高中物理 课时分层作业6 康普顿效应及其解释(含解析)粤教版选修3-5-粤教版高二选修3-5物理试题

课时分层作业(六)
(时间：45分钟分值：100分)
[根底达标练]
一、选择题(此题共8小题，每一小题6分)
1．(多项选择)如下说法正确的答案是 ( )
A．概率波就是机械波
B．物质波是一种概率波
C．概率波和机械波的本质是一样的，都能发生干预和衍射现象
D．在光的双缝干预实验中，假设有一个光子，如此无法确定这个光子落在哪个点上
BD [机械波是振动在介质中的传播，而概率波是粒子所到达区域的机率大小可以通过波动的规律来确定，故其本质不同，A、C错，B对；由于光是一种概率波，光子落在哪个点上不能确定，D对．]
2．(多项选择)关于光的波粒二象性的理解正确的答案是( )
A．大量光子的行为往往表现出波动性，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
AD [波粒二象性是光的根本属性，光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，B、C错误．]
3．(多项选择)在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上．假设现在只让一个光子能通过单缝，那么该光子( )
A．一定落在中央亮纹处
B．可能落在亮纹处
C．可能落在暗纹处
D．落在中央亮纹处的可能性最大
BCD [根据光的概率波的概念，对于一个光子通过单缝落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹处，可达95%以上．当然也可能落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，只不过落在暗处的概率很小而已，故B、C、D正确．]
4．如图，当弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，同时与锌板相连的验电器的铝箔有张角，如此该实验( )
A．只能证明光具有波动性
B．只能证明光具有粒子性
C．只能证明光能够发生衍射
D．证明光具有波粒二象性
D [弧光灯发出的光经一狭缝后，在锌板上形成明暗相间的条纹，这是光的衍射现象，证明了光具有波动性；验电器的铝箔有张角，说明锌板发生了光电效应，如此证明了光具有粒子性，所以该实验证明了光具有波粒二象性，D正确．]
5．关于光的波粒二象性，如下说法中正确的答案是( )
A．光的频率越高，衍射现象越容易看到
B．光的频率越高，粒子性越显著
C．大量光子产生的效果往往显示粒子性
D．光的波粒二象性否认了光的电磁说
B [光具有波粒二象性，波粒二象性并不否认光的电磁说，只是说某些情况下粒子性明显，某些情况下波动性明显，故D错误．光的频率越高，波长越短，粒子性越明显，波动性越不明显，越不易看到其衍射现象，故B正确，A错误．大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性，故C错误．]
6．对光的认识，如下说法不正确的答案是( )
A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性
B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了，光表现出粒子性时，就不具有波动性了D．光的波粒二象性应理解为：在某些场合下光的波动性表现明显，在某些场合下光的粒子性表现明显
C [光是一种概率波，少量光子的行为易显示出粒子性，而大量光子的行为往往显示出波动性，A选项正确；光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，而是光的一种属性，这已被弱光照射双缝后在胶片上的感光实验所证实，B选项正确；粒子性和波动性是光同时具备的两种属性，C选项错误，D选项正确．]
7．下面关于光的波粒二象性的说法中，不正确的答案是( )
A．大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性
B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著
C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性
D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性
D [光既具有粒子性，又具有波动性，即光具有波粒二象性，大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性，A正确；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，C正确．]
8．为了验证光的波粒二象性，在双缝干预实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，如下说法不正确的答案是 ( )
A．使光子一个一个地通过双缝干预实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干预图样
B．大量光子的运动规律显示出光的粒子性
C．个别光子的运动显示出光的粒子性
D．大量光子的运动规律显示出光的波动性
B [单个光子运动具有不确定性，大量光子落点的概率分布遵循一定规律，显示出光的波动性．使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上会出现明显的干预图样，A、D正确，C错误；由光的波粒二象性知，个别光子的运动显示出光的粒子性，C正确．]
[能力提升练]
一、选择题(此题共4小题，每一小题6分)
