新教材适用2023_2024学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性本章学业质量标准检测新人教版选择性必修第三册

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本章学业质量标准检测本卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分。满分100分，时间75分钟。第Ⅰ卷(选择题　共40分)一、选择题(共12小题，其中1～8小题只有一个选项符合题目要求，每小题3分，第9～12小题有多个选项符合题目要求，全部选对的得4分，选不全的得2分，有选错或不答的得0分)1．(2023·黑龙江哈尔滨师范大学附属中学高二下测试)下列说法正确的是( D )A．阴极射线的本质是高频电磁波B．只要入射光强度足够大，就会发生光电效应C．微观粒子也具有波动性，对应的波叫作德布罗意波，其本质为电磁波D．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此，光子散射后波长变大解析： 阴极射线的本质是电子流，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知发生光电效应与入射光的强度无关，与入射光的频率ν有关，故B错误；实物粒子具有波动性，对应的波叫作德布罗意波，与电磁波无关，故C错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，入射光子的动量减小，根据λ＝可知光子散射后波长变大，故D正确。2．(2023·河南漯河模拟)我国科学家潘建伟院士预言十年左右量子通信将“飞”入千家万户。在通往量子论的道路上，一大批物理学家作出了卓越的贡献，下列有关说法正确的是( A )A．爱因斯坦提出光子说，并成功地解释了光电效应现象B．德布罗意第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念C．玻尔在 1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念D．普朗克把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性解析： 爱因斯坦提出光子说，成功地解释了光电效应现象，故A正确；玻尔第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，故B错误；普朗克在 1900年把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，故C错误；德布罗意大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性，故D错误。3．对波粒二象性的理解，下列说法错误的是( D )A．光电效应揭示了光的粒子性，而康普顿效应从动量方面进一步揭示了光的粒子性B．德布罗意提出实物粒子具有波动性，而且粒子的能量和动量跟它所对应的波的频率和波长之间遵从ν＝和λ＝的关系C．光的波长越短，光子的能量越大，光的粒子性越明显D．如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的德布罗意波长相等，则它们的动能也相等解析： 光电效应和康普顿效应都揭示了光的粒子性，康普顿效应从动量方面进一步揭示了光的粒子性，故A正确；实物粒子具有波动性，而且粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从ν＝和λ＝的关系，故B正确；光的波长越短，频率越大，根据ε＝hν，知光子能量越大，而且波长越短，光的粒子性越明显，故C正确；如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的德布罗意波长相等，则它们的动量相等，但动能不相等，故D错误，选D。4．热辐射是指所有物体在一定的温度下都要向外辐射电磁波的现象。辐射强度指垂直于电磁波方向的单位面积在单位时间内所接收到的辐射能量。在研究同一物体在不同温度下向外辐射的电磁波的波长与其辐射强度的关系时，得到如图所示的图线，图中横轴λ表示电磁波的波长，纵轴Mλ表示物体在不同温度下向外辐射的电磁波的辐射强度，则由Mλ－λ图像可知，同一物体在温度升高时( D )A．