2024教科版高中物理选择性必修第三册同步
综合拔高练
五年高考练
考点1 光子说和光电效应
1.(2021辽宁,2)赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现,接收电路的电极如果受到光照,就更容易产生电火花。此后许多物理学家相继证实了这一现象,即照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出。最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是 ( )
A.玻尔 B.康普顿
C.爱因斯坦 D.德布罗意
2.(2022全国乙,17)一点光源以113 W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10-7 m的光,在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个。普朗克常量为h=6.63×10-34 J·s。R约为 ( )
A.1×102 m B.3×102 m
C.6×102 m D.9×102 m
3.(2023浙江1月选考,11)被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星,领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测,其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中,有η(η<1)倍被天眼接收,天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h,则该天体发射频率为ν光子的功率为 ( )
A. B.
C. D.
4.(2023辽宁,6)原子处于磁场中,某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示,相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应,且逸出光电子的最大初动能为Ek,则 ( )
A.①和③的能量相等
B.②的频率大于④的频率
C.用②照射该金属一定能发生光电效应
D.用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek
5.(2022河北,4)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知 ( )
A.钠的逸出功为hνc
B.钠的截止频率为8.5×1014 Hz
C.图中直线的斜率为普朗克常量h
D.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
6.(2022浙江6月选考,7)图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=3的激发态,在向低能级跃迁时放出光子,用这些光子照射逸出功为2.29 eV的金属钠。下列说法正确的是 ( )
A.逸出光电子的最大初动能为10.80 eV
B.n=3跃迁到n=1放出的光子动量最大
C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应
D.用0.85 eV的光子照射,氢原子跃迁到n=4激发态
7.(2023江苏,14)“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子,设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线,卫星探测仪镜头正对着太阳,每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S,卫星离太阳中心的距离为R,普朗克常量为h,光速为c,求:
(1)每个光子的动量p和能量E;
(2)太阳辐射硬X射线的总功率P。
考点2 黑体辐射 物质波
8.[2020江苏单科,12(1)]“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的,能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高,则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是 。
A.I增大,λ增大 B.I增大,λ减小
C.I减小,λ增大 D.I减小,λ减小
9.(2022浙江1月选考,16)电子双缝干涉实验是近代证实物质波存在的实验。如图所示,电子枪持续发射的电子动量为1.2×10-23 kg·m/s,然后让它们通过双缝打到屏上。已知电子质量取9.1×10-31 kg,普朗克常量取6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是 ( )
A.发射电子的动能约为8.0×10-15 J
B.发射电子的物质波波长约为5.5×10-11 m
C.只有成对电子分别同时通过双缝才能发生干涉
D.如果电子是一个一个发射的,仍能得到干涉图样三年模拟练
应用实践
1.(2023陕西榆林期中)某气体在T1、T2两种不同温度下的分子速率分布图像如图甲所示,纵坐标f(v)表示各速率区间的分子数占总分子数的百分比,横坐标v表示分子的速率;而黑体辐射的实验规律如图乙所示,图乙中画出了T1、T2两种不同温度下黑体辐射的强度与波长的关系,下列说法正确的是 ( )
甲 乙
A.图甲中T1>T2,图乙中T1>T2
B.图甲中T1
D.图甲中T1>T2,图乙中T1
A.照射声音轨道极窄光束的频率可以随机选择
B.单位时间内光电管中产生光电子数目将随影片移动发生变化
