单元检测 第四章 原子结构和波粒二象性-【过习题】2022-2023学年高二物理单元复习（人教版2019选择性必修第三册）

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绝密★启用前《第四章 原子结构和波粒二象性》章末检测试卷(时间:60分钟　满分:100分)一、选择题：(本题共12个小题,每题4分,共48分。1-8是单选题,9-12是多选题,多选、错选均不得分,漏选得2分。)1．(2022·盐城·期末)1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别用电子束射向晶体得到如图所示的图样，从而证实了(　　)A．电子的波动性B．电子的粒子性C．光的波动性D．光的粒子性答案　A解析　戴维森和G.P.汤姆孙分别用电子束射向晶体得到电子的衍射图样，说明电子具有波动性．选项A正确．2.我国高铁技术从无到有，并取得了巨大飞跃，目前处于世界领先水平．高铁将拥有基于北斗卫星导航系统、5G通信技术的空天地一体化的“超级大脑”．与4G相比，5G具有“更高网速、低延时、低功率海量连接、通信使用的电磁波频率更高”等特点．与4G相比，5G使用的电磁波(　　)A．波长更长   B．衍射更明显C．能量子的能量更大   D．传播速度更快答案　C解析　由题知，与4G相比，5G具有“通信使用的电磁波频率更高”，已知电磁波的波长与频率的关系为λ＝，由此可知频率越高波长越短，则与4G相比，5G使用的电磁波波长更短，A错误；波长越长，衍射现象越明显，由选项A可知λ5G<λ4G，则与4G相比，5G使用的电磁波衍射不明显，B错误；已知能量子的能量为ε＝hν，由题知，与4G相比，5G具有“通信使用的电磁波频率更高”，则与4G相比，5G使用的电磁波能量子的能量更大，C正确；真空中电磁波的传播速度与光速相等，为c＝3×108 m/s，D错误．3．下列说法正确的是(　　)A．爱因斯坦在光的粒子性的基础上，建立了光电效应方程B．康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量C．卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型D．德布罗意指出微观粒子的动量越大，其对应的波长就越长答案　C解析　爱因斯坦在量子理论的基础上，提出了光子假说并建立了光电效应方程，故A错误；康普顿效应表明光子既具有能量，也具有动量，故B错误；卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，故C正确；依据德布罗意波长公式λ＝分析可知，微观粒子的动量越大，其对应的波长就越短，故D错误．4．神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站进行太空授课．若本次直播通信使用电磁波的波长范围为λ1≤λ≤λ2，光速为c，则该电磁波中能量子最大值为(　　)A．hλ2   B.C.   D.答案　C解析　根据电磁波能量子公式ε＝hν＝h可知，波长越短，能量越大，所以该电磁波中能量子最大值为εmax＝，故选C.5.(2022·辽宁·期中)如图所示是氢原子的能级图，其中由高能级向n＝2能级跃迁时射出光的谱线称为“巴耳末线系”．现有大量处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁，则(　　)A．最多可辐射出4种不同频率的光子B．产生的光子中有6种属于巴耳末线系C．从n＝5能级跃迁到n＝4能级时产生的光子波长最长D．从n＝4能级跃迁到n＝2能级要吸收2.55 eV的能量答案　C解析　大量处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出C＝10种不同频率的光子，其中的5→2,4→2,3→2三种跃迁产生的谱线属于巴耳末线系，选项A、B错误；从n＝5能级跃迁到n＝4能级时，能级差最小，则产生的光子频率最小，波长最长，选项C正确；从n＝4能级跃迁到n＝2能级要放出(－0.85 eV)－(－3.4 eV)＝2.55 eV的能量，选项D错误．6．在图甲所示的电路中，用两种单色光①、②分别照射同一光电管时，光电流I与光电管两极电压U的关系如图乙．单色光①和②相比(　　)A．①光光子的频率较大B．①光光子的动量较大C．①光照射时，单位时间逸出的光电子数目较多D．①光照射时，逸出的光电子的最大初动能较大答案　C解析　由Ekm＝hν－W0，eUc＝Ekm可得光电流恰好为零时，此时光电管两端加的电压为截止电压，对应的光子的频率为截止频率，由题图乙可知，②光光子最大初动能较大，光子的频率较大，由p＝可知②光光子的动量较大，故A、B、D错误；由题图可知①的饱和光电流大，因此①光照射时单位时间内产生的光电子数量多，故C正确．7．