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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
3•2看吧
“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
可知截止电压U0与频率ν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10-9s,10-9s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3.34eV,用某单色紫外线照射锌板时,逸出光电子的最大速度为106m/s,求该紫外线的波长λ(电子质量me=9.11×10-31kg,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,1eV=1.60×10-19J).
(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40kW.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1.29kg/m3,当地水平风速约为10m/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)2.01×10-7m
(2)10m
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+
②
所以λ=2.01×10-7m.③
(2)风的动能:
Ek=
①
风t时间内通过叶片为半径圆的质量:
m=ρV=ρπl2vt②
③
由①②③得:
l≈10m.
2005高考题
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
其中n>1.已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量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()
A.
B.
C.
D.
答案:
D
解析:
由德布罗意波长
即
D选项正确.
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=1.67×10-27kg,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10m的热中子动能的数量级为()
A.10-17JB.10-19JC.10-21JD.10-24J
答案:
C
解析:
据
即
代入数据可得动能数量级为10-21J,故C项正确.
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.hνB.
C.NhνD.2Nhν
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)
因为d=2a,所以
2004高考题
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.①④B.②④C.①③D.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3.00×108m/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3.00×108m/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.
B.
C.
D.
答案:
B
解析:
由题中所给vΔt=d,公式
可得:
.
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2.21eV,用波长为2.5×10-7m的紫外线照射阴极,已知真空中光速为3.0×108m/s,元电荷为1.6×10-19C,普朗克常量为6.63×10-34J·s,求得钾的极限频率和该光电管发射的光电子的最大动能应分别是()
A.5.3×1014Hz,2.2JB.5.3×1014Hz,4.4×10-19J
C.3.3×1033Hz,2.2JD.3.3×1033Hz,4.4×10-19J
本题是由全日制普通高级中学教科书(必修加选修)物理第三册第43页的例题演变拓展而来.
原题:
用波长为200nm的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中最大的动能为2.94eV.用波长为160nm的紫外线照射钨的表面,释放出来的光电子中最大的动能是多少?
都考查了爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W、频率
等知识,只不过高考题直接给出了逸出功,且逸出功W=hν0.
答案:
B
解析:
W=hν0,ν0=
≈
=5.3×1014Hz,由光电效应方程,hν=W+Ekm,Ekm=hν-W=
-W=6.63×10-34×
-W=4.4×10-19J,所以B选项正确.
核心考点突破
本章以人类对光的本性的认识过程为主线,介绍了物理光学的一些初步理论,主要内容包括光的干涉现象、光的衍射现象、光的电磁说、光电效应.由于这部分内容很难与其他知识进行结合,高考不会出难题,多为选择题的形式,且出现频率较高,但基本上属于送分题,同学们一定要牢牢地抓住这部分分数.
考点1光的干涉
光的干涉:
两列相干光波相叠加,某些区域的光被加强,某些区域的光被减弱,且加强区域与减弱区域相间隔的现象.
双缝干涉:
平行光照射相距很近的两条狭缝时,在挡板后面的空间发生的干涉现象.用单色光做双缝干涉实验时,若双缝处两列光波的振动情况完全相同,则在光屏上距双缝的路程差为光波波长整数倍的地方被加强,将出现明条纹;光屏上距双缝的路程差为光波半波长的奇数倍的地方被减弱,将出现暗条纹.
相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离
.其中l为挡板与屏间的距离,d为两条狭缝间的距离,λ为光的波长.
薄膜干涉:
光照射到薄膜上时,薄膜的前、后表面反射的两列光相叠加发生的干涉现象.若入射光为单色光,可形成明暗相间的干涉条纹;若入射光为白光,可形成彩色的干涉条纹.
方法点击双缝干涉中相邻两条亮纹(或暗纹)间的距离公式
,经常用来作定性分析,因此一定弄清式中各量的意义.另外,此公式还在实验“用双缝干涉测光的波长”中进行定量计算.
由于近年来高考中联系实际应用的题目经常出现,因此,光的干涉现象在技术中的应用应引起重视,如增透膜及用干涉法检查平面的平整程度.
【例1】用单色光照射透明标准板M来检查被检物体N的上表面的平直情况,观察到的现象如图16-5所示条纹中的P和Q的情况,下列说法正确的是()
图16-5
A.此为干涉条纹,它是由M的上下两表面分别反射的光波叠加而形成的
B.此为干涉条纹,它是由M、N间的空气薄膜的上下两表面反射的光波叠加而形成的
C.图像表明N的上表面A处向上凸起
D.图像表明N的上表面B处向上凸起
解析:
此题为薄膜干涉在技术上的应用.M、N之间形成一个楔形空气薄层,用单色光从上面照射时,空气层的上下两个表面反射的两列光波发生干涉.空气层厚度相同的地方,两列波的路程差相同,两列波叠加时相互加强或削弱的情况也相同.所以,如果被测表面是平的,干涉条纹就是一组平行的直线;如果干涉条纹发生弯曲,就表明被测平面不平.同一条纹对应的空气薄层的厚度相同,图中条纹的P处向左弯曲,说明被检物体N的上表面A处下凹;图中条纹的Q处向右弯曲,说明被检物体N的上表面B处向上凸起.正确选项为BD.