向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同B．向外辐射的电磁波的波长范围是相同的C．向外辐射的最大辐射强度减小D．向外辐射的电磁波辐射强度最大时对应的波长向波长较短的方向移动解析： 由M λ－λ图像可知，对于同一物体，随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都增加；另一方面，辐射强度最大时对应的波长向波长较短的方向移动。选项D正确。5．现有k个氢原子被激发到量子数为3的能级上，若这些受激发的氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是(假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的)( C )A．  B． k C．  D．2k 解析： 处在量子数为3的能级的k个氢原子跃迁到量子数为2和量子数为1的能级的氢原子个数各为，而处于量子数为2的能级的 个氢原子还会向量子数为1的基态跃迁，故发出的光子总数为。6．如图所示为氢原子的能级图，大量处于n＝3能级的氢原子向基态跃迁，辐射出三种不同频率的光a、b、c，且频率νa> νb>νc，让这三种光照射逸出功为10.2 eV的某金属表面，则下列说法正确的是( D )A．光 a、b、c的能量值可能为1.51 eVB．光 a、b、c均能使该金属发生光电效应C．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2 能级辐射出的光的频率为νbD．金属表面逸出的光电子的最大初动能为1.89 eV解析： 氢原子由 n＝3能级跃迁到 n＝1能级，辐射的光子能量ΔE31＝E3－E1＝－1.51 eV－(－13.6 eV)＝12.09 eV，由n＝3能级跃迁到 n＝2能级时，辐射的光子能量为ΔE32＝－1.51 eV－(－3.4 eV)＝1.89 eV，由n＝2能级向 n＝1能级跃迁时，辐射的光子能量为ΔE21＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，故A错误；氢原子由n＝3能级跃迁到n＝2能级时，辐射的光子能量为ΔE32＝－1.51 eV－(－3.4 eV)＝1.89 eV，所以不能使逸出功为10.2 eV的金属发生光电效应，故B错误；由题意知，三种光的频率大小关系为νa>νb>νc，氢原子从n＝3能级跃迁到 n＝2能级辐射出的光子能量最小，即其对应的光频率为νc，故C错误；氢原子由n＝2能级向 n＝1能级跃迁时辐射的光子能量为ΔE21＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，而由n＝3能级跃迁到n＝1能级时产生的光子的能量为12.09 eV，依据光电效应方程，逸出的光电子的最大初动能为Ek＝12.09 eV－10.2 eV ＝1.89 eV，故D正确。7. (2023·北京朝阳区模拟)氖泡可用于指示和保护电路。在玻璃管中有两个相同的板状金属电极，并充入低压氖气，在两极间接入电压使氖气导电，如果金属电极发出的电子在电场作用下获得足够的能量，就能使氖气发光。将氖泡、保护电阻和电压可调的电源按如图所示的电路连接。氖泡用黑纸包住，黑纸上留出一条狭缝使光可以照射到氖泡。 发现在没有光照的暗室中，当电源电压为U0时，氖泡恰能发光；当电源电压为U1(U1<U0)时，氖泡不发光，但同时用频率为ν1的紫光照射氖泡，氖泡也恰能发光。两次实验中，氖泡恰能发光时回路中的电流可认为相等。已知普朗克常量为h，电子电荷量为e。下列说法正确的是( B )A．若保持电压U1不变，用黄光照射氖泡，氖泡也能发光B．通过实验可知，紫光的光子能量hν1＝eU0－eU1C．通过实验可知，电极中的电子脱离金属至少需要eU0的能量D．实验中必须使用直流电源才能观察到上述现象 解析： 如果金属电极发出的电子在电场作用下获得足够的能量，就能使氖气发光，假设恰好能让氖气发光的电子动能为Ek，电极中的电子脱离金属至少需要的能量为W0，在没有光照的暗室中，当电源电压为U0时，氖泡恰能发光，设发光时电路中电流为I，保护电阻阻值为 R，则有e(U0－IR)＝Ek＋W0，当电源电压为U1(U1<U0)时，同时用频率为ν1的紫光照射氖泡，氖泡也恰能发光，则有hν1＋e(U1－IR)＝Ek＋W0，联立解得hν1＝eU0－eU1，B正确；若保持电压U1不变，用黄光照射氖泡，由于黄光的频率小于紫光的频率，则黄光光子能量小于紫光光子能量，可知氖泡不能发光，A错误；通过实验可知，电极中的电子脱离金属需要的能量小于eU0，C错误；实验中如果采用交流电源，当电压到达一定数值时，也能观察到上述现象，D错误。