高三物理 光的波动性和粒子性

第十六章 光的波动性和粒子性

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“我——就是波”

1929年，德布罗意因对实物粒子波动性的揭示而获得诺贝尔物理学奖.在授奖仪式上，瑞典物理学家卡尔·乌辛把德布罗意介绍给全体与会者，并发表了如下的讲话： “有一首每个瑞典人都很熟悉的诗是这样开头的：?我的生活——就是波?.诗人也可以这样来表达他的思想：?我——就是波?.他最好这样表达，这样，他的诗句也将包含着对物质性质最深刻认识的先觉.从现在起，这样的认识已是我们都能接受的了……” 3年高考平台

2006高考题

一、选择题

1.(2006江苏高考，6)研究光电效应规律的实验装置如图16-1所示,以频率为ν的光照射光电管阴极K时,有光电子产生.由于光电管K、A间加的是反向电压,光电子从阴极K发射后将向阳极A作减速运动.光电流i由图中电流计G测出,反向电压U由电压表V测出.当电流计的示数恰好为零时,电压表的示数称为反向截止电压U0.在下列表示光电效应实验规律的图像中,错误的是（ ）

图16-1

图16-2

答案:B

解析:A选项,反向电压U和频率一定时,发生光电效应产生的光电子数与光强成正比,则单位时间到达阴极A的光电子数与光强也成正比,故光电流i与光强I成正比,A正确. B选项,由动能定理,-qU0=0-Ekm,又因Ekm=hν-W,所以U0?hW??,可知截止电压U0与频率νqq是线性关系,不是正比关系,故B错误.

C选项,光强I与频率ν一定时,光电流i随反向电压的增大而减小,又据光电子动能大小的分布

概率及发出后的方向性可知C正确.

D选项,由光电效应知金属中的电子对光子的吸收是十分迅速的,时间小于10-9 s,10-9 s后,光强I和频率ν一定时,光电流恒定,故D正确.

2.(2006四川高考理综，15)现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa＞λb＞λc.用b光束照射某种金属时，恰能发生光电效应.若分别用a光束和c光束照射该金属，则可以断定（ ） A.a光束照射时，不能发生光电效应 B.c光束照射时，不能发生光电效应

C.a光束照射时，释放出的光电子数目最多

D.c光束照射时，释放出的光电子的最大初动能最小 答案：A

解析：c=λf,λa＞λb＞λc,fa＜fb＜fc,用b光束照射金属，该频率等于极限频率，恰好发生光电效应.因为光束a的频率小于该极限频率，不能发生光电效应，A选项正确.光束c的频率大于该极限频率，能发生光电效应，B选项错误.光电子数目由光强来决定，不知三束光的光强，无法确定释放出的光电子数，C选项错误.由光电效应方程Ekm=hν-W逸，c频率最大，金属的逸出功一定，则c光照射时，释放出的光电子动能最大，D选项错误.所以A选项正确. 二、非选择题

3.(2006广东高考，13)（1）人们发现光电效应具有瞬时性和对各种金属都存在极限频率的规律.请问谁提出了何种学说很好地解释了上述规律？已知锌的逸出功为3.34 eV，用某单色紫外线照射锌板时，逸出光电子的最大速度为106 m/s，求该紫外线的波长λ（电子质量me=9.11×10-31 kg，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,1 eV=1.60×10-19 J ）. （2）风力发电是一种环保的电能获取方式.图16-3为某风力发电站外观图.设计每台风力发电机的功率为40 kW.实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29 kg/m3，当地水平风速约为10 m/s，问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求？

图16-3

答案：（1）2.01×10-7 m （2）10 m 解析：（1）爱因斯坦提出了光子学说很好地解释了光电效应. ① 根据爱因斯坦光电效应方程hc/λ=W+

1mev2 ② 2所以λ=2.01×10-7 m. ③ (2)风的动能：Ek=

12mv ① 2风t时间内通过叶片为半径圆的质量：m=ρV=ρπl2vt ②

P??Ekt?1??l2v3? ③ 22005高考题

由①②③得：l≈10 m.

一、选择题

1.(2005北京高考理综,15)在下列各组的两个现象中都表现出光具有波动性的是( ) A.光的折射现象、色散现象 B.光的反射现象、干涉现象

C.光的衍射现象、偏振现象 D.光的直线传播现象、光电效应现象 答案：C

解析：衍射、干涉现象是波的特有现象，而横波具有偏振现象，均能反映波的波动性，所以C选项正确.

2.(2005北京高考理综，17)有关红、蓝两束单色光，下述说法正确的是（ ） A.在空气中的波长λ红＜λ蓝 B.在水中的光速v红＜v蓝

C.在同一介质中的折射率n红＞n蓝 D.蓝光光子的能量大于红光光子的能量 答案：D

解析：红光的频率小于蓝光的频率．E=hν,所以D正确.

3.(2005上海高考,6)2005年被联合国定为“世界物理年”，以表彰爱因斯坦对科学的贡献.爱因斯坦对物理学的贡献有（ ）

A.创立“相对论” B.发现“X射线”

C.提出“光子说” D.建立“原子核式模型” 答案：AC 解析：略

4.(2005天津高考,20)现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构.为满足测量要求，将显微镜工作时电子的德布罗意波长设定为

d,其中n＞1.已知普朗克常量h、电子质量m和n电子电荷量e，电子的初速度不计，则显微镜工作时电子的加速电压应为( )

n2h2d2h2n2h2md2h23A. B.(23) C. D.

nemed22men22med2答案：D

1h?解析：由德布罗意波长??ph2mEk?d,,即?n2meUhn2h2,U?,D选22med2meUh项正确.

