相互作用無關(guān)，所以B錯(cuò)誤；大量光子表現(xiàn)光具有波動(dòng)性，所以C錯(cuò)誤；光具有波粒二象性，大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性，D正確．]4．任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體,小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)，都有一種波與之對(duì)應(yīng)，波長(zhǎng)是λ＝eq\f(h,p),式中p是運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量，h是普朗克常量，人們把這種波叫德布羅意波，現(xiàn)有一個(gè)德布羅意波長(zhǎng)為λ1的物體1和一個(gè)德布羅意波長(zhǎng)為λ2的物體2相向正碰后粘在一起,已知|p1|＜|p2|,則粘在一起的物體的德布羅意波長(zhǎng)為（）A。eq\f（λ1＋λ2,2）B.eq\f（λ1－λ2，2）C.eq\f（λ1λ2,λ1＋λ2）D。eq\f（λ1λ2，λ1－λ2）D[由動(dòng)量守恒p2－p1＝(m1＋m2）v知，即eq\f(h,λ2）－eq\f(h，λ1）＝eq\f(h，λ），所以λ＝eq\f（λ1λ2,λ1－λ2），故D正確．]二、非選擇題(本大題共2小題，共26分)5．（12分）若一個(gè)光子的能量等于一個(gè)電子的靜止能量，已知靜止電子的能量為m0c2,其中m0為電子質(zhì)量，c為光速，試問該光子的動(dòng)量和波長(zhǎng)是多少？（電子的質(zhì)量取9。11×10－31kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s）[解析]一個(gè)電子靜止能量為m0c2，按題意hν＝m0c2光子的動(dòng)量p＝eq\f（h,λ）＝eq\f(ε,c）＝eq\f(m0c2,c）＝m0c＝9.11×10－31kg×3×108m/s≈2。73×10－22kg·m/s光子的波長(zhǎng)λ＝eq\f（h，p)＝eq\f(6.63×10－34J·s，2.73×10－22kg·m/s)≈2.4×10－12m.［答案]2.73×10－22kg·m/s2.4×10－12m6．太陽(yáng)光垂直射到地面上時(shí)，地面上1m2接收的太陽(yáng)光的功率為1.4kW，其中可見光部分約占45%。(普朗克常量h＝6。6×10－34J·s)(1）假如認(rèn)為可見光的波長(zhǎng)約為0.55μm,日、地間距離R＝1.5×1011m，估算太陽(yáng)每秒輻射出的可見光光子數(shù)為多少？(2)若已知地球的半徑為6.4×106m,估算地球接收的太陽(yáng)光的總功率．［解析]（1）設(shè)地面上垂直陽(yáng)光的1m2面積上每秒鐘接收的可見光光子數(shù)為n,則有P×45％＝n·heq\f（c,λ)解得n＝eq\f（0。45λP，hc)＝eq\f(0。45×0.55×10－6×1.4×103，6。6×10－34×3×108）＝1.75×1021(個(gè)）設(shè)想一個(gè)以大陽(yáng)為球心，以日、地距離為半徑的大球面包圍著太陽(yáng)，大球面接收的光子數(shù)即等于太陽(yáng)輻射的全部光子數(shù)．則所求可見光光子數(shù)N＝n·4πR2