高中物理 第2章 波粒二象性 第3节 康普顿效应及其解释 第4节 光的波粒二象性学业分层测评 粤教版

第3节康普顿效应及其解释第4节光的波粒二象性(建议用时：45分钟)[学业达标]1．下列说法正确的是( )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，都能发生干涉和衍射现象D．在光的双缝干涉实验中，若有一个光子，则无法确定这个光子落在哪个点上E．光波是一种概率波【解析】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、E对．【答案】BDE2．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．一定落在亮纹处C．可能落在亮纹处D．可能落在暗纹处E．落在中央亮纹处的可能性最大【解析】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，故只有C、D、E正确．【答案】CDE3．关于光的波粒二象性，下列说法中正确的是( )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波动性D．光的波粒二象性否定了光的电磁说E．麦克斯韦提出的光的电磁说，将光的波动说发展到了相当完美的地步【解析】光具有波粒二象性，波粒二象性并不否定光的电磁说，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正确．麦克斯韦提出了光是一种电磁波的学说，将光的波动说发展到了相当完善的地步，E正确．【答案】BCE4．对光的认识，下列说法正确的是( )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E．光表现出波动性还是粒子性由光的频率大小决定，频率大的光就显示粒子性【解析】本题考查光的波粒二象性．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、E选项错误，D选项正确．【答案】ABD5．为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是( )A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样C．大量光子的运动规律显示出光的粒子性D．个别光子的运动显示出光的粒子性E．大量光子的运动规律显示出光的波动性【解析】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涉图样，A、E正确，B、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，D 正确．【答案】ADE6．关于电子的运动规律，以下说法不正确的是( )A．电子如果表现粒子性，则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，则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，则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，则可以用轨迹来描述它们的运动，其运动遵循牛顿运动定律E．电子如果表现出粒子性，则无法用轨迹来描述它们的运动，其运动也不遵循牛顿运动定律【解析】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，E正确；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．【答案】ABD7．物理学家做了一个有趣的实验：在双缝干涉实验中，在光屏处放上照相底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就出现了规则的干涉条纹，对这个实验结果有下列认识，其中正确的是( )A ．曝光时间不长时，光子的能量太小，底片上的条纹看不清楚，故出现不规则的点子B ．单个光子的运动没有确定的轨道C ．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D ．只有大量光子的行为才能表现出波动性E ．只有个别光子的行为才能表现出波动性【解析】 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体现粒子性，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，出现干涉中的亮纹或暗纹，故A 、E 错误，B 、D 正确；干涉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C 正确．【答案】 BCD8．紫外线光子的动量为hνc .一个静止的O 3吸收了一个紫外线光子后沿着________方向运动．【解析】 由动量守恒定律知，吸收了紫外线光子的O 3分子与光子原来运动方向相同．【答案】 光子原来运动的[能力提升]9．关于光的波粒二象性，下列说法正确的是( )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，在干涉条纹中，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E ．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】 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．在干涉实验中，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．光子通过单缝的运动路线是无法确定、毫无规律的，大量光子通过单缝后却呈现规律性，E 选项正确．【答案】 CDE10．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比光子能量变________，波长变________．【解析】 光子与电子碰撞时，遵守动量守恒定律和能量守恒定律，自由电子被碰前静止，被碰后动量、能量增加；所以光子的动量、能量减小，频率变小，波长变大．【答案】 小 大11．如图2­4­3是一个粒子源．产生某种粒子，在其正前方安装只有两条狭缝的挡板，粒子穿过狭缝打在前方的荧光屏上使荧光屏发光．那么在荧光屏上将看到什么现象？【导学号：78220024】图2­4­3【解析】 由于粒子源产生的粒子是微观粒子，它的运动受波动性支配，对大量粒子运动到达屏上的某点的概率，可以用波的特征进行描述，即产生双缝干涉，在屏上将看到干涉条纹．【答案】 有多条明暗相间的条纹12．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.若某激光管以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)若光束全部被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到光束对它的作用力F 为多大？【导学号：78220025】【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＝60×1×663×10－96.63×10－34×3×108(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表面吸收，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，解得黑体表面对光子束的作用力为F ＝p 总Δt ＝nhλ·Δt ＝nh νλν·Δt ＝P c ＝603×108 N＝2.0×10－7 N.又根据牛顿第三定律，光子束对黑体表面的作用力F ′＝F ＝2.0×10－7 N.【答案】 (1)2.0×1020 (2)2.0×10－7 N13．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)若太阳帆是黑色的，飞船的加速度又为多少？【导学号：78220026】【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 ，则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)若太阳帆是黑色的，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。