5.(2005江苏高考综合，22)光电效应现象证明了光具有（ ）

A.粒子性 B.波动性 C.衍射的特性 D.干涉的特性 答案：A 解析：略

6.(2005江苏高考,6)在中子衍射技术中,常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近.已知中子质量m=1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10 m 的热中子动能的数量级为( )

A.10-17 J B.10-19 J C.10-21 J D.10-24 J 答案:C 解析：据??h11p;Ek?mv2?m()2 p22m即Ek?1h?()2,代入数据可得动能数量级为10-21 J,故C项正确. 2m?7.(2005广东高考综合，29)硅光电池是利用光电效应将光辐射的能量转化为电能.若有N个频率为ν的光子打在光电池极板上，这些光子的总能量为（h为普朗克常量）（ ） A.hν B.

1hv C.Nhν D.2Nhν 2答案：C 解析：光的能量是由一个光子的能量及这束光的光子数目来决定的，而一个光子的能量为hν，所以总能量为Nhν． 二、非选择题

8.(2005江苏高考,15)1801年,托马斯·杨用双缝干涉实验研究了光波的性质.1834年,洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果(称洛埃镜实验).

图16-4

(1)洛埃镜实验的基本装置如图16-4所示,S为单色光源,M为一平面镜.试用平面镜成像作图法画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域.

(2)设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L,光的波长为λ,在光屏上形成干涉条纹.写出相邻两条亮纹(或暗纹)间距离Δx的表达式. 答案:略 解析：(1)

(2)?x?L? dL?. 2a2004高考题

因为d=2a,所以?x?选择题

1.(2004辽宁高考，33) 下列说法中正确的是（ ）

A.在真空中红光的波长比紫光的短 B.玻璃对红光的折射率比对紫光的大 C.在玻璃中红光的传播速度比紫光的大 D.红光光子的能量比紫光光子的能量大 答案：C

解析：红光的频率比紫光的小，真空中红光的波长比紫光的长，玻璃对红光的折射率比对紫光的小，红光光子的能量比紫光光子的能量小，在玻璃中红光的传播速度比紫光的大. 2.(2004全国高考理综Ⅱ，15)下面是四种与光有关的事实,其中与光的干涉有关的是( ) ①用光导纤维传播信号 ②用透明的标准样板和单色光检查平面的平整度 ③一束白光通过三棱镜形成彩色光带 ④水面上的油膜呈现彩色

A.①④ B.②④ C.①③ D.②③ 答案：B

解析：光导纤维是利用光的全反射来传播信号,白光通过三棱镜是光的色散,平面平整度的检查和水面上的彩色油膜是光的干涉现象,则选项B正确. 3.(2004上海高考,1)下列说法正确的是( )

A.光的干涉和衍射现象说明光具有波动性 B.光的频率越大,波长越长

C.光的波长越长,光子的能量越大 D.光在真空中的传播速度为3.00×108 m/s 答案：AD

解析：干涉和衍射现象是波的特有现象;光的波长越长频率越小，光子的能量越小;光在真空中的传播速度为3.00×108 m/s.

4.(2004天津高考，19)激光散斑测速是一种崭新的测速技术，它应用了光的干涉原理.用二次曝光照相所获得的“散斑对”相当于双缝干涉实验中的双缝，待测物体的速度v与二次曝光时间间隔Δt的乘积等于双缝间距.实验中可测得二次曝光时间间隔Δt、双缝到屏的距离l以及相邻两条亮纹间距Δx.若所用激光波长为λ，则该实验确定物体运动速度的表达式是( ) A.v???xl?t B.v?l?l?xl?t C.v? D.v? ?x?t??t??xll?. ?,可得：v?d?x?t答案：B

解析：由题中所给vΔt=d,公式?x?5.(2004江苏高考，1)下列说法正确的是( )

A.光波是一种概率波 B.光波是一种电磁波

C.单色光从光密介质进入光疏介质时,光子的能量改变 D.单色光从光密介质进入光疏介质时，光的波长不变 答案：AB

解析：光波是一种电磁波、概率波,单色光从光密介质进入光疏介质时,光子的能量不变,波长变长.

题源探究

1.(2006全国高考理综Ⅱ，19)已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0（ ） A.当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子

B.当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生光电子的最大初动能为hν0 C.当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大

D.当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍 此题由人教社全日制高级中学教科书（试验修订本必修加选修）第三册第37页光电效应、光子一节中的相关内容演化而来.

对光电效应的规律的正确理解是解决此类问题的关键. 答案：AB

解析：当入射光的频率大于等于金属的极限频率时，就会发生光电效应，A选项正确.由于金属材料一定，极限频率一定，逸出功W逸=hν0一定，ν0为极限频率，v增大，逸出功不变，C选项错误.由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W逸，得ν=2ν0时，Ekm=hν-W逸=2hν0-hν0=hν0，当ν增大一倍，ν=4ν0时，Ekm=hν-W逸=4hν0-hν0=3hν70，所以B选项正确，D选项错误.所以A、B选项正确.

2.(2005天津高考理综,17)某光电管的阴极是用金属钾制成的，它的逸出功为2.21 eV,用波长为2.5×10-7 m的紫外线照射阴极，已知真空中光速为3.0×108 m/s，元电荷为1.6×10-19 C,普朗克

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