高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性综合与测试课堂检测

第四章　原子结构和波粒二象性

本章达标检测

(满分:100分;时间:75分钟)

一、单项选择题(本题共8小题,每小题5分,共40分)

1.(2021重庆八中高二下测试)物理学是一门以实验为基础的科学,任何学说和理论的建立都离不开实验。关于下面几个重要的物理实验的说法正确的是              (　　)

A.卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析,提出了原子核是由质子和中子组成的

B.光电效应实验表明光具有波粒二象性

C.电子的发现揭示了原子可以再分

D.康普顿效应证实了光具有波动性

2.(2021湖南师大附中高二上期末改编)下列说法中正确的是 (　　)

A.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布与温度有关,温度升高,各种波长的辐射强度都有增加,且辐射强度的极大值向波长较长的方向移动

B.光电效应揭示了光的粒子性,而康普顿效应则反映了光的波动性

C.电子和其他微观粒子都具有波粒二象性

D.光的波动性是由光子之间的相互作用引起的,这是光子自身的固有性质

3.(2020黑龙江哈师大附中高三模拟)关于玻尔的原子理论,下列说法正确的是              (　　)

A.原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动,因而其轨道半径可以取任意值

B.电子可以吸收任意能量的光子,从而实现由能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道

C.玻尔理论可以成功解释氢原子光谱的实验规律

D.玻尔理论的不足之处在于用电子云来描述电子在原子核周围各处出现的概率

4.(2021辽宁高三一模)人眼对绿光最为敏感,如果每秒有6个绿光的光子射入瞳孔,眼睛就能察觉。功率为1 W的绿灯如果消耗功率的20%可产生绿光光子,已知普朗克常量h=6.6×10-34 J·s,绿光光子的频率为ν=5.5×1014 Hz,则1 s内发出的绿光光子数约为              (　　)

A.2.7×1014个

B.5.5×1015个

C.5.5×1017个

D.2.7×1020个

5.(2021安徽安庆高三二模)1909年,英国物理学家卢瑟福和他的助手盖革、马斯顿一起进行了著名的“α粒子散射实验”,实验中大量的粒子穿过金箔前后的运动图景如图所示。卢瑟福通过对实验结果的分析和研究,于1911年建立了他自己的原子结构模型。下列关于“α粒子穿过金箔后”的描述中,正确的是              (　　)

A.绝大多数α粒子穿过金箔后,都发生了大角度偏转

B.少数α粒子穿过金箔后,基本上沿原来方向前进

C.通过α粒子散射实验,确定了原子核半径的数量级为10-15 m

D.通过α粒子散射实验,确定了原子半径的数量级为10-15 m

6.(2021云南玉溪一中高二下期中)在光电效应实验中,某同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线,如图所示。则可判断出              (　　)

A.甲光的频率等于乙光的频率

B.乙光的频率大于丙光的频率

C.乙光对应的逸出功大于丙光对应的逸出功

D.甲光对应的光电子的最大初动能大于丙光对应的光电子的最大初动能

7.(2021山东滨州高二下期中)如图所示为氢原子能级示意图,下列说法正确的是              (　　)

A.欲使处于基态的氢原子激发,用11 eV的光子照射

B.欲使处于基态的氢原子激发,用11 eV的电子碰撞

C.一群处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁可能释放12种不同频率的光

D.一个处于n=5激发态的氢原子向低能级跃迁可能释放5种不同频率的光

8.(2021山东济南高二下月考)如图甲所示是氢原子的能级图,一群氢原子处于量子数n=5的激发态,这些氢原子能够自发地跃迁到较低的能量状态,并向外辐射多种不同频率的光,用辐射出的光照射图乙光电管的阴极K,已知阴极K的逸出功为5.06 eV,则              (　　)

A.波长最长的光是原子从n=5的激发态跃迁到基态时产生的

B.阴极K逸出光电子的最大初动能为8 eV

C.这些氢原子可以辐射7种不同频率的光

D.某氢原子辐射出一个光子后,核外电子的速率减小

二、多项选择题(本题共4小题,每小题6分,共24分。全选对得6分,选对但不全得3分,选错或不选得0分)

9.(2021黑龙江实验中学高二下测试)如图所示为研究光电效应的实验电路图,下列叙述正确的是              (　　)

A.保持光照条件不变,滑片P向右移动的过程中,电流表的示数会一直增加

B.只调换电源的正负极,移动滑片P,当电流表的示数为零时,电压表的示数为遏止电压Uc的数值

C.图中入射光的频率减小到某一数值νc时,无论怎样移动滑片,电流表示数都为零,则νc是阴极的极限频率

D.实验之前,阴极K需要预热,光束照射一段时间后,电流表才会有示数

10.(2021广东汕头澄海中学高二下期中)氢原子能级图如图所示,大量处于n=3激发态的氢原子向低能级跃迁辐射出的光子中,发现有两种频率的光子能使金属A发生光电效应,则下列说法正确的是              (　　)

