2019-2020学年高二物理人教版选修3-5同步作业：17.1-2 能量量子化、光的粒子性 Word版含答案

课时1能量量子化
课时2光的粒子性
对应学生用书P25
一、选择题
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
答案B
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满意的解释，故选B。

2．(多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是()
A．振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B．带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C．能量子与电磁波的频率成正比
D．这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的
答案BC
解析普朗克能量子假说认为，能量存在某一个最小值，带电微粒辐射或吸收的能量只能是这个最小能量值的整数倍，故A错误，B正确；能量子与电磁波的频率成正比，故C正确；能量子假说反映的是微观世界的特征，不同于宏观世界，并不是与现实世界相矛盾，故D错误。

3．关于对热辐射的认识，下列说法中正确的是()
A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波
B．温度越高，物体辐射的电磁波越强
C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关
D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色
答案B
解析一切物体都不停地向外辐射电磁波，且温度越高，辐射的电磁波越强，故A错误，B正确；辐射强度按波长的分布情况除与物体的温度有关，还与材料种类及表面状况有关，故C错误；常温下看到的物体的颜色是反射光的颜色，故D错误。

4．(多选)对于带电微粒辐射或吸收能量时的特点，以下说法正确的是() A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B．辐射或吸收的能量是某一最小值的整数倍
C．吸收的能量可以是连续的
D．辐射或吸收的能量是量子化的
答案ABD
解析带电微粒辐射或吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续的。

故A、B、D正确，C错误。

5．关于光电效应现象，下列说法正确的是()
A．只有入射光的波长大于使该金属发生光电效应的极限波长，才能发生光电效应现象
B．在光电效应现象中，产生的光电子的最大初动能跟入射光的频率成正比C．产生的光电子最大初动能与入射光的强度成正比
D．在入射光频率一定时，单位时间内从金属中逸出的光电子个数与入射光的强度成正比
答案D
解析发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，也就是入射光的波长小于金属的极限波长，故A错误。

由光电效应方程E k＝hν－W0知，
产生的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，且与入射光强度无关，故B、C错误。

入射光频率一定时，光强越大，光子数越多，逸出的光电子数越多，光电子数与光强成正比，故D正确。

6．已知某单色光的波长为λ，在真空中光速为c，普朗克常量为h，则电磁波辐射的能量子ε的值为()
A．h c
λ B.h λ
C.c
hλD．以上均不正确
答案A
解析由光速、波长的关系可得出光的频率ν＝c
λ，从而ε＝hν＝h c
λ，故A正
确。

7.
(多选)光电效应实验的装置如图所示，则下面说法中正确的是()
A．用紫外光照射锌板，验电器指针会发生偏转
B．用红光照射锌板，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
答案AD
解析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，进一步研究表明锌板带正电。

这说明在紫外线的照射下，锌板中有一部分自由电子从表面飞出来，锌板中缺少电子，于是带正电，A、D正确，C错误；红光不能使锌板发生光电效应，B错误。

8．(多选)一含有光电管的电路如图甲所示，乙图是用a、b、c光照射光电管得到的I-U图线，U c1、U c2表示遏止电压，下列说法正确的是()
A．甲图中光电管得到的电压为正向电压
B．a、b光的波长相等
C．a、c光的波长相等
D．a、c光的光强相等
答案AC
解析由图甲可知，光电管中左侧的极板与电源的正极相连，右侧与电源负极相连，电场线从左向右，电子逆着电场线运动。

因此，光电管此时得到的电压为正向电压，A正确；图乙是a、b、c三种光照射光电管时得到的I-U图线，由图可知，a、c两种光的遏止电压相同，说明a、c两种光照射时逸出的光电子的最大初动能相同。

因此，a、c光的频率相同，a、c光在真空中的波长相等，C 正确，B错误；a、c光照射在光电管上，饱和光电流不同，说明光照强度不同，D错误。

9.
(多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能E k与入射光的频率ν的关系如图所示。

由此图线可求出()
A．该金属的极限频率和极限波长
B．普朗克常量
C．该金属的逸出功
D．单位时间内逸出的光电子数
答案ABC
解析由图线可知E k＝0时的频率为极限频率νc，极限波长为λ0＝c
νc。