(2022·济宁·期中)反氢原子是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成，反质子和质子有相同的质量，带有等量异种电荷，反氢原子和氢原子有相同的能级分布，氢原子能级如图所示，则下列说法中正确的是(　　)A．反氢原子光谱与氢原子光谱不相同B．处于n＝2能级的反氢原子的电离能为13.6 eVC．基态反氢原子能吸收11 eV的光子而发生跃迁D．大量处于n＝4能级的反氢原子从n＝4能级跃迁到n＝3能级时，辐射的光子的波长最长答案　D解析　反氢原子光谱与氢原子光谱相同，所以A错误；处于基态的反氢原子的电离能为　　13.6 eV，所以B错误；吸收光子能量跃迁时需要一一对应的能量，则基态反氢原子吸收11 eV的光子时，不能发生跃迁，所以C错误；大量处于n＝4能级的反氢原子从n＝4能级跃迁到n＝3能级时，能级差最小，则辐射的光子的波长最长，所以D正确．8．(2022·南京·期末)一群处于第4能级的氢原子，向低能级跃迁过程中能发出6种不同频率的光，将这些光分别照射到图甲电路阴极K的金属上，只能测得3条电流随电压变化的图像如图乙所示，已知氢原子的能级图如图丙所示，则下列推断正确的是(　　)A．只有b光照射时，仅增加其强度，则对应的遏止电压增大B．阴极金属的逸出功可能为W0＝2.5 eVC．图乙中的a光是氢原子由第3能级向基态跃迁发出的D．图乙中的c光光子能量为10.2 eV答案　D解析　光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，因此仅增加b光照射时的强度，对应的遏止电压保持不变，A错误；由于只有3种频率的光能使阴极K发生光电效应，分析可知，这三种分别是从n＝4，n＝3，n＝2三个激发态跃迁到基态时放出的光子，其他的光子不会使阴极K产生光电效应，从n＝4跃迁到n＝2放出的光子能量ΔE＝E4－E2＝2.55 eV，要小于阴极金属的逸出功，因此阴极金属的逸出功不可能为W0＝2.5 eV，B错误；图乙中的a光的遏止电压最大，照射时光子的能量最大，是氢原子由第4能级向基态跃迁发出的，C错误；图乙中的c光的遏止电压最小，是氢原子由第2能级向基态跃迁发出的，光子能量为ΔE＝E2－E1＝10.2 eV，D正确．9．(2022·重庆·月考)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，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粒子性答案　CD解析　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，A错误；光具有波粒二象性，光电效应证实了光具有粒子性，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，C正确；康普顿效应证实了光具有粒子性，D正确．10.用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时，电流表G的读数为0.2 mA.移动滑动变阻器的滑片，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表读数为0.则(　　)A．光电管阴极的逸出功为1.8 eVB．开关S断开后，没有电流流过电流表GC．光电子的最大初动能为0.7 eVD．改用能量为1.5 eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小答案　AC解析　该装置所加的电压为反向电压，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表示数为0，可知光电子的最大初动能为0.7 eV，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，得W0＝1.8 eV，故A、C正确．开关S断开后，在光子能量为2.5 eV的光照射下，光电管发生了光电效应，有光电子逸出，则有电流流过电流表G，故B错误.1.5 eV的光子的能量小于逸出功，所以不能发生光电效应，无光电流，故D错误．11．(2022·成都市·期末)新冠病毒疫情防控工作中，体温枪被广泛使用．其工作原理是利用光电效应，将光信号转化为电信号，从而显示出物体的温度．已知人的体温正常时能辐射波长为10 μm的红外线，如图甲所示，用该红外光线照射光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，光电流随电压变化的图像如图乙所示，另一种金属铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图丙所示，已知光在真空中传播的速度为3×108 m/s.则(　　)A．波长为10 μm的红外线在真空中的频率为3×1013 HzB．将阴极K换成金属铷，体温枪仍然能正常使用C．由图乙可知，该光电管的遏止电压为2×10－2 VD．