C.光电管中产生光电子的最大初动能将随影片移动发生变化
D.由于吸收光子能量需要积累能量的时间,以致声像有明显不同步
3.(2023四川自贡期末)在研究a、b两种金属发生光电效应现象的实验中,得到从金属表面逸出光电子最大初动能Ek与入射光频率ν之间的关系如图中直线①、②所示。已知普朗克常量为h,电子的电荷量为e,则 ( )
A.图中直线①②的斜率均为
B.金属a的逸出功小于金属b的逸出功
C.在得到这两条直线时,必须保证入射光的光强相同
D.若产生的光电子具有相同的最大初动能,则照射到金属b的光频率较高
4.(2023河北张家口统考)如图所示为光照射到钠金属板上时,遏止电压Uc与入射光频率ν的函数关系图线,已知电子的电荷量e=1.6×10-19 C,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s。由图中信息可知 ( )
A.遏止电压与入射光的频率成正比
B.图像的斜率为
C.钠的逸出功约为2.3 eV
D.用8×1014 Hz的光照射钠金属板时,光电子的最大初动能约为2.9×10-19 J
5.(2023浙江绍兴统考)如图所示是一颗人造地球卫星,它的主体表面上镀有一层铂(铂逸出功为5.32 eV),两翼的太阳能电池板(面积为3.0 m2)在绕地球轨道运行时,始终保持正面垂直于太阳光的照射方向。若太阳光为波长550 nm的单色光,照射到电池表面的太阳光被全部吸收,且单位面积的接收功率为1.4 kW,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,电子的电荷量e=1.6×10-19 C,真空中光速c=3.0×108 m/s,阿伏伽德罗常量NA=6.0×1023/mol。下列说法正确的是 ( )
A.每个光子的能量约为3.3×10-40 J
B.到达电池表面太阳光的功率为4.2 kW
C.电池表面吸收1 mol光子的时间约为51 s
D.太阳光照射到卫星主体上会有光电子从表面逸出
6.(2023四川名校联盟联考)如图甲所示为某实验小组成员研究某金属发生光电效应的遏止电压随照射光频率变化关系的实验原理图,图乙为实验得到的遏止电压随照射光频率变化的关系图像,电子的电荷量e=1.6×10-19 C,则下列说法正确的是 ( )
甲
乙
A.由图乙可得普朗克常量为6.6×10-33 J· s
B.由图乙可知,该金属的极限频率为4.0×1014 Hz
C.图甲中入射光的频率为4.8×1014 Hz时,逸出的光电子的最大初动能为1.056×10-19 J
D.图甲中入射光的频率为3.5×1014 Hz时,滑动变阻器的滑片移到最左端,电流计G的示数为零
迁移创新
7.(2023北京顺义期中)19世纪末、20世纪初,通过对光电效应的研究,加深了对光的本性的认识。科学家利用如图所示的电路研究光电效应,图中K、A是密封在真空玻璃管中的两个电极,K极受到光照时可能发射电子。已知电子电荷量为e,普朗克常量为。
(1)当有光照射K极时,电流表的示数为I,求经过时间t到达A极的电子数。
(2)使用普通光源进行实验时,电子在极短时间内只能吸收一个光子的能量。用频率为ν0的普通光源照射K极,可以发生光电效应。此时,调节滑动变阻器滑片,当电压表的示数为U时,电流表的示数减小为0。
随着科技的发展,强激光的出现丰富了人们对光电效应的认识,用强激光照射金属,一个电子在极短时间内吸收到多个光子成为可能。若用强激光照射K极时,一个电子在极短时间内能吸收n个光子,求能使K极发生光电效应的强激光的最低频率ν。
(3)某同学为了解为什么使用普通光源进行光电效应实验时一个电子在极短时间内不能吸收多个光子,他查阅资料获得以下信息:原子半径大小数量级为10-10 m;若普通光源的发光频率为6×1014 Hz,其在1 s内垂直照射到1 m2面积上的光的能量约为106 J;若电子吸收第一个光子能量不足以脱离金属表面时,在不超过10-8 s的时间内电子将该能量释放给周围原子而恢复到原状态。为了进一步分析,他建构了简单模型:假定原子间没有缝隙,一个原子范围内只有一个电子,且电子可以吸收一个原子范围内的光子。请利用以上资料,解决以下问题。
a.估算1 s内照射到一个原子范围的光子个数(普朗克常量h取6.6×10-34 J·s);
b.分析使用普通光源进行光电效应实验时一个电子在极短时间内不能吸收多个光子的原因。
综合拔高练
五年高考练
1.C 2.B 3.A 4.A 5.A 6.B 8.B 9.BD
1.C 由题可知,题目描述的现象为光电效应,则最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是爱因斯坦,故选C。
2.B 一个光子的能量ε=hν=h,每秒放出光子总数N==,t=1 s离点光源R处每秒垂直通过每平方米的光子数n==,则R=≈3×102 m,B正确。
3.A 设该天体发射频率为ν的光子的功率为P,则天眼每秒接收的光子能量为Nhν,且有Nhν=·πR2·η,t=1 s,解得P=,故A正确。
4.A 根据该原子能级劈裂前后的部分能级图知,相应能级跃迁放出的光子①和③的能量相等,A正确;②的能量小于④的能量,故②的频率小于④的频率,B错误;用①照射某金属表面时能发生光电效应,而②的频率小于①的频率,则用②照射该金属时不一定能发生光电效应,故C错误;④的频率大于①的频率,由爱因斯坦光电效应方程知,用④照射该金属时逸出光电子的最大初动能大于Ek,故D错误。
5.A 由爱因斯坦光电效应方程可知Ek=hν-W0,eUc=Ek,故Uc=ν-,当Uc=0时,ν==νc,即图线在横轴上的截距在数值上等于钠的截止频率,从题图中可以读出νc=5.5×1014 Hz,B错误;钠的逸出功W0=hνc,A正确;图线的斜率在数值上等于,C错误;遏止电压Uc随入射光频率ν的增大而增大,但不是正比关系,D错误。