该图
线的斜率等于普朗克常量h，该金属的逸出功W0＝hνc也可求。

不能求出单位时间内逸出的光电子数，故A、B、C正确。

10．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W C和W D，则下列选项正确的是()
A．λ1＞λ2，W C＞W D B．λ1＞λ2，W C＜W D
C．λ1＜λ2，W C＞W D D．λ1＜λ2，W C＜W D
答案D
解析单色光B照射时，金属C产生光电效应现象，金属D不能产生光电效应现象，可以判断出金属C的逸出功W C小于金属D的逸出功W D，单色光A 照射金属D能产生光电效应现象，单色光B照射金属D不能产生光电效应现象，可以判断λ1＜λ2，故D正确。

11.
(多选)如图所示为一真空光电管的应用电路，其阴极金属材料的极限频率为4.5×1014 Hz，则下列判断中正确的是()
A．发生光电效应时，入射光频率一定，则电路中光电流的饱和值取决于入射光的频率
B．发生光电效应时，入射光频率一定，则电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度
C．用λ＝0.5 μm的光照射光电管时，电路中有光电流产生
D．光照射的时间越长，电路中的光电流越大
答案BC
解析发生光电效应时，入射光频率一定，则电路中光电流的饱和值取决于入射光的强度，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，电路中的饱和光
电流就越大，与光的照射时间长短无关，故B正确，A、D错误；频率f＝
3×108 0.5×10－6
Hz＝6×1014 Hz>4.5×1014 Hz，所以电路中有光电流产生，故C正确。

12．(多选)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为νc，则()
A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc
C．当入射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大
D．当入射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
答案AB
解析光的频率2νc大于金属的极限频率，所以一定能发生光电效应，故A 正确；根据光电效应方程，知E k＝hν－W0＝hν－hνc，则用频率为2νc的光照射该金属时，产生的光电子的最大初动能为hνc，故B正确；逸出功的大小与入射光频率无关，由金属本身决定，故C错误；根据光电效应方程，知E k＝hν－W0＝hν－hνc，照射光的频率大于νc时，若频率增大一倍，则光电子的最大初动能不是增大一倍，故D错误。

13．关于黑体的认识，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答案C
解析由于黑体本身可能辐射电磁波，所以看上去不一定是黑的，故A错误；根据黑体辐射结论，黑体热辐射电磁波的强度按照波长的分布只与温度有关，
随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故B错误，C正确；小孔只吸收电磁波，而不反射电磁波，因此是小孔成了一个黑体，而不是空腔，故D错误。

14．很多地方用红外线热像仪监测人的体温，只要被测者从仪器前走过，便可知道他的体温是多少，关于其原理，下列说法正确的是()
A．人的体温会影响周围空气温度，仪器通过测量空气温度便可知道人的体温
B．仪器发出的红外线遇人反射，反射情况与被测者的温度有关
C．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较短波长的成分强
D．被测者会辐射红外线，辐射强度以及按波长的分布情况与温度有关，温度高时辐射强且较长波长的成分强
答案C
解析根据辐射规律可知，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，人的体温的高低，直接决定了辐射的红外线强度按波长的分布情况，通过监测被测者辐射的红外线的情况，就可知道这个人的体温，故C正确，A、B、D错误。

15．某种光的光子能量为ε，这种光在某一种介质中传播时的波长为λ，则这种介质的折射率为()
A.λε
h B.
λε
ch C.
ch
λε D.
h
λε
答案C
解析由ε＝hν，则这种光在介质中的传播速度为v＝λν＝λε
h，所以这种介质
的折射率为n＝c
v＝
ch
λε，故C正确。

16．入射光照在金属表面上发生光电效应，若减弱入射光的强度，而保持频率不变，则()
A．有可能不发生光电效应
B．逸出的光电子的最大初动能将减小
C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D．从光照到金属表面上到发射出光电子的时间间隔明显增加
答案C
解析根据爱因斯坦光电效应方程E k＝hν－W0，可知当入射光频率不变时，金属仍能发生光电效应，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程E k＝hν－W0，可知当入射光频率不变时，逸出电子的最大初动能不变，与入射光的强度无关，故B错误；频率一定，光的强度影响的是单位时间内发出光电子的数目，入射光强度减小，单位时间内从金属表面逸出的光电子的数目减少，故C正确；频率一定，光的强度影响的是单位时间内发出光电子的数目，并不会影响从光照到金属表面上到发射出光电子的时间间隔，故D错误。