8．(2023·河南信阳高二期末)某同学用如图所示的装置研究光电效应现象，开始时，滑动变阻器滑片c移在最右端b点。用光子能量为4.2 eV的光照射到光电管上，此时电流表G有读数。向左移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于1.5 V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是( B )A．光电子最大初动能为2.7 eVB．光电管阴极的逸出功为2.7 eVC．当电流表示数为零时，断开电键，电流表示数为零D．将电源的正负极调换，变阻器滑片从b移到a，电流表的示数一直增大解析： 根据题意有遏止电压UC＝1.5 V，则光电子的最大初动能Ek＝eUC＝1.5 eV，根据爱因斯坦光电方程W0＝hν－Ek＝4.2 eV－1.5 eV＝2.7 eV，故A错误，B正确；当电流表示数为零时，断开电键，这时没有反向遏止电压，电流表示数不为零，故C错误；将电源的正负极调换，变阻器滑片从b移到a，当光电流达到饱和电流后，电流表的示数就不再变，故D错误。9．关于原子结构和原子核，下列说法正确的是( AD )A．利用α粒子散射实验可以估算原子核的半径B．利用α粒子散射实验可以估算核外电子的运动半径C．原子的核式结构模型很好地解释了氢原子光谱的实验D．处于激发态的氢原子放出光子后，核外电子运动的动能将增大解析： 核外电子对α粒子几乎没有什么阻挡作用，故α粒子散射实验无法估算核外电子的运动半径，选项B错误；玻尔的氢原子模型很好地解释了氢原子光谱的实验，选项C错误；处于激发态的氢原子放出光子后，轨道半径减小，由库仑力提供向心力F＝＝可知，动能Ek＝所以，动能将增大，选项D正确。10．(2023·北京二中高二期末)入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱而频率不变，则( CD )A．有可能不发生光电效应B．从光照射到金属表面上到发生光电效应的时间间隔将增加C．光电子的最大初动能不变D．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少解析： 光电效应发生与否和光强无关，只和入射光的频率有关，A错误；光强减弱只是影响光电效应单位时间内从金属表面逸出的光电子数目，但是不影响发生光电效应的时间，B错误，D正确；光电子的最大初动能为Ekmax＝hν－We，可知当仅改变光强时，光电子的最大初动能不变，C正确。11．(2023·福建省德化第一中学高二期末)图示为氢原子能级图以及氢原子从n＝3、4、5、6能级跃迁到n＝2能级时辐射的四条光谱线，已知氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级时辐射光子的波长为656 nm，下列叙述正确的有( ACD )A．四条谱线中频率最大的是HδB．用633 nm的光照射能使氢原子从n＝2能级跃迁到n＝3能级C．一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时，最多产生3种谱线D．如果用能量为10.3 eV的电子轰击，可以使基态的氢原子受激发解析： 四种跃迁中，由n＝6到n＝2能级间能级差最大，辐射的光子能量最大，辐射光子频率最大，即四条谱线中频率最大的是Hδ，故A正确；由题可知，从n＝2跃迁到n＝3的能级，需要吸收波长为λ＝656 nm的光子，故B错误；根据C＝3，可知一群处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时最多能辐射3种谱线，故C正确；由图可知，要使基态的氢原子受到激发，至少需要能量为ΔE1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV<10.3 eV，所以用能量为10.3 eV的电子轰击，可以使基态的氢原子受到激发而发生跃迁，故D正确。12．