6.B 氢原子在向低能级跃迁时放出光子,光子的能量等于两能级的能量差,氢原子处于n=3的激发态,向基态跃迁时,逸出光子的能量最大,为hν=E3-E1=12.09 eV,照射逸出功为2.29 eV的金属钠,根据爱因斯坦光电效应方程可知逸出光电子的最大初动能Ek=hν-W0=9.8 eV,A错误;n=3跃迁到n=1放出的光子频率ν最大,波长λ最小,根据p=可知动量p最大,B正确;n=3跃迁到n=2放出的光子能量小于金属钠的逸出功,所以只有2种频率的光子能使金属钠产生光电效应,C错误;n=3与n=4的能级差为0.66 eV,用0.85 eV的光子照射,氢原子不能跃迁到n=4激发态,D错误。
7.答案 (1) (2)
解析 (1)根据光子的动量和能量表达式可直接得出结果p=,E=hν=。
(2)由题意可知镜头接收到的功率P0为单位时间内接收到光子的总能量,故P0==。太阳辐射的总功率可以看成是均匀分布在一个面积为4πR2的球面上,镜头接收到的功率占太阳辐射总功率的,故=,得P=。
8.B 黑体辐射规律为:温度升高,辐射强度I增大,I的极大值向波长短的方向移动,故B选项正确。
9.BD 由动量与动能关系式可得,发射电子的动能Ek== J≈8.0×10-17 J,A错误;根据物质波波长λ=可知,电子的物质波波长λ= m=5.5×10-11 m,B正确;因物质波是概率波,随着电子数增加,干涉图样越来越明显,故C错误,D正确。故选B、D。
三年模拟练
1.C 2.B 3.BD 4.BC 5.BC 6.C
1.C 由题图甲可知,温度为T2的图线中速率大的分子占据的比例较大,则说明其对应的分子热运动的平均动能较大,故T2温度较高,即T1
2.B 产生光电效应的条件是照射光的频率要大于光电材料的截止频率,A错误;对于同种频率的光,在发生光电效应时,照射光强度越大,单位时间内照射到金属表面的光子数越多,照射金属时产生的光电子越多,因而光电管中产生光电子数目将随影片移动发生变化,B正确;根据爱因斯坦光电效应方程hν=W+Ekmax可知,光电子的最大初动能Ekmax与入射光的频率ν有关,而与光的强弱无关,C错误;电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流几乎是瞬时产生的,D错误。
3.BD 由爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0,可知Ek-ν图线的斜率为h,故A错误;图线纵轴截距的绝对值表示金属的逸出功,则金属a的逸出功小于金属b的逸出功,若产生的光电子具有相同的最大初动能,则照射到金属b的光频率较高,故B、D正确;得到这两条直线与入射光的光强无关,C错误。
4.BC 根据eUc=hν-W0可知,遏止电压与入射光的频率成线性关系,不是正比关系,Uc-ν图线的斜率为,A错误,B正确;由题图可知,截止频率ν0为5.5×1014 Hz,故逸出功W0=hν0≈2.3 eV,C正确;用8×1014 Hz的光照射钠金属板时,光电子的最大初动能Ek=hν-W0=hν-hν0≈1.66×10-19 J,D错误。
5.BC 每个光子的能量为E0=≈ J≈3.6×10-19 J,A错误;根据“照射到电池表面的太阳光被全部吸收,且单位面积的接收功率为1.4 kW”,则到达电池表面太阳光的功率为3×1.4 kW=4.2 kW,B正确;电池表面吸收1 mol光子的时间为t= s≈51 s,C正确;铂的逸出功为W=5.32 eV≈8.5×10-19 J,大于光子的能量,则不能发生光电效应,即太阳光照射到卫星主体上不会有光电子从表面逸出,D错误。
6.C 根据爱因斯坦光电效应方程有hν-W0=Ekm=eUc,又有W0=hν0,整理可得Uc=ν-ν0,由题图乙可知= V·s,解得普朗克常量h=6.6×10-34 J·s;当Uc=0,该金属的极限频率ν0=ν=3.2×1014 Hz,A、B错误。当入射光的频率为4.8×1014 Hz时,逸出的光电子的最大初动能为Ekm=hν-W0=hν-hν0=6.6×10-34×(4.8×1014-3.2×1014) J=1.056×10-19 J,C正确;题图甲中入射光的频率为3.5×1014 Hz时,大于极限频率,能够发生光电效应,滑动变阻器的滑片移到最左端时,光电管、电流计组成回路,则电流计G的示数不为零,D错误。
7.答案 (1) (2)- (3)a.3.17×105
b.见解析
解析 (1)经过时间t到达A极的电荷量为q=It,
则到达A极的电子数n0==。
(2)根据题意可得eU=hν0-W,
nhν=W,
则能使K极发生光电效应的强激光的最低频率ν=-。
(3)a.普通光子的能量为E1=hν1=3.96×10-19 J,
在1 s内垂直照射到原子上的光的能量约为E2=E0St=106×4π××1 J=1.256×10-13 J,
则1 s内照射到一个原子范围的光子个数n'==3.17×105(个)。
b.电子吸收第一个光子能量不足以脱离金属表面时,在不超过10-8 s的时间内电子将该能量释放给周围原子而恢复到原状态,连续两个光子照射到一个原子范围内的时间间隔为t0==3.15×10-6 s,所以一个电子在极短时间内不能吸收多个光子。
方法迁移 本题属于信息给予题,依据题目提供的信息,经历类似科学探究的过程,对光电效应现象和规律有更深刻的认识,尤其是可以更好地理解发生光电效应时,电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,使用普通光源进行光电效应实验时,一个电子在极短时间内不能吸收多个光子。
精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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