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2 光电效应第二课时练习题

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第二课时 康普顿效应 光的波粒二象性
【核心素养目标】
知识点一 康普顿效应和光子的动量
【知识梳理】
1．康普顿效应：在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长 λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．
2．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量．
3．光子的动量
(1)表达式：p＝eq \f(h,λ).
(2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小．因此，有些光子散射后波长 ．
【重难诠释】
1．康普顿效应的解释
假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有能量ε＝hν，而且具有动量．如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分动量转移给了电子，动量由eq \f(h,λ)减小为eq \f(h,λ′)，因此p减小，波长增大．
2．康普顿效应的意义
康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．
【典例精析】
例1．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变．下列说法正确的是( )
A．当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B．康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C．X光散射后与散射前相比，速度变小
D．散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
例2． (多选) “COVID－19”引起的肺炎病人在进行CT诊断时，肺部影像呈白色(“白肺”)，其物理原理是利用X射线穿透人体肺部进行扫描并呈现灰度不同的图像．X射线的穿透量受物质吸收程度的影响，吸收程度与物质的密度等因素有关．密度越小，吸收X射线的本领越弱，透过人体的量就越多，呈现的图片就越暗，如空气等．密度越大，吸收X射线的本领越强，透过人体的量就越少，呈现的图片为白色，如骨骼等．X射线被物质的吸收主要产生两种效应：光电效应和康普顿效应．依据以上信息，下列说法正确的是( )
A．光电效应现象是爱因斯坦最先发现的
B．X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象，属于光电效应，说明X射线具有粒子性
C．光电效应中，X射线频率越高，从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大
D．X射线光子只被电子部分吸收，电子能量增大，光子被散射出去，散射光子波长变长，这说明光子既具有能量又具有动量，这属于康普顿效应，说明了X射线具有粒子性
知识点二 光的波粒二象性
【知识梳理】
光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有 性，光既具有波动性，又具有 性，即光具有 性．
【重难诠释】
1．光的波动性
实验基础：光的干涉和衍射．
2．光的粒子性
(1)实验基础：光电效应、康普顿效应．
(2)表现：①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质；②少量或个别光子容易显示出光的粒子性．
(3)说明：①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；②光子不同于宏观观念的粒子．
【典例精析】
例3．关于光的粒子性、波动性和波粒二象性，下列说法正确的是( )
A．光子说的确立完全否定了波动说
B．光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同
C．光的波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象
D．光电效应说明光具有粒子性，康普顿效应说明光具有波动性
例4． (多选)下列有关光的波粒二象性的说法正确的是( )
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D. 大量光子的行为往往显示出波动性
针对训练
一、单选题
1．在下列各组现象中，都表现出光具有粒子性的是（ ）
A．光的折射现象、衍射现象
B．光的反射现象、干涉现象
C．光的衍射现象、光电效应现象
D．光电效应现象、康普顿效应现象
2．关于康普顿效应，下列说法正确的是（ ）
A．康普顿效应证明光具有波动性
B．康普顿效应可用经典电磁理论进行解释
C．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变长了
D．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变短了
3．下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ）
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D．康普顿效应表明光具有波动性
4．康普顿散射的主要特征是（ ）
A．散射光的波长与入射光的波长全然不同
B．散射光的波长有些与入射光的相同，但有些变短了，散射角的大小与散射波长无关
C．散射光的波长有些与入射光的相同，但也有变长的，也有变短的
D．散射光的波长有些与入射光的相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关
5．下列有关波粒二象性的说法中，正确的是（ ）
A．大量光子的行为往往表现出光的粒子性
B．光电效应现象说明了光具有波粒二象性
C．康普顿效应现象说明光具有粒子性
D．实物粒子不具有波粒二象性
6．以下说法正确的是（ ）
A．康普顿效应现象说明光具有波动性
B．爱因斯坦指出“光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的”
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不再具有波动性了
D．只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波
7．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中（ ）
A．能量守恒，动量守恒，且λ=λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ=λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λλ′D．能量守恒，动量守恒，且λλ′
8．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比
