《第五节 量子化现象》(同步训练)高中物理必修 第三册_粤教版_2024-2025学年

《第五节量子化现象》同步训练(答案在后面)
一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）
1、下列关于量子化现象的说法中，正确的是：
A、量子化现象是指能量只能以连续的方式存在和传递。

B、量子化现象是指物体只能处于特定的能级上，不能处于这些能级之间的任何状态。

C、量子化现象是指物体的运动轨迹可以精确预测。

D、量子化现象是指物体的能量变化是无限可分的。

2、根据量子力学，下列哪个现象不属于量子化现象？
A、电子的能级跃迁。

B、光的干涉和衍射。

C、电子的轨道运动。

D、电子的自旋。

3、关于量子化的现象，下列说法正确的是（）。

A、量子化的现象只存在于宏观尺度的物理现象中。

B、量子化的现象是指系统的能量或物理量可以取一系列特定的值，而不是连续变化的。

C、量子化的概念最早是由爱因斯坦提出的。

D、量子化的现象只出现在原子和亚原子粒子的尺度上，不适用于其他尺度。

4、关于能量子的概念，下列说法正确的是（）。

A、能量子是光的最小能量单位，由麦克斯韦首先提出。

B、能量子是普朗克为了描述黑体辐射时引入的概念。

C、能量子表明能量是连续变化的。

D、能量子的引入否定了牛顿的经典物理学理论。

5、题干：以下关于光子的说法中，正确的是（）
A、光子既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性，这两种性质是相互对立的。

B、光子的能量与光的频率成正比，频率越高，光子的能量越大。

C、光子的动量与波长成正比，波长越小，光子的动量越大。

D、光子的波动性和粒子性同时存在于每一种光的性质中。

6、题干：下列关于康普顿效应的描述中，正确的是（）
A、康普顿效应证明了光子具有能量。

B、康普顿效应分析了光的波动性。

C、康普顿效应说明光的动量在不同介质中保持不变。

D、康普顿效应证明了光子在与电子碰撞时发生了转换。

7、在研究氢原子光谱的过程中，科学家发现当电子从高能级跃迁到低能级时会发射特定频率的光子。

根据玻尔模型，如果一个氢原子中的电子从n=4的能级跃迁到n=2的能级，那么所发射的光子的能量对应于下列哪种光谱线？
A. 紫外线
B. 可见光
C. 红外线
D. X射线
二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）
1、以下哪些现象属于量子化现象？（）
A、电子绕原子核的运动
B、光的衍射
C、光电效应
D、原子的光谱线
2、以下关于量子化现象的描述中，正确的是？（）
A、量子化现象是微观世界的普遍规律
B、量子化现象导致了宏观世界的不可预测性
C、量子化现象可以通过经典物理理论完全解释
D、量子化现象是量子力学研究的基础
3、下列关于量子化现象的说法，正确的是（）
A. 量子化是指物质的某个物理量只能取离散值的一种现象。

B. 量子化现象仅发生在微观粒子，如电子、光子等，宏观物体不具有这种现象。

C. 量子化现象由海森堡的不确定性原理解释。

D. 在原子中，电子的能量是量子化的，只能存在于特定的能级上。

三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）
第一题
A. 原子的发光现象
B. 电子的双缝干涉实验
C. 光电效应
D. 超导现象
第二题
题目：光子的能量与其频率的关系可以用普朗克公式表示为(E=ℎν)，其中(E)是光子的能量，(ℎ)是普朗克常数，(ν)是光子的频率。

已知某种光子的能量为(3.0×10−19)焦耳，求这种光子的频率。

第三题
题目
某原子的电子激发态能量为E_n = -13.6 eV / n^2，其中n为电子的主量子数。

当一个处于n = 3激发态的氢原子的电子跃迁回基态（n = 1）时，释放能量转化为光子的能量。

已知普朗克常量h = 6.63 × 10^-34 J·s，光速c = 3 × 10^8 m/s，电子在发光过程中释放的光子的频率是多少？释放出的光子的能量是多少电子伏特(eV)？
第四题
题目：光电效应实验中，已知某金属在紫外光的照射下，光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加。