考点2光的衍射
光离开直线路径绕到障碍物的后面继续传播,这就是光的衍射现象.
发生明显衍射的条件:
障碍物或孔的尺寸可以跟光的波长相比,甚至比光的波长还小.
课本中涉及到的衍射有单缝衍射和圆孔衍射,要注意观察它们的衍射图样的特点.
方法点击①对单缝衍射,课本上安排了一个“做一做”的学生实验,同学们一定要亲自做一下,2001年全国高考题中就出现了由这个实验衍生出来的一个题目.
【例2】某同学以线状白炽灯为光源,利用游标卡尺两脚间形成的狭缝观察光的衍射现象后,总结出以下几点结论,你认为正确的是()
A.若狭缝与灯丝平行,则衍射条纹与狭缝平行
B.若狭缝与灯丝垂直,则衍射条纹与狭缝垂直
C.衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关
D.衍射条纹的间距与光的波长有关
解析:
本题考查的是波的衍射规律.若狭缝与线状灯丝平行,衍射条纹与狭缝平行且现象明显,衍射条纹的疏密程度与狭缝的宽度有关,狭缝越小,条纹越疏.衍射条纹的间距与光的波长有关,波长越长,间距越大,故正确选项为ACD.若做过这个小实验,这道题的前三个选项就显得很简单了.可见,对课本上的这些小实验要引起重视,通过观察,我们不仅对衍射现象的规律进行了验证,而且可以牢牢地记住,这要比死记硬背印象深刻得多.
②对圆孔衍射的图样和课本阅读材料中的泊松亮斑的图样要区别开.前者是用点光源照射具有一很小圆孔的挡板时,在后面的屏上得到的现象,而后者是光在一个不透光的圆板后的影的现象,影的中心有一亮斑.
③干涉和衍射的图样相类似,都是明暗相间的条纹.双缝干涉中明纹或暗纹的宽度及间距基本相等,而单缝衍射条纹中央条纹最宽最亮,往两边去变窄变暗.
考点3光电效应
在光的照射下物体发射电子的现象,叫做光电效应,发射出的电子叫做光电子.
光电效应的规律:
每种金属都存在发生光电效应的极限频率;光电子的最大初动能与入射光的强度无关,随入射光的频率增大而增大;光电效应的瞬时性,一般不超过10-9s;当入射光的频率大于极限频率时,光电流的强度与入射光的强度成正比.
爱因斯坦的光子说:
空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,每个光子的能量为E=hν.
爱因斯坦光电效应方程:
Ek=hν-W.
方法点击
(1)光电效应是光的粒子性的一个有力证据,是光量子说的实验基础.对光电效应的规律不要机械地记忆,一定要理解好.爱因斯坦的光子说就可以很好地解释光电效应:
光子的能量被金属中的某个电子吸收后,能量增加,如果能量足够大,电子就能克服金属内正电荷对它的引力,离开金属表面逃逸出来,成为光电子.且入射光的能量越大,光电子的最大初动能也越大.不同金属对电子的束缚程度不同,如果光子的能量小于使电子逃逸出来所需的最小值,无论光多么强,照射时间多么长,也不能使电子从金属中逃逸出来,因而每种金属都存在极限频率.电子对光子的吸收十分迅速,因此光电效应的发生几乎是瞬时的.对光电流的强度与入射光的强度成正比,只对同种金属才是成立的,若不同色光照射同种金属,或同种色光照射不同的金属,则失去了比较的意义.
(2)光电效应的实际应用之一就是光电管,由于高考命题非常注重应用型、能力型试题,要引起重视.
【例3】在如图16-6所示的光电管实验中,发现用一定频率的A单色光照射光电管时,电流表指针会发生偏转,而用另一频率的B单色光照射时不发生光电效应,那么()
图16-6
A.A光的频率大于B光的频率
B.B光的频率大于A光的频率
C.用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是a流向b
D.用A光照射光电管时流过电流表G的电流方向是b流向a
解析:
根据光电效应发生的条件可知,A光的频率大于极限频率,B光的频率小于极限频率,故A光的频率大于B光的频率,A项正确.光电管工作时光电子从右侧的阴极飞向左侧的阳极(对阴极),故电路中的电流为a→b,C项正确.电源的作用是在阳极和阴极之间形成电场,用来加速从阴极发出的光电子,因而电源的左侧应为正极.光电管中电流与单位时间内到达阳极的光电子的数目有关,在电源电压一定的情况下,入射光的强度越大,单位时间内发出的光电子数目就越多,光电管中的电流就越大.
考点4光的波粒二象性、物质波
光是一种波,同时也是一种粒子,光具有波粒二象性.
任何一个运动着的物体,都有一种物质波与它对应,波长
.