A．频率变大B．速度变小
C．光子能量变大D．波长变长
9．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变．下列说法正确的是
A．当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B．康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C．X光散射后与散射前相比，速度变小
D．散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
10．实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿效应，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律．如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该现象被称为逆康普顿效应，这一现象已被实验证实．关于上述逆康普顿效应，下列说法正确的是
A．该过程不遵循能量守恒定律
B．该过程不遵循动量守恒定律
C．散射光中存在波长变长的成分
D．散射光中存在频率变大的成分
11．一台激光器发出的激光功率为P，光束垂直入射到真空中的某一平面，被平面完全反射后频率保持不变。已知光的波长为λ，光在真空中的速度为c，下列说法正确的是（ ）
A．激光的波长越短，其光子的动量越小
B．被平面反射后激光光子的动量变大
C．增大激光器发出的激光功率，光束对平面的压力增大
D．单位时间里入射到平面的光子数目为
12．康普顿效应揭示了光既有能量也有动量。如图所示为X射线中的光子与晶体中的电子在碰撞前、后的示意图。则碰撞后（ ）
A．光子的动量大小不变B．光子的速度减小
C．光子的波长变长D．电子的动量增加了
13．在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长为，每个激光脉冲中的光子数目为n，已知普朗克常量为h，光速为c，则（ ）
A．用激光“焊接”视网膜是因为激光具有高度的相干性
B．激光的频率为
C．激光光子的动量为
D．每个激光脉冲的能量为
14．2018年11月29日，国家重大科研装备研制项目“超分辨光刻装备研制”通过验收，该光刻机光刻分辨力达到22nm．关于光的认识，下列说法正确的是( )
A．光子除了具有能量之外还具有动量
B．波长越长的光，光子动量越大
C．光电效应显示了光的波动性
D．爱因斯坦测量了光电效应中几个重要的物理量，由此算出了普朗克常量h
15．已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014Hz和5.44×1014Hz，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的（ ）
A．波长B．频率C．能量D．动量
物理观念
了解康普顿效应，知道光子不仅具有能量，而且具有动量。
科学思维
理解光的波粒二象性。
科学探究
学习研究石墨对X射线的散射时康普顿效应研究过程
科学态度与责任
通过康普顿效应和光的波粒二象性知识应用的实例，感受物理中科学技术与社会的紧密联系，体会科学知识的应用价值，进一步增强学生的学习动力和科学意识。
第四章 原子结构和波粒二象性
第2节 光电效应
第二课时 康普顿效应 光的波粒二象性
【核心素养目标】
知识点一 康普顿效应和光子的动量
【知识梳理】
1．康普顿效应：在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应．
2．康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量．
3．光子的动量
(1)表达式：p＝eq \f(h,λ).
(2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小．因此，有些光子散射后波长变大．
【重难诠释】
1．康普顿效应的解释
假定光子与电子发生弹性碰撞，按照爱因斯坦的光子说，一个光子不仅具有能量ε＝hν，而且具有动量．如图所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，光子把部分动量转移给了电子，动量由eq \f(h,λ)减小为eq \f(h,λ′)，因此p减小，波长增大．
2．康普顿效应的意义
康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．
【典例精析】
例1．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变．下列说法正确的是( )
A．当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B．康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C．X光散射后与散射前相比，速度变小
D．散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
【答案】B
【解析】
在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，则光子动量减小，但速度仍为光速c，根据p＝eq \f(hν,c)，知光子频率减小，康普顿效应说明光不但具有能量而且具有动量，揭示了光的粒子性，故A、C、D错误，B正确．
例2． (多选) “COVID－19”引起的肺炎病人在进行CT诊断时，肺部影像呈白色(“白肺”)，其物理原理是利用X射线穿透人体肺部进行扫描并呈现灰度不同的图像．X射线的穿透量受物质吸收程度的影响，吸收程度与物质的密度等因素有关．密度越小，吸收X射线的本领越弱，透过人体的量就越多，呈现的图片就越暗，如空气等．密度越大，吸收X射线的本领越强，透过人体的量就越少，呈现的图片为白色，如骨骼等．X射线被物质的吸收主要产生两种效应：光电效应和康普顿效应．依据以上信息，下列说法正确的是( )
A．光电效应现象是爱因斯坦最先发现的
B．X射线光子被原子中的电子全部吸收从原子中飞出变为具有一定动能的光电子的现象，属于光电效应，说明X射线具有粒子性
C．光电效应中，X射线频率越高，从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大
D．X射线光子只被电子部分吸收，电子能量增大，光子被散射出去，散射光子波长变长，这说明光子既具有能量又具有动量，这属于康普顿效应，说明了X射线具有粒子性
【答案】BCD
【解析】
光电效应现象是赫兹最先发现的，故A错误；根据光电效应现象及产生原因知，B正确；根据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，光电效应中，X射线频率越高，从同种原子中飞出的光电子的最大初动能越大，故C正确；根据康普顿效应现象及产生原因知，D正确．
知识点二 光的波粒二象性
【知识梳理】
光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性．
【重难诠释】
1．光的波动性
实验基础：光的干涉和衍射．
2．光的粒子性
(1)实验基础：光电效应、康普顿效应．