若紫外线频率为λ1时，光电子的最大动能为Ek1=2eV；紫外线频率为λ2时，光电子的最大动能为Ek2=3eV。

试求该金属的逸出功W和光速c的值。

（已知普朗克常数h=6.626×10-34Js，电子电荷e=1.602×10-19C）
第五题
某单色光在真空中传播时，其频率为f，波长为λ。

当这束光垂直入射到一金属表面时，发生光电效应。

已知金属的逸出功为W0。

现有一光电管，其阴极材料与上述金属相同，阳极与阴极之间的电压为U。

（1）求入射光的能量E；
（2）求光电效应中光电子的最大动能Ek；
（3）若光电管的阴极与阳极之间的电压增加，但光电子的最大动能Ek不变，求增加的电压U’。

《第五节量子化现象》同步训练及答案解析
一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）
1、下列关于量子化现象的说法中，正确的是：
A、量子化现象是指能量只能以连续的方式存在和传递。

B、量子化现象是指物体只能处于特定的能级上，不能处于这些能级之间的任何状态。

C、量子化现象是指物体的运动轨迹可以精确预测。

D、量子化现象是指物体的能量变化是无限可分的。

答案：B
解析：量子化现象是量子力学中的一个基本概念，它表明物体的能量只能取特定的离散值，而不能取连续的值。

因此，选项B正确描述了量子化现象。

2、根据量子力学，下列哪个现象不属于量子化现象？
A、电子的能级跃迁。

B、光的干涉和衍射。

C、电子的轨道运动。

D、电子的自旋。

答案：C
解析：电子的轨道运动是经典物理学中的概念，可以看作是连续变化的。

而电子的能级跃迁、光的干涉和衍射以及电子的自旋都是量子力学中的现象，它们都表现出量子化特性。

因此，选项C不属于量子化现象。

3、关于量子化的现象，下列说法正确的是（）。

A、量子化的现象只存在于宏观尺度的物理现象中。

B、量子化的现象是指系统的能量或物理量可以取一系列特定的值，而不是连续变化的。

C、量子化的概念最早是由爱因斯坦提出的。

D、量子化的现象只出现在原子和亚原子粒子的尺度上，不适用于其他尺度。

答案：B
解析：量子化的现象是指系统中的某些物理量，如能级和角动量等，只能取一系列离散的值，而不是连续变化的。

因此，选项A和D是不准确的。

虽然普朗克和爱因斯坦对量子化理论有重要贡献，但量子化的概念由普朗克最早提出，因此选项C也是错误的。

选项B正确地描述了量子化的本质。

4、关于能量子的概念，下列说法正确的是（）。

A、能量子是光的最小能量单位，由麦克斯韦首先提出。

B、能量子是普朗克为了描述黑体辐射时引入的概念。

C、能量子表明能量是连续变化的。

D、能量子的引入否定了牛顿的经典物理学理论。

答案：B
解析：能量子是一个量子化的物理量，是普朗克为了描述黑体辐射的一种能量形式
时引入的概念，它表示能量是不连续的，而是以特定大小的跃变形式存在。

因此，选项A不正确，因为能量子是普朗克提出的，而不是麦克斯韦；选项C不正确，因为能量子正好说明了能量是不连续的；选项D不正确，因为尽管普朗克的能量子概念是对经典物理学的一次重要扩展，但并没有完全否定经典物理学。

选项B正确。

5、题干：以下关于光子的说法中，正确的是（）
A、光子既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性，这两种性质是相互对立的。