场致发射显微镜的构造如图所示：一根针的尖端直径约为100 nm，位于真空玻璃球泡的中心，球的内表面涂有荧光材料导电膜，在膜与针之间加上如图所示的高电压，使针尖附近的电场强度高达4×109 V/m，电子就从针尖表面被“拉”出并加速到达导电膜，引起荧光材料发光。这样，在荧光屏上就看到了针尖的某种像(针尖表面的发射率图像)，如分辨率足够高，还可以分辨出针尖端个别原子的位置。但由于电子波的衍射，会使像模糊，影响分辨率。将电极方向互换，并在玻璃球泡中充进氦气，则有氦离子产生并打到荧光屏上，这样可使分辨率提高，以下判断正确的是( ABC )A．氦原子变成氦离子是在针尖端附近发生的B．电子从针尖到导电膜的运动过程加速度不断减小C．电子或氦离子的撞击使荧光材料的原子跃迁到了激发态D．分辨率提高是因为氦离子的德布罗意波长比电子的长 解析： 当无规则运动的氦原子与针尖上的金属原子碰撞时，氦原子由于失去电子而成为正离子，故A正确；电场强度从针尖到导电膜由强变弱，电子从针尖到导电膜的运动过程加速度不断减小，故B正确；当电子或氦离子以很大的速度撞击荧光材料时，电子或氦离子把一部分动能转移给了荧光材料的原子，从而使其跃迁到了激发态，故C正确；要想使分辨率提高，就要使衍射变得不明显，可知氦离子的德布罗意波长比电子的短，故D错误。第Ⅱ卷(非选择题　共60分)二、填空题(2小题，共14分。把答案直接填在横线上)13．(6分)(2023·江西吉安泰和中学段考)美国物理学家密立根利用实验最先测出了电子的电荷量，该实验被称为密立根油滴实验。如图所示，两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，板间油滴P由于带负电悬浮在两板间保持静止。(1)若要求该油滴的电荷量，需要测得的物理量有_BCD__；A．两板的长度L  B．油滴质量mC．两板间的电压U  D．两板间的距离d(2)用所测量的物理量表示出该油滴的电荷量q＝ 　(已知重力加速度为g)；(3)若要使原本静止的油滴落到下极板，则下列做法可以达到目的的有_A__。A．保持两极板电压不变，把下极板向下移B．断开电源，把下极板向右移C．断开电源，把下极板向下移D．断开电源，把下极板向上移解析： (1)平行金属板板间存在匀强电场，油滴恰好处于静止状态，电场力与重力平衡，则有mg＝qE＝，所以需要测出的物理量有油滴质量m、两板间的电压U及两板间的距离d。(2)根据平衡条件可得mg＝qE＝，则油滴的电荷量为q＝。(3)若要使原本静止的油滴落到下极板，减小电场力即可。保持两极板间电压U不变，把下极板向下移，则增大极板间距，根据E＝可知，电场强度减小，则电场力减小，因此油滴可落到下极板，A正确；断开电源，金属板所带电荷量Q不变，根据C＝＝及E＝可得E＝，则把下极板向下移或把下极板向上移，两板间距离变化，但两板间电场强度不变，油滴仍处于静止状态，把下极板向右移，极板正对面积S减小，两板间电场强度增大，油滴会上升，故B、C、D错误。14．(8分)某同学在做研究光电效应“单位时间发射的光电子数与照射光强弱的关系”实验。(1)在给出的四个电路图中，本实验应该选用的电路是_A__。(2)要求加在光电管上的电压从零开始变化，则闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P应移到最_左端__(选填“左端”或“右端”)。(3)在某一强度的光照下，记录两电表示数如下表所示：电压U/V00.200.500.801.001.301.502.002.50电流I/μA0.100.180.270.330.350.380.390.400.40①用上表数据在图所示的坐标纸上描绘出光电流与电压的关系图线；②有同学利用电压为零时的电流值0.10 μA计算光电管单位时间里逸出的光电子数，行不行？请说明理由： 该做法不行，因为由作出的光电流与电压关系图线可知，饱和电流为0.40 μA，电流为0.10 μA时逸出的光电子并未全部到达阳极　；③估算此光照射下，单位时间内产生的光电子数为_2.5×1012__个。(已知电子电荷量大小e＝1.6×10－19 C)解析： (1)由于本实验是研究光电效应“单位时间发射的光电子数与照射光强弱的关系”，则光电管两端所加电压应为正向电压，即光电管阴极K与电源负极相连，电流表必须与光电管串联且与电压表并联，故应选A。(2)若要求加在光电管上的电压从零开始变化，则闭合开关前滑动变阻器的滑动触头P应移到最左端。