A.大量处于n=3激发态的氢原子向低能级跃迁时,只辐射3种不同频率的光子

B.从n=3激发态直接跃迁到基态时放出的光子一定能使金属A发生光电效应

C.一个氢原子从n=3激发态跃迁到基态时,该氢原子能量增大

D.一个氢原子从n=3激发态跃迁到基态时,该氢原子核外电子的动能减小

11.(2021浙江七彩阳光联盟高三模拟)如图甲所示为光电效应实验的电路图,用一定强度的单色光a、b分别照射阴极K,用电流表测量流过光电管的电流I,用电压表测量光电管两极间的电压U,调节滑动变阻器的滑片,得到图乙所示的光电流I与电压U的关系图像。下列说法正确的是              (　　)

A.将a、b两种光由空气射入水中,水对a光的折射率大于对b光的折射率

B.a、b两种光在水中的传播速度a光更小

C.用a光照射时光电管的极限频率高于用b光照射时光电管的极限频率

D.当滑动变阻器的滑片滑到最左端时,光电流I为零

12.(2021山东淄博高三二模)氢原子的能级图如图所示,已知可见光的光子能量范围为1.62 eV~3.11 eV,下列说法正确的是              (　　)

A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离

B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光是紫外线

C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出2种不同频率的可见光

D.大量处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时所发出的光子通过同一双缝干涉实验装置,以从n=4能级直接跃迁到n=1能级发出的光子所形成的干涉条纹最宽

三、非选择题(本题共4小题,共36分)

13.(6分)(2021上海黄浦高三二模)用单色光a照射某金属表面,单位时间内逸出的光电子数为m。若改用频率更大的单色光b照射该金属,则b光的光子能量　　　　a光的光子能量;若用强度较弱的单色光a照射该金属表面,单位时间内逸出金属表面的光电子数　　　　m。(均选填“大于”“小于”或“等于”) 

14.(9分)(2021江西新钢中学高二下月考)如图所示是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系图像。由图像可知,该金属的逸出功为　　　　。当入射光的频率为2ν0时,产生的光电子的最大初动能为　　　　;当入射光的频率为时,　　　　(选填“能”或“不能”)发生光电效应。 

15.(10分)(2021山东滨州高二下期中)如图为通过某光电管的光电流与两极间电压的关系图像,当用光子能量为4.5 eV的蓝光照射光电管的阴极K时,对应图线与横轴的交点U1=-2.37 V。(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,电子电荷量e=1.6×10-19C)(以下计算结果均保留两位有效数字)

(1)求出阴极K的极限频率;

(2)当用光子能量为7.0 eV的紫外线持续照射光电管的阴极K时,测得饱和电流为0.32 μA,求阴极K单位时间内发射的光电子数。

16.(11分)(2021江西南昌八一中学高二月考)一群氢原子处于量子数n=4的能级,氢原子的能级图如图所示,则:

(1)这些氢原子可能发出几种频率的光子?

(2)氢原子由量子数n=4的能级跃迁到n=2的能级时辐射光子的能量是多少电子伏?

(3)用(2)中的光子照射下表中几种金属,哪些金属能发生光电效应?发生光电效应时,逸出的光电子的最大初动能是多少电子伏?

答案全解全析

第四章　原子结构和波粒二象性

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1.C　卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析,提出了原子具有核式结构,故A错误;光具有波粒二象性,光电效应实验证实了光具有粒子性,故B错误;电子的发现表明了原子不是构成物质的最小微粒,原子可以再分,故C正确;康普顿效应证实了光具有粒子性,故D错误。

2.C　根据黑体辐射的实验规律可知,随温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故A错误;光电效应和康普顿效应都揭示了光的粒子性,故B错误;任何一个运动着的物体,小到电子、质子,大到行星、太阳,都有一种波与之对应,这种波称为物质波,电子和其他微观粒子都具有波粒二象性,故C正确;波粒二象性是光的根本属性,与光子之间的相互作用无关,故D错误。

3.C　电子绕原子核运动的轨道半径是一系列特定的值,不是任意值,故A错误;电子要实现由能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道,吸收的光子的能量必须等于这两个轨道能级之间的能量差,故B错误;玻尔理论可以成功地解释氢原子光谱的实验规律,故C正确;玻尔理论的不足之处在于保留了经典粒子的观念,仍然把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动,故D错误。

4.C　设光子个数为n,则有20%Pt=nhν,解得n=5.5×1017(个),故C正确。

5.C　在α粒子散射实验中,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上沿原来方向前进,少数α粒子穿过金箔后,发生大角度偏转,故A、B错;通过“α粒子散射实验”确定了原子核半径的数量级为10-15 m,原子半径的数量级为10-10 m,故C正确,D错误。

6.A　根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0=eUc,甲、乙两光对应的遏止电压相等,则甲、乙两光的频率相等;乙光对应的遏止电压比丙光对应的遏止电压小,则乙光的频率小于丙光的频率;甲光对应的遏止电压比丙光对应的遏止电压小,则甲光对应的光电子的最大初动能小于丙光对应的光电子的最大初动能,故A正确,B、D错误;逸出功由金属材料本身的性质决定,与照射光无关,故C错误。