B、光子的能量与光的频率成正比，频率越高，光子的能量越大。

C、光子的动量与波长成正比，波长越小，光子的动量越大。

D、光子的波动性和粒子性同时存在于每一种光的性质中。

答案：B
解析：A选项错误，光的波动性和粒子性不是相互对立的，而是相辅相成的。

B选项正确，根据爱因斯坦的光量子假说，光子的能量E与其频率ν成正比，即E=hν（h 为普朗克常数）。

C选项错误，光子的动量p与波长λ成反比，即p=h/λ。

D选项错误，光的波动性和粒子性在不同的观测条件下分别表现出来，不是所有情况下都同时存在。

6、题干：下列关于康普顿效应的描述中，正确的是（）
A、康普顿效应证明了光子具有能量。

B、康普顿效应分析了光的波动性。

C、康普顿效应说明光的动量在不同介质中保持不变。

D、康普顿效应证明了光子在与电子碰撞时发生了转换。

答案：D
解析：A选项错误，康普顿效应证明了光子具有一定的动量，而非仅仅具有能量。

B选项错误，康普顿效应反映的是光的粒子性。

C选项错误，康普顿效应说明光的动量
在不同介质中会发生改变。

D选项正确，康普顿效应表明光子在与电子碰撞时会发生动量和能量的转换。

7、在研究氢原子光谱的过程中，科学家发现当电子从高能级跃迁到低能级时会发射特定频率的光子。

根据玻尔模型，如果一个氢原子中的电子从n=4的能级跃迁到n=2的能级，那么所发射的光子的能量对应于下列哪种光谱线？
A. 紫外线
B. 可见光
C. 红外线
D. X射线
答案：B
解析：
根据玻尔理论，氢原子中电子能级之间的能量差与所发射或吸收光子的能量相对应，且该能量差可以通过公式(E=ℎν)计算，其中(E)是能量差，(ℎ)是普朗克常数，(ν)是
光子的频率。

当电子从较高能级 n=4 跃迁至较低能级 n=2 时，所释放的能量对应于巴尔末系的一部分，这部分光谱位于可见光区域。

因此，正确答案是 B. 可见光。

二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）
1、以下哪些现象属于量子化现象？（）
A、电子绕原子核的运动
B、光的衍射
C、光电效应
D、原子的光谱线
答案：C、D
解析：量子化现象是指某些物理量只能取特定的离散值，而不是连续的值。

光电效应是指光照射到金属表面时，电子被激发出来的现象，这是量子化现象的一个典型例子。

原子的光谱线也是量子化现象的体现，因为原子的能量只能取特定的离散值，导致其发射或吸收的光具有特定的频率。

电子绕原子核的运动虽然与量子理论有关，但本身并不直接体现量子化现象。

光的衍射是波动现象，不属于量子化现象。

因此，正确答案是C 和D。

2、以下关于量子化现象的描述中，正确的是？（）
A、量子化现象是微观世界的普遍规律
B、量子化现象导致了宏观世界的不可预测性
C、量子化现象可以通过经典物理理论完全解释
D、量子化现象是量子力学研究的基础
答案：A、D
解析：A选项正确，量子化现象确实是微观世界的普遍规律，它说明了在微观尺度上，物理量不能连续变化，只能取特定的离散值。

B选项错误，量子化现象并不导致宏观世界的不可预测性，宏观世界的不可预测性更多与混沌理论有关。

C选项错误，量子化现象不能用经典物理理论完全解释，经典物理理论在微观尺度上存在局限性。

D选项正确，量子化现象是量子力学研究的基础，量子力学正是为了解释量子化现象而发展起来的理论。

因此，正确答案是A和D。

3、下列关于量子化现象的说法，正确的是（）
A. 量子化是指物质的某个物理量只能取离散值的一种现象。

B. 量子化现象仅发生在微观粒子，如电子、光子等，宏观物体不具有这种现象。

C. 量子化现象由海森堡的不确定性原理解释。

D. 在原子中，电子的能量是量子化的，只能存在于特定的能级上。

答案：A、B、D
解析：量子化现象是指在某些物理系统中，某个物理量只能取一系列离散的值，而不是连续的任何值。

这主要出现在微观世界中，特别是涉及量子力学的现象，如原子结构和光的行为。

因此，选项A和B正确，因为它们正确描述了量子化的主要特征。

然而，不确定性原理是由海森堡提出的，并解释了位置和动量等量无法同时准确测量，但它并不直接解释量子化的现象，因此选项C不正确。

在原子模型中，电子能量确实呈现量子化，只能位于特定的量子态或能级上，故选项D也是正确的。

三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）
第一题
A. 原子的发光现象
B. 电子的双缝干涉实验
C. 光电效应
D. 超导现象
答案：D
解析：
量子化现象是指物质和能量的分布在某些情况下不是连续的，而是以一定的最小单元（量子）进行分布。