当人体温度升高时，辐射红外线的强度将增大，饱和光电流减小答案　AC解析　根据c＝λν可得此红外线的频率ν＝＝ Hz＝3×1013 Hz，A正确；根据题图丙可知金属铷的截止频率5.1×1014 Hz，红外线的频率小于金属铷的截止频率，不会发生光电效应，体温枪不能正常使用，B错误；由题图乙可知，该光电管的遏止电压为2×10－2 V，C正确；若人体温度升高，辐射红外线的强度增大，饱和光电流将增大，D错误．12.(2022·苏州·期中改编)如图所示为氢原子的能级图，下列说法正确的是(　　)A．从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，电子的动能会变大，电势能会减小B．氢原子从高能级向低能级跃迁时要辐射光子C．一个处于n＝4激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出3种不同频率的光子D．用能量为9.6 eV的电子轰击处于基态的氢原子，能使氢原子发生能级跃迁答案　ABC解析　电子做圆周运动，静电力提供向心力，则有k＝m，Ek＝mv2联立可得Ek＝从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，电子的轨道半径减小，由动能表达式分析可知电子的动能会变大，因静电力做正功，电势能会减小，故A正确；根据玻尔理论可知氢原子从高能级向低能级跃迁时要辐射光子，故B正确；一个处于n＝4激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出3种不同频率的光子，故C正确；从n＝1能级跃迁到n＝2能级时，需要吸收的能量为ΔE＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，9．6 eV<10.2 eV，用能量为9.6 eV的电子轰击处于基态的氢原子，不能使氢原子跃迁到n＝2能级，故D错误．二、计算题(本题共6个小题。共60分。)13.(10分)如图所示是研究光电管产生的光电流的电路图，A、K是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的截止频率为νc，元电荷为e，普朗克常量为h.现将频率为ν(大于νc)的光照射在阴极上，则：(1)阴极材料的逸出功等于________．(2)加在A、K间的正向电压为U时，到达阳极的光电子的最大动能为________，将A、K间的正向电压从零开始逐渐增加，电流表的示数的变化情况是______________．(3)为了阻止所有光电子到达阳极，在A、K间应加上U反＝________的反向电压．(4)下列方法一定能够增加饱和光电流的是________．A．照射光频率不变，增加光照强度B．照射光强度不变，增加光的频率C．增加A、K电极间的电压D．减小A、K电极间的电压答案　(1)hνc(2分)　(2)hν－hνc＋eU(2分)　逐渐增大，最后保持不变(2分)　(3)(2分)(4)A(2分)解析　(2)逸出光电子的最大初动能为hν－hνc；若加在A、K间的正向电压为U时，到达阳极的光电子的最大动能为Ek＋eU＝hν－hνc＋eU，将A、K间的正向电压从零开始逐渐增加，则到达阳极的光电子数逐渐增加，直到当全部光电子都能到达阳极时为止，则电流表的示数的变化情况是逐渐增大，最后保持不变．(3)为了阻止所有光电子到达阳极，在A、K间应加上的反向电压应满足：eU反＝Ek＝hν－hνc，解得U反＝.(4)若增加饱和光电流，则需要增加单位时间射到阴极的光子数，即保持照射光频率不变时，需要增大光照强度，故选A.14．(4分)如图甲所示为氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子跃迁时，发出频率不同的大量光子，其中频率最高的光子照射到图乙电路阴极K上时，电路中电流随电压变化的图像如图丙，则金属的逸出功W0＝________ eV；将上述各种频率的光分别照射到电路阴极K上，共有________种频率的光能产生光电流．答案　6.75(2分)　3(2分)解析　大量处于n＝4激发态的氢原子跃迁时，发出频率最高的光子是对应着从n＝4到n＝1的跃迁，频率最高光子的能量为hνm＝E4－E1＝12.75 eV，由题图丙可知辐射光电子的最大初动能为6 eV，根据Ek＝hν－W0可知金属的逸出功W0＝12.75 eV－6 eV＝6.75 eV.从n＝4到低能级的跃迁中能辐射出6种不同频率的光子，其中光子能量大于6.75 eV的跃迁有：n＝2到n＝1的跃迁，辐射光子的能量为－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV；n＝3到n＝1的跃迁，辐射光子的能量为－1.51 eV－(－13.6 eV)＝12.09 eV；n＝4到n＝1的跃迁，辐射光子的能量为－0.85 eV－(－13.6 eV)＝12.75 eV；其余跃迁光子能量小于6.75 eV，所以各种频率的光分别照射到阴极K上，共有3种频率的光能产生光电流．