(3)①如答图所示。②该做法不行，因为由作出的光电流与电压关系图线可知，饱和电流为0.40 μA，电流为0.10 μA时逸出的光电子并未全部到达阳极。③在此光照射下，由作出的光电流与电压关系图线可知，饱和电流为0.40 μA，此时1 s内由K极发出的电子全部到达阳极，根据I＝，可得单位时间内产生的光电子数为N＝＝ 个＝2.5×1012个。三、论述、计算题(本题共4小题，共46分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要演算步骤，只写出最后答案不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)15．(8分)氢原子第n能级的能量为En＝，其中 E1是基态能量，而n＝1,2，…。若一氢原子发射能量为－E1的光子后处于比基态能量高出－E1的激发态，则氢原子发射光子前后分别处于第几能级？答案：分别处于第4能级和第2能级解析： 设发射光子前氢原子处于量子数为n1的能级，发射光子后氢原子处于量子数为 n2的能级，则有－E1＝－　①－E1＝－E1　②由②式得n2＝2，代入①式得n1＝4所以氢原子发射光子前后分别处于第4能级和第2能级。16．(10分)如图所示为证实电子波存在的实验装置，从F上飘出的热电子可认为初速度为零，所加加速电压U＝104 V，电子质量为m＝0.91×10－30 kg。电子被加速后通过小孔K1和K2后入射到薄的金膜M上发生衍射，结果在照相底片上形成同心圆明暗条纹。已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，试计算电子的德布罗意波长。答案：1.22×10－11 m解析：电子加速后的动能Ek＝mv2＝eU电子的动量p＝mv＝＝由λ＝知，λ＝，代入数据得λ≈1.22×10－11 m。17．(12分)(2023·广东梅州质检)波长为λ＝0.071 nm的伦琴射线能使金箔发射光电子，电子在磁感应强度为B的匀强磁场区域内做匀速圆周运动的最大半径为r。已知rB＝1.88×10－4 T·m，普朗克常量h＝6.626×10－34 J·s，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，电子的质量me＝9.1×10－31 kg。试求：(1)光电子的最大初动能；(2)金箔的逸出功；(3)该电子的物质波的波长。答案：(1)5.0×10－16 J　(2)2.3×10－15 J　(3)2.2×10－11 m解析： (1)电子在磁场中做匀速圆周运动的半径最大时对应的初动能最大。此时由洛伦兹力提供向心力，有Bevm＝me，Ek＝mev联立并代入数据解得Ek＝5.0×10－16 J。(2)由爱因斯坦光电效应方程可得Ek＝hν－W0，又ν＝联立并代入数据解得W0＝2.3×10－15 J。(3)由德布罗意波长公式可得λ′＝，又p＝mevm＝eBr联立并代入数据解得λ′＝2.2×10－11 m。18．(16分)(2023·陕西渭南高二期末)研究表明，用具有一定能量的电子轰击处于基态的氢原子，当电子能量大于等于氢原子的能级差时，氢原子就会发生跃迁，剩余能量仍保留为电子的动能。如图所示，甲为氢原子的能级图，乙为研究光电效应的实验电路图，用一束能量为12.79 eV的电子束轰击一群处于基态的氢原子，被激发后的氢原子不稳定，向低能级跃迁，辐射出的光子照射到用钨做成K极的光电管上，已知金属钨的逸出功是4.54 eV，电子的电荷量为1.6×10－19 C，普朗克常量为h＝6.63×10－34 J·s。求：(光速c＝3×108 m/s)(1)处于激发态的氢原子能辐射出几种光子？这几种光子中最短波长为多少？(2)当电压表示数为多大时，微安表的示数刚好为零？答案：(1)6种，最短波长为9.75×10－8 m　(2)8.21 V解析：(1)由12.79 eV＋(－13.6 eV)＝－0.81 eV可知，氢原子能跃迁到n＝4能级，从n＝4能级向低能级跃迁，总共能产生的不同频率的光子种类数为C＝6，由n＝4能级向n＝1能级跃迁时辐射的光子的波长最短，辐射的光子能量为E＝E4－E1＝12.75 eV，根据E＝ε＝h，得最短波长为λmin＝9.75×10－8 m。(2)根据光电效应方程可得光电子的最大初动能Ekm＝ε－W0＝8.21 eV，根据动能定理－eUC＝0－Ekm，解得遏止电压UC＝8.21 V。