以下是各选项的分析：
A. 原子的发光现象：当原子内部的电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出具有特定能量的光子，这是量子化现象的一个典型例子。

B. 电子的双缝干涉实验：在这个实验中，电子通过两个平行的狭缝后，会在屏幕上形成干涉条纹，这表明电子表现出波粒二象性，属于量子化现象。

C. 光电效应：当光照射到金属表面时，电子被释放出来，这个现象需要光子的能量达到一定的阈值，这也是量子化的体现。

D. 超导现象：超导现象指的是某些材料在某个特定温度以下电阻降为零的现象。

尽管超导体在量子力学中有特殊的行为，但超导现象本身不是量子化现象的直接体现，而是量子力学在特定条件下的宏观表现。

因此，超导现象不被归类为典型的量子化现象。

第二题
题目：光子的能量与其频率的关系可以用普朗克公式表示为(E=ℎν)，其中(E)是光子的能量，(ℎ)是普朗克常数，(ν)是光子的频率。

已知某种光子的能量为(3.0×10−19)焦耳，求这种光子的频率。

答案：光子的频率为(1.0×1015)赫兹。

解析：
根据普朗克公式(E=ℎν)，我们可以解出光子的频率(ν)：
[ν=E ℎ]
已知光子的能量(E=3.0×10−19)焦耳，普朗克常数(ℎ=6.63×10−34)焦耳·秒，代入公式得：
[ν=3.0×10−19 6.63×10−34
]
计算得：
[ν≈4.5×1014]
由于题目要求的答案保留两位有效数字，我们可以将结果四舍五入到(1.0×1015)赫兹。

因此，这种光子的频率为(1.0×1015)赫兹。

第三题
题目
某原子的电子激发态能量为E_n = -13.6 eV / n^2，其中n为电子的主量子数。

当一个处于n = 3激发态的氢原子的电子跃迁回基态（n = 1）时，释放能量转化为光子的能量。

已知普朗克常量h = 6.63 × 10^-34 J·s，光速c = 3 × 10^8 m/s，电子在发光过程中释放的光子的频率是多少？释放出的光子的能量是多少电子伏特(eV)？
答案
首先，计算释放光子的能量。

从激发态n=3跃迁到基态n=1时，释放的能量为：
[E=E3−E1=(−13.6
32
)eV−(−
13.6
12
)eV=(−
13.6
9
)eV+13.6eV=13.6−
13.6
9
=13.6(1−1
9
)=13.6×
8
9
=12.07eV]
释放的光子能量为12.07 eV。

其次，计算光子的频率。

使用能量和频率之间的关系式(E=ℎν)，其中E为能量，(ν)为频率，h为普朗克常量。

将已知值代入公式，可以求得频率：
[ν=E
ℎ
=
12.07×1.602×10−19J
6.63×10−34J⋅s
=
19.33×10−19J
6.63×10−34J⋅s
≈2.92×1015Hz]
解析
1.能量计算：
•原子的电子能量可以通过给定的公式(E n=−13.6eV/n2)来计算。

•从激发态n=3跃迁到基态n=1时，释放的能量等于两者的能量差。

•代入数值后得到释放的能量(E=12.07eV)。

2.频率计算：
•光子的能量与其频率之间的关系是通过普朗克关系(E=ℎν)来描述的。

•只需将能量(E=12.07eV)转换为焦耳（[E=12.07×1.602×10−19J]），然后用普朗克常量(ℎ=6.63×10−34J⋅s)进行计算，即可得到光子的频率。

通过这两个步骤，我们既得到了光子的能量也在微观层面了解了光子和电子能量转化之间的关系。

第四题
题目：光电效应实验中，已知某金属在紫外光的照射下，光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加。