15．(10分)小明用阴极为金属铷的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s.(计算结果保留3位有效数字)(1)图甲中电极A为光电管的什么极；(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率νc和逸出功W0分别是多少；(3)如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014 Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek是多少．答案　(1)阳极　(2)5.20×1014 Hz　3.45×10－19 J　(3)1.19×10－19 J解析　(1)由题意及光电管的结构知，A为阳极．(3分)(2)Uc－ν图像中横轴的截距表示铷的截止频率，则νc＝5.20×1014 Hz(2分)逸出功W0＝hνc≈3.45×10－19 J(2分)(3)由爱因斯坦的光电效应方程得Ek＝hν－W0≈1.19×10－19 J．(3分)16．(10分)如图所示，伦琴射线管两极加上一高压电源．即可在阳极A上产生X射线．(h＝6.63×10－34 J·s，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，光速c＝3×108 m/s)(1)若高压电源的电压为20 kV，求X射线的最短波长；(2)若此时电流表读数为5 mA,1 s内产生5×1013个波长为1.0×10－10 m的光子，求伦琴射线管的工作效率．答案　(1)6.2×10－11 m　(2)0.1%解析　(1)伦琴射线管阴极上产生的热电子在20 kV高压加速下获得的动能全部变成X光子的能量时，X光子的波长最短．eU＝hν(1分)ν＝(1分)得λ＝＝ m≈6.2×10－11 m(2分)(2)高压电源的电功率P1＝UI＝100 W，(2分)每秒产生X光子的能量E＝nh＝0.1 J(1分)功率P2＝＝0.1 W(1分)效率为η＝×100%＝0.1%.(2分)17.(13分)玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律，氢原子能级图如图所示．当氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时，辐射出某种频率的光子，用该频率的光照射逸出功为2.25 eV的钾表面．已知电子电荷量e＝1.60×10－19 C，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s.求：(1)辐射出光子的频率(保留两位有效数字)；(2)辐射出光子的动量；(3)钾表面逸出的光电子的最大初动能为多少eV.答案　(1)6.2×1014 Hz　(2)1.4×10－27 kg·m/s　(3)0.30 eV解析　(1)氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时，释放出光子能量为E＝－0.85 eV－(－3.40 eV)＝2.55 eV，(2分)由E＝hν(2分)解得光子的频率ν≈6.2×1014 Hz(1分)(2)由p＝(2分)λ＝(2分)得p≈1.4×10－27 kg·m/s(1分)(3)用此光照射逸出功为2.25 eV的钾时，由光电效应方程Ek＝hν－W0，(2分)产生光电子的最大初动能为Ek＝(2.55－2.25) eV＝0.30 eV(1分)18.(13分)氢原子的能级图如图所示，将氢原子电离，就是从外部给电子能量，使其从基态或激发态脱离原子核的束缚而成为自由电子．(电子电荷量e＝1.6×10－19 C，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，电子质量me＝9.1×10－31 kg，光速c＝3×108 m/s)(1)若要使处于n＝2激发态的氢原子电离，至少要用多大频率的电磁波照射该氢原子？(2)若用波长为200 nm的紫外线照射处于n＝2激发态的氢原子，则电子飞到离原子核无穷远处时的速度多大？答案　(1)8.21×1014 Hz　(2)9.95×105 m/s解析　(1)所谓电离，就是使处于基态或激发态的原子的核外电子跃迁到n＝∞的轨道，n＝∞时，E∞＝0.所以要使处于n＝2激发态的原子电离，电离能为ΔE＝E∞－E2＝3.4 eV(2分)ν＝＝ Hz≈8.21×1014 Hz.(3分)(2)波长为200 nm的紫外线一个光子所具有的能量E0＝hν′＝h＝6.63×10－34× J＝9.945×10－19 J(2分)电离能ΔE＝3.4×1.6×10－19 J＝5.44×10－19 J(2分)由能量守恒得E0－ΔE＝mev2(2分)代入数值解得v≈9.95×105 m/s.(2分)