(2)表现：①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质；②少量或个别光子容易显示出光的粒子性．
(3)说明：①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的；②光子不同于宏观观念的粒子．
【典例精析】
例3．关于光的粒子性、波动性和波粒二象性，下列说法正确的是( )
A．光子说的确立完全否定了波动说
B．光的波粒二象性是指光既与宏观概念中的波相同又与微观概念中的粒子相同
C．光的波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象
D．光电效应说明光具有粒子性，康普顿效应说明光具有波动性
【答案】C
【解析】
光子说的确立，没有完全否定波动说，使人们对光的本质认识更完善，光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A错误；光的波粒二象性，与宏观概念中的波相同，与微观概念中的粒子不相同，故B错误；波动说和粒子说都有其正确性，但又都是不完善的，都有其不能解释的实验现象，故C正确；光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性，故D错误．
例4． (多选)下列有关光的波粒二象性的说法正确的是( )
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D. 大量光子的行为往往显示出波动性
【答案】CD
【解析】
一切光都具有波粒二象性，光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性，有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，A错误；电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，B错误；光的波长越长，波动性越显著，光的波长越短，粒子性越显著，C正确；大量光子运动的规律表现出光的波动性，D正确．
针对训练
一、单选题
1．在下列各组现象中，都表现出光具有粒子性的是（ ）
A．光的折射现象、衍射现象
B．光的反射现象、干涉现象
C．光的衍射现象、光电效应现象
D．光电效应现象、康普顿效应现象
【答案】D
【解析】A．光的折射现象不能说明光的粒子性，衍射现象说明光的波动性，A错误；
B．光的反射现象不能说明光的粒子性，干涉现象说明光的波动性，B错误；
C．光的衍射现象说明光的波动性，光电效应现象说明光的粒子性，C错误；
D．光电效应现象、康普顿效应均表现出光有粒子性，D正确。
故选D。
2．关于康普顿效应，下列说法正确的是（ ）
A．康普顿效应证明光具有波动性
B．康普顿效应可用经典电磁理论进行解释
C．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变长了
D．康普顿在研究石墨对射线的散射时发现，在散射的射线中，有些波长变短了
【答案】C
【解析】A．康普顿效应揭示了光具有粒子性，故A错误；
B．光电效应和康普顿效应都无法用经典电磁理论进行解释，B错误；
CD．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，则动量减小，根据
知波长变长，故C正确，D错误。
故选C。
3．下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是（ ）
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
D．康普顿效应表明光具有波动性
【答案】C
【解析】A．一切光都具有波粒二象性，光的有些现象（如干涉、衍射）表现出波动性，光的有些现象（如光电效应、康普顿效应）表现出粒子性，A错误；
B．电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，B错误；
C．光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，C正确；
D．康普顿效应表明光具有粒子性，D错误。
故选C。
4．康普顿散射的主要特征是（ ）
A．散射光的波长与入射光的波长全然不同
B．散射光的波长有些与入射光的相同，但有些变短了，散射角的大小与散射波长无关
C．散射光的波长有些与入射光的相同，但也有变长的，也有变短的
D．散射光的波长有些与入射光的相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关
【答案】D
【解析】测量发现康普顿散射后的X射线中，既有波长不变的X射线，又有波长变长的X射线，而且散射光波长的改变量与散射角的大小有关，波长变长的X射线动量和能量的大小均变小了，这是散射过程中动量和能量守恒的体现，故 D正确，ABC错误。
故选D。
5．下列有关波粒二象性的说法中，正确的是（ ）
A．大量光子的行为往往表现出光的粒子性
B．光电效应现象说明了光具有波粒二象性
C．康普顿效应现象说明光具有粒子性
D．实物粒子不具有波粒二象性
【答案】C
【解析】A．光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，大量光子运动的规律表现出光的波动性，而单个光子或少数光子的运动表现出光的粒子性，故A错误；
B．光电效应说明光具有粒子性，故B错误；
C．康普顿效应现象说明光具有粒子性，故C正确；
D．宏观物体的德布罗意波的波长太小，实际很难观察到波动性，不是不具有波粒二象性，故D错误。
故选C。
6．以下说法正确的是（ ）
A．康普顿效应现象说明光具有波动性
B．爱因斯坦指出“光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的”
C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不再具有波动性了
D．只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波
【答案】B
【解析】A．康普顿效应现象说明光具有粒子性，选项A错误；
B．爱因斯坦指出“光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的”，选项B正确；
C．光具有波粒二象性，当光表现出波动性时，仍具有粒子性，光表现出粒子性时，也仍具有波动性，故C错误；
D．只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波。故D错误。
故选B。
7．科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子。假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中（ ）
A．能量守恒，动量守恒，且λ=λ′B．能量不守恒，动量不守恒，且λ=λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λλ′D．能量守恒，动量守恒，且λλ′
【答案】C
【解析】光子与电子的碰撞过程中，系统不受外力，也没有能量损失，故系统动量守恒，系统能量也守恒。
光子与电子碰撞后，电子能量增加，故光子能量减小，根据E=hv，光子的频率减小，
根据
知波长变长，即λ