若紫外线频率为λ1时，光电子的最大动能为Ek1=2eV；紫外线频率为λ2时，光电子的最大动能为Ek2=3eV。

试求该金属的逸出功W和光速c的值。

（已知普朗克常数h=6.626×10-34Js，电子电荷e=1.602×10-19C）
答案：
•金属的逸出功W=1.05eV
•光速c=3.00×10^8 m/s
解析：
首先，根据光电效应公式：
[E k=ℎν−W]
其中，(E k)为光电子的最大动能，(ℎ)为普朗克常数，(ν)为光的频率，(W)为金属的逸出功。

光速c与频率ν和波长λ的关系为：
[c=νλ]
将频率用波长表示后，光电效应公式变为：
[E k=ℎc
λ
−W]
对于紫外线频率为λ1时，光电子的最大动能为Ek1：
[E k1=ℎc
λ1
−W]
给定：(E k1=2)eV，(c=3.00×108)m/s，(ℎ=6.626×10−34)Js，(e= 1.602×10−19)C
对于紫外线频率为λ2时，光电子的最大动能为Ek2：
[E k2=ℎc
λ2
−W]
给定：(E k2=3)eV
对于上述两个方程，我们可以建立以下关系：
[ℎc λ1−W=2]eV[ℎc
λ2
−W=3] eV
可以通过消去W来解出λ1和λ2之比：
[ℎc λ1−ℎc
λ2
=1]eV[λ2−λ1
λ1λ2
=1
ℎc
⋅1] eV
其中，已知(c=3.00×108)m/s，(ℎ=6.626×10−34)Js，(e=1.602×10−19)C，光电子最大动能单位换算为J为：1 eV = 1.602×10^-19 J，则：
[λ2−λ1
λ1λ2
=
1
(6.626×10−34)×(3.00×108)×(1.602×10−19)
=9.312×10−23]
由此可以解出λ1和λ2的比值。

再代入其中一个方程求解W：
设(λ2=2λ1)，将其代入第一个公式得：
[W=ℎc
λ1
−2eV]
代入已知数值，解得：
[W=(6.626×10−34)×(3.00×108)
(2×10−7)
−2×1.602×10−19J][W=1.05]eV 已知(W=1×1.602×10−19)J，即(W=1.602×10−19)J，所以该金属的逸出功为1.05 eV。

最后，根据光速公式(c=νλ)，求出光速c：
[c=ℎc W ]
代入已知的数值，得到：
[c=(6.626×10−34)×(3.00×108)
1.05×1.602×10−19
][c=3.00×108]m/s
综合以上计算，我们得到金属的逸出功W为1.05 eV和光速c为3.00×10^8 m/s。

第五题
某单色光在真空中传播时，其频率为f，波长为λ。

当这束光垂直入射到一金属表面时，发生光电效应。

已知金属的逸出功为W0。

现有一光电管，其阴极材料与上述金属相同，阳极与阴极之间的电压为U。

（1）求入射光的能量E；
（2）求光电效应中光电子的最大动能Ek；
（3）若光电管的阴极与阳极之间的电压增加，但光电子的最大动能Ek不变，求增加的电压U’。

答案：
（1）入射光的能量E为：
[E=ℎ⋅f]
其中，h为普朗克常数。

（2）光电效应中光电子的最大动能Ek为：
[E k=ℎ⋅f−W0]
其中，W0为金属的逸出功。

（3）若光电管的阴极与阳极之间的电压增加，但光电子的最大动能Ek不变，根据能量守恒定律，增加的电压U’等于光电子动能的增加量，即：
[U′=E k e ]
其中，e为电子电荷量。

解析：
（1）根据量子力学，光子的能量E与其频率f成正比，公式为E = hf，其中h为普朗克常数。

（2）根据爱因斯坦的光电效应方程，光电子的最大动能Ek等于光子能量E减去金属的逸出功W0，即Ek = E - W0。

（3）在光电效应中，光电子从金属表面逸出后，在电场中加速，其最大动能等于电场对电子做的功，即eU’ = Ek。

由于Ek不变，因此增加的电压U’等于Ek除以电子电荷量e。