17．(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为U a和U b、光电子的最大初动能分别为E k a和E k b。

h为普朗克常量。

下列说法正确的是()
A．若νa>νb，则一定有U a<U b
B．若νa>νb，则一定有E k a>E k b
C．若U a<U b，则一定有E k a<E k b
D．若νa>νb，则一定有hνa－E k a>hνb－E k b
答案BC
解析由爱因斯坦光电效应方程E km＝hν－W0，由动能定理可得：E km＝eU，所以当νa>νb时，U a>U b，E k a>E k b，故A错误，B正确；若U a<U b，则一定有E k a<E k b，故C正确；由光电效应方程可得：金属的逸出功W0＝hνa－E k a＝hνb－E k b，故D 错误。

18．(多选)光电效应的四条规律中，波动说不能解释的有()
A．入射光的频率必须大于被照金属的截止频率才能产生光电效应
B．光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大C．入射光照射到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s
D．当入射光频率大于截止频率时，光电流强度与入射光强度成正比
答案ABC
解析此题应从光电效应规律与经典波动理论的矛盾着手去解答。

按照经典
的光的波动理论，光的能量随光的强度的增大而增大，与光的频率无关，金属中的电子必须吸收足够能量后，才能从中逸出，电子有一个能量积蓄的时间。

光的强度越大，单位时间内产生的光电子数目越多。

故应选A、B、C。

19．研究光电效应的电路如图所示。

用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。

下列光电流I与A、K之间的电压U AK的关系图象中，正确的是()
答案C
解析用频率相同的光照射同一金属时，发射出的光电子的最大初动能相同，所以遏止电压相同；饱和电流与光的强度有关，光的强度越大，饱和电流越大，故C正确。

20.
如图所示，当开关K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。

合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于
0.60 V时，电流表读数仍不为零。

当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。

由此可知阴极材料的逸出功为()
A．1.9 eV B．0.6 eV
C．2.5 eV D．3.1 eV
答案A
解析由题意知光电子的最大初动能为E k＝eU c＝0.60 eV，所以根据光电效应方程E k＝hν－W0可得W0＝hν－E k＝(2.5－0.6) eV＝1.9 eV。

21．下列利用光子说对光电效应的解释正确的是()
A．金属表面的一个电子只能吸收一个光子
B．电子吸收光子后一定能从金属表面逸出，成为光电子
C．金属表面的一个电子吸收若干个光子，积累了足够的能量才能从金属表面逸出
D．无论光子能量大小如何，电子吸收光子并积累能量后，总能逸出成为光电子
答案A
解析根据光子说，金属中的一个电子一次只能吸收一个光子，只有所吸收的光子频率大于金属的截止频率，电子才能逃离金属表面，成为光电子，且光子的吸收是瞬时的，不需时间的积累，故A正确。

22．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。

假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中()
A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λ<λ′
D．能量守恒，动量守恒，且λ>λ′
答案C
解析能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律，适用于宏观世界也适用于微观世界。

光子与电子碰撞时遵循这两个守恒定律。

光子与电子碰撞前光子的能
量E＝hν＝h c
λ，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子的能
量E′＝hν′＝h
c
λ′，由E>E′，可知λ<λ′，故C正确。

二、非选择题
23．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，图中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________(从“1”“2”“3”中选择)运动，并且波长________(选填“不变”“变小”或“变长”)。

答案1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撞前的方向一致，可见碰撞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＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长。

24．光电效应实验装置示意图如图所示。

(1)若要使发生光电效应的电子不能到达A极，则电源的a端应为________极(选填“正”或“负”)。

(2)用频率为ν的普通光源照射K极，没有发生光电效应，用频率大于ν的光照射K极，则立即发生了光电效应；此实验说明发生光电效应的条件是：_____________________________________________________________________ ___
_________________________________________________________________ _______。

(3)若KA加上反向电压U，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W0为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电荷量)。

A ．U ＝hνe －W 0e
B ．U ＝2hνe －W 0e
C ．U ＝2hν－W 0
D ．U ＝5hν2e －W 0e
答案 (1)正 (2)只有入射光的频率大于金属的极限频率才会发生光电效应
(3)A
解析 (1)若想使发生光电效应的电子不能到达A 极，应加反向电压，即a 端应接正极。

(2)用频率为ν的光照射K 没有发生光电效应，用频率大于ν的光照射K ，立即发生光电效应，说明发生光电效应的条件是入射光频率大于金属的极限频率。

(3)由光电效应方程知E k ＝hν－W 0，当反向电压为U 时，光电流恰好为零，
则有－eU ＝0－E k ，联立得eU ＝hν－W 0，则U ＝hνe －W 0e ，故A 正确。