方法点击既不可把光当成宏观观念中的波,也不可把光当成宏观观念中的粒子.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.光在传播过程中往往显示波动性,在与物质作用时往往显示粒子性.
2年模拟题阵
基础巩固
一、选择题
1.(2006甘肃诊断理综)夏天,在黄河边散步时,发现水面上有油污,在阳光的照射下会看到彩色的花纹,这属于()
A.光的色散现象B.光的衍射现象C.光的干涉现象D.光的全反射现象
答案:
C
解析:
油膜在阳光下会看到彩色花纹,这是光在膜的前、后表面发射回来后干涉的结果,故选项C正确.
2.(2006北京东城一模)下列实际的例子中,应用的物理原理表明光是波动的是()
A.在磨制各种镜面或其他光学平面时应用干涉法检查平面的平整程度
B.拍摄水面下的物体时,在照相机镜头前装一片偏振滤光片,可以使景象清晰
C.一窄束白光通过三棱镜色散得到彩色的光带
D.利用光照射到光电管上产生光电流,进行自动控制
答案:
AB
解析:
选项A为光的干涉,是利用了光的波动性.选项B为光的偏振,也属于光的波动性.选项C是光的折射现象.选项D利用了光的粒子性.
3.(2005湖北一模)白光通过双缝在屏上观察到干涉条纹,除中央为白色明纹外,两侧还出现彩色条纹,它的原因是()
A.各色光的波长不同B.各色光的速度不同
C.各色光的色散不同D.各色光的强度不同
答案:
A
解析:
根据双缝干涉的条纹间距规律
,得到波长越长,间距越大,白光中的七种单色光波长不同,所以间距不同.本题的正确选项为A.
4.(2005江苏启东一模)抽制高强度纤维细丝时可用激光监控其粗细,如图16-7所示,观察激光束经过细丝时在光屏上所产生的条纹即可判断细丝粗细的变化.下列说法正确的是()
图16-7
A.这主要是光的干涉现象B.这主要是光的衍射现象
C.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变粗D.如果屏上条纹变宽,表明抽制的丝变细
答案:
BD
解析:
由题意知,激光束经过细丝时在光屏上所产生的条纹,所以本装置是光的衍射,选项A错误,选项B正确.根据衍射规律得:
细丝越细,会使条纹更宽,所以选项C错误,选项D正确.所以,本题的正确选项为BD.
5.(2006云南质量检测)关于光电效应,下列说法正确的是()
A.发生光电效应时,一般来说,照射光频率一定,被照射的金属不同,则逸出的光电子的最大初动能不同
B.发生光电效应时,不同频率的单色光照射同一种金属表面,逸出的光电子的最大初动能并不相同
C.发生光电效应时,逸出的光电子的最大初动能的最小值等于金属的逸出功
D.用某单色光照射某金属表面时,没发生光电效应.若用多束这样的单色光同时照射该金属表面,可能发生光电效应
答案:
AB
解析:
由Ek=hν-W可知,当金属的逸出功不同时,则逸出的光电子的最大初动能不同,而不同的金属具有不同的逸出功,所以选项A正确.发生光电效应时,不同频率的单色光照射同一种金属表面,逸出的光电子的最大初动能并不相同,且最小值可以为零,所以选项B正确,选项C错误.能否发生光电效应是由入射光的频率决定的,与入射光的强度无关,所以选项D错误.
6.(2006四川一模)如图16-8所示是伦琴射线管的装置示意图,关于该装置,下列说法中正确的是()
图16-8
A.E1可用低压交流电源,也可用直流电源(蓄电池)
B.E2是高压直流电源,且E2的右端为电源的正极
C.射线a、b均是电子流
D.射线a是电子流、射线b是X射线
答案:
ABD
解析:
电源E1的作用是使阴极发出电子,可用低压交流电源,也可用直流电源(蓄电池),射线a是电子流.电源E2的作用为加速电子,让电子获得很高的能量去轰击对阴极,使对阴极发出X射线,即射线b,因而电源E2应为高压直流电源,且右端为电源的正极.故选项ABD正确.
7.(2006江苏南京一模)太阳表面的温度约为6000K,所辐射的电磁波中辐射强度最大的在可见光波段;人体的温度约为310K,所辐射的电磁波中辐射强度最大的在红外线波段.宇宙空间内的电磁辐射相当于温度约为3K的物体所发出的,这种辐射称为“3K背景辐射”.若要对“3K背景辐射”进行观测研究,则应选择的观测波段为()
A.无线电波B.紫外线C.X射线D.γ射线
答案:
A
解析:
由题意6000K时所辐射的电磁波中辐射强度最大的在可见光波段,310K时所辐射的电磁波中辐射强度最大的在红外线波段.由此可知,温度越低所辐射的电磁波的频率越小,所以“3K背景辐射”的电磁波波段应为无线电波,故选项A正确.
8.(2005上海二模)如图16-9所示,一验电器与锌板相连,现用一弧光灯照射锌板一段时间,关灯后,指针保持一定偏角()
图16-9
A.用一带负电
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