7.B　处于基态的氢原子若吸收11 eV的光子,能量值变为-13.6 eV+11 eV=-2.6 eV,由于氢原子没有该能级,所以处于基态的氢原子不能吸收11 eV的光子发生跃迁,故A错误;用11 eV的电子碰撞处于基态的氢原子,氢原子可以吸收10.2 eV的能量跃迁到n=2能级,故B正确;一群处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁可能释放=6种不同频率的光,故C错误;一个处于n=5激发态的氢原子向低能级跃迁最多可能释放4种不同频率的光,故D错误。

8.B　由ε=hν=h可知,波长越长,频率越小,光子的能量越小,所以波长最长的光是原子从n=5的激发态跃迁到n=4的激发态时产生的,故A错误;氢原子从n=5的激发态跃迁到基态,释放的光子能量最大,为ε=hν=(-0.54 eV)-(-13.60 eV)=13.06 eV,阴极K逸出光电子的最大初动能为Ek=hν-W0,得出Ekmax=13.06 eV-5.06 eV=8 eV,故B正确;这些氢原子可以辐射不同频率的光的数目为==10,故C错误;某氢原子辐射出一个光子后,氢原子能级降低,半径减小,速率增大,故D错误。

9.BC　保持光照条件不变,滑片P向右移动的过程中,若光电流未达到饱和电流,则电流表的示数会增加,若达到饱和电流,则电流表的示数就不会再增加,故A错误;只调换电源的正负极,光电管两端加反向电压,移动滑片P,当电流表的示数为零时,电压表的示数为遏止电压Uc的数值,故B正确;图中入射光的频率减小到某一数值νc时,无论怎样移动滑片,电流表示数都为零,则νc是阴极的极限频率,故C正确;光电效应的发生具有瞬时性,故D错误。

10.AB　大量处于n=3激发态的氢原子向低能级跃迁时,辐射3种不同频率的光子,故A正确;从n=3激发态直接跃迁到基态时放出的光子的能量最大,频率最大,所以一定能使金属A发生光电效应,故B正确;一个氢原子从n=3激发态跃迁到基态时,释放出光子,该氢原子能量减小,故C错误;一个氢原子从n=3激发态跃迁到基态时,轨道半径减小,库仑力做正功,则该氢原子核外电子的动能增大,故D错误。

11.AB　由光电流I与电压U的关系图像可知,a光对应的遏止电压大于b光对应的遏止电压,结合Ek=hν-W0和Ek=eUc可知,a光光子的频率大于b光光子的频率,水对a光的折射率大于对b光的折射率,故A正确;根据折射率n=可知,a光在水中的传播速度更小,故B正确;光电管的极限频率与自身的性质有关,与照射光的频率无关,故C错误;由光电流I与电压U的关系图像可知,当滑动变阻器的滑片滑到最左端时,电压U为零,但光电流I不为零,故D错误。

12.AC　由于紫外线光子的能量大于3.11 eV,处于n=3能级的氢原子的能量为-1.51 eV,则紫外线能让处于n=3能级的氢原子发生电离,故A正确;氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光子的能量小于1.51 eV,所以是红外线,故B错误;可见光的光子能量范围为1.62 eV~3.11 eV,大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可发出6种不同频率的光,其中E4-E2=2.55 eV,E3-E2=1.89 eV,这是2种不同频率的可见光,故C正确;从n=4能级直接跃迁到n=1能级发出的光子的能量最大,则其波长最短,根据Δx=λ可知该光子所形成的双缝干涉条纹最窄,故D错误。

13.答案　大于(3分)　小于(3分)

解析　由光子能量的表达式ε=hν可知,入射光的频率越大,光子能量越大,所以b光的光子能量大于a光的光子能量。单位时间内逸出金属表面的光电子的数目与入射光的强度有关,用强度较弱的单色光a照射该金属表面,单位时间内逸出的光电子数目减少。

14.答案　E(3分)　E(3分)　不能(3分)

解析　根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0结合图像可知,该金属的逸出功W0=E。结合图像有hν0=E,当入射光的频率为2ν0时,根据爱因斯坦光电效应方程得Ek'=2hν0-W0=E。当入射光的频率为时,不能发生光电效应。

15.答案　(1)5.1×1014 Hz　(2)2.0×1012

解析　(1)由图中信息可得eU1=0-Ek(2分)

根据爱因斯坦光电效应方程有:Ek=hν-W0=hν-hνc(2分)

解得νc=5.1×1014 Hz(1分)

(2)根据I= (2分)

n= (2分)

解得n=2.0×1012 (1分)

16.答案　(1)6　(2)2.55 eV　(3)铯金属　0.65 eV

解析　(1)可能发出=6种频率的光子。 (3分)

(2)辐射光子的能量为E=E4-E2=-0.85 eV-(-3.40 eV)=2.55 eV(3分)

(3)光子的能量大于铯的逸出功,所以只有铯能发生光电效应。 (2分)

根据爱因斯坦光电效应方程可得光电子的最大初动能为

Ek=E-W0=2.55 eV-1.9 eV=0.65 eV(3分)