25．分别用波长为λ和34λ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1∶3。

以h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，则此金属的逸出功是多大？
答案 5hc 6λ
解析 设此金属的逸出功为W 0，根据光电效应方程得如下两式：
当用波长为λ的光照射时：E k1＝hc λ－W 0①
当用波长为34λ的光照射时：E k2＝4hc 3λ－W 0②
又E k1E k2
＝13③ 解①②③组成的方程组得：W 0＝5hc 6λ。

26．铝的逸出功是4.2 eV ，现在用波长为100 nm 的光照射铝的表面，已知普朗克常量h ＝6.63×10－34 J·s ，光速c ＝3.0×108 m/s ，求：
(1)光电子的最大初动能；
(2)铝的遏止电压(保留三位有效数字)；
(3)铝的截止频率(保留三位有效数字)。

答案(1)1.317×10－18 J(2)8.23 V (3)1.01×1015 Hz
解析(1)由光电效应方程，得
E k＝h c
λ－W0＝
6.63×10－34×3.0×108
10－7
J－4.2×1.6×10－19J ＝1.317×10－18
J。

(2)由eU c＝E k得，遏止电压U c＝E k
e≈8.23 V。

(3)由W0＝hνc得，截止频率
νc＝W0
h＝
4.2×1.6×10－19
6.63×10－34
Hz≈1.01×1015 Hz。

27．在半径r＝10 m的球壳中心有一盏功率为P＝40 W的钠光灯(可视为点光源)，发出的钠黄光的波长为λ＝0.59 μm，已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，真空中光速c＝3×108 m/s。

试求每秒钟穿过S＝1 cm2球壳面积的光子数目。

答案9.4×1012个
解析钠黄光的频率
ν＝c
λ＝
3×108
0.59×10－6
Hz≈5.1×1014 Hz
则一个光子的能量
E0＝hν＝6.63×10－34×5.1×1014 J≈3.4×10－19 J 又钠光灯在t＝1 s内发出光能
E＝Pt＝40×1 J＝40 J
那么在t＝1 s内穿过S＝1 cm2球壳面积的光能量E1＝SE
4πr2＝1×10－4×40 4×3.14×102
J≈3.2×10－6 J
则每秒钟穿过该球壳1 cm2面积的光子数
n＝E1
E0＝
3.2×10－6
3.4×10－19
≈9.4×1012(个)。

28．用波长为2.0×10－7 m的紫外线照射某金属的表面，释放出来的光电子中最大的动能是 4.7×10－19J。

求该金属的极限频率是多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3.0×108 m/s，结果保留两位有效数字)
答案 7.9×1014 Hz
解析 由光电效应方程得E km ＝h c λ－W 0，W 0＝hνc 知νc ＝c λ－E km h ，代入数据
得ν≈7.9×1014 Hz 。

29.
如图所示，一光电管的阴极用极限波长λ0＝500 nm 的某金属制成，用波长λ＝300 nm 的紫外线照射阴极，光电管阳极A 和阴极K 之间的电压U ＝2.1 V ，饱和光电流的值I ＝0.56 μA 。

(1)求每秒内由K 极发射的光电子数；
(2)求光电子到达A 极时的最大动能；
(3)如果电压U 不变，而照射光的强度增加到原值的三倍，此时光电子到达A 极时最大动能是多少？(普朗克常量h ＝6.63×10
－34 J·s)
答案 (1)3.5×1012个 (2)6.012×10－19 J
(3)6.012×10－19 J
解析 (1)每秒内由K 极发射的光电子数
n ＝It e ＝0.56×10－6×11.6×10－19个＝3.5×1012个。

(2)由光电效应方程可知
E k0＝hν－W 0＝h c λ－h c λ0
＝hc ⎝ ⎛⎭⎪⎫1λ－1λ0。

在A 、K 间加电压U 时，设光电子到达阳极时的最大动能为E k ，由动能定理得
eU ＝E k －E k0
则E k ＝E k0＋eU ＝hc ⎝ ⎛⎭
⎪⎫1λ－1λ0＋eU ， 代入数值，得E k ＝6.012×10－19 J 。

(3)根据光电效应规律，光电子的最大初动能与入射光的强度无关，如果电压U不变，则光电子到达A极的最大动能不变，E k＝6.012×10－19 J。