1．实验明确：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿效应，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律．如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，如此该现象被称为逆康普顿效应，这一现象已被实验证实．关于上述逆康普顿效应，如下说法正确的答案是( ) A．该过程不遵循能量守恒定律
B．该过程不遵循动量守恒定律
C．散射光中存在波长变长的成分
D．散射光中存在频率变大的成分
D [康普顿认为X射线的光子与电子碰撞时要遵循能量守恒定律和动量守恒定律，可以推知，在逆康普顿效应中，同样遵循能量守恒定律与动量守恒定律，A、B错误；由题意可知，在逆康普顿散射的过程中，有能量从电子转移到光子，如此光子的能量增大，根据公式E＝hν
＝hc
λ
可知，散射光中存在频率变大的成分，或者说散射光中存在波长变短的成分，C错误，D
正确．]
2．关于电子的运动规律，以下说法正确的答案是 ( )
A．电子如果表现粒子性，如此无法用轨迹来描述它们的运动，其运动遵循牛顿运动定律B．电子如果表现粒子性，如此可以用轨迹来描述它们的运动，其运动遵循牛顿运动定律C．电子如果表现波动性，如此无法用轨迹来描述它们的运动，空间分布的概率遵循波动规律
D．电子如果表现波动性，如此可以用轨迹来描述它们的运动，其运动遵循牛顿运动定律
C [由于运动对应的物质波是概率波，少量电子表现出粒子性，无法用轨迹描述其运动，也不遵循牛顿运动定律，A、B错误；大量电子表现出波动性，无法用轨迹描述其运动，可确定电子在某点附近出现的概率，且概率遵循波动规律，C正确，D错误．]
3．(多项选择)物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干预实验中，在光屏处放上照相底片，假设减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果明确，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规如此的点子；如果曝光时间足够长，底片上就出现了规如此的干预条纹，对这个实验结果有如下认识，其中不正确的答案是( )
A．单个光子的运动没有确定的轨道
B．干预条纹中明亮的局部是光子到达机会较多的地方
C．只有大量光子的行为才能表现出波动性
D．只有个别光子的行为才能表现出波动性
D [光波是概率波，单个光子没有确定的轨道，其到达某点的概率受波动规律支配，少数光子落点不确定表现粒子性，大量光子的行为符合统计规律，受波动规律支配，才表现出波动性，出现干预中的亮纹或暗纹，故D错误，A、C正确；干预条纹中的亮纹处是光子到达机会多的地方，暗纹处是光子到达机会少的地方，但也有光子到达，故B正确．] 4．(多项选择)关于光的波粒二象性，如下说法正确的答案是( )
A．光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体
B．光是波，与橡皮绳上的波相似
C．光的波动性是大量光子运动规律的表现，在干预条纹中，那些光强度大的地方，光子到达的概率大
D．在宏观世界中波动性和粒子性是对立的，在微观世界是可以统一的
CD [由于波动性和粒子性是光同时具有的两种属性，不同于宏观观念中的波和粒子，故
A 、
B 选项错误．在干预实验中，光强度大的地方即为光子到达概率大的地方，表现为亮纹；光强度小的地方即为光子到达概率小的地方，表现为暗纹，故
C 选项正确．在宏观世界中，牛顿的“微粒说〞与惠更斯的“波动说〞是相互对立的，只有在微观世界中，波动性与粒子性才能统一，故
D 选项正确．]
二、非选择题(此题共2小题，共28分)
5．(14分)光具有波粒二象性，光子的能量ε＝hν，其中频率ν表示波的特征，在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量p 与光波波长λ的关系p ＝h λ.假设某激光管以P ＝60 W 的功率发射波长λ＝663 nm 的光束，试根据上述理论计算：
(1)该管在1 s 内发射出多少个光子？
(2)假设光束全部被某黑体外表吸收，那么该黑体外表所受到光束对它的作用力F 为多大？
[解析] (1)光子不仅有能量，而且有动量，照射物体时，产生的作用力可根据动量定理求解．设在时间Δt 内发射出的光子数为n ，光子频率为ν，每个光子的能量ε＝hν，所以P ＝nhνΔt (Δt ＝1 s)，而ν＝c λ
解得n ＝P Δtλhc ＝60×1×663×10－9
6.63×10－34×3×108(个) ＝2.0×1020(个)．
(2)在时间Δt 内激光管发射出的光子全部被黑体外表吸收，光子的末动量变为零，据题中信息可知，n 个光子的总动量为p 总＝np ＝n h λ.
根据动量定理有F ·Δt ＝p 总，解得黑体外表对光子束的作用力为F ＝p 总Δt ＝nh λ·Δt ＝nhνλν·Δt ＝P c ＝603×108
N ＝2.0×10－7
N.
又根据牛顿第三定律，光子束对黑体外表的作用力 F ′＝F ＝2.0×10－7 N.
[答案] (1)2.0×1020 (2)2.0×10－7
N
6．(14分)科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒每单位面积接收到的光子数为n ，光子平均波长为λ，太阳帆面积为S ，反射率100%，设太阳光垂直射到太阳帆上，飞船总质量为m .
(1)求飞船加速度的表达式(光子动量p ＝h λ
)；
(2)假设太阳帆是黑色的，飞船的加速度又为多少？
[解析] (1)光子垂直射到太阳帆上再反射，动量变化量为2p ，设光对太阳帆的压力为F ，单位时间打到太阳帆上的光子数为N ，如此N ＝nS
由动量定理有F Δt ＝N Δt ·2p
所以F ＝N ·2p 而光子动量p ＝h λ，所以F ＝2nSh λ
由牛顿第二定律可得飞船加速度的表达式为
a ＝F m ＝2nSh mλ
. (2)假设太阳帆是黑色的，光子垂直打到太阳帆上不再反射(被太阳帆吸收)，光子动量变化量为p ，故太阳帆上受到的光压力为F ′＝nSh λ，飞船的加速度a ′＝nSh mλ
. [答案] (1)a ＝2nSh mλ (2)a ′＝nSh mλ。