高中 | 光子的动量 题目答案及解析

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选修3-5

第十七章 波粒二象性

17.2 光的粒子性

光子的动量

发光二极管($\rm LED$)可高效地将电能转化为光能,并具有单向导电性。用表示,电流只有从标有“$+$”的一端流入时,二极管才能发光。

某发光二极管发出波长为$\lambda$的光,已知普朗克常量为$h$,光速为$c$,则该束光中光子的动量大小为$(\quad\ \ \ \ )$

["

$h\\dfrac{\\lambda}{c}$

","

$\\dfrac{h}{c\\lambda}$

","

$h\\lambda$

","

$\\dfrac{h}{\\lambda}$

"]
[["D"]]

根据的动量公式$p= \dfrac{h}{\lambda}$,该束光中光子的动量大小为$p=\dfrac{h}{\lambda}$

故选:$\rm D$

将红、绿两个发光二极管作为指示灯,与螺线管连接成闭合回路,如图所示。磁铁$\rm S$极朝下,从图中位置静止释放穿过线圈的过程中,红、绿两灯发光的情况是$(\quad\ \ \ \ )$

["

只有红灯亮

","

只有绿灯亮

","

先红灯亮后绿灯亮

","

先绿灯亮后红灯亮

"]
[["C"]]

首先根据楞次定律判断感应电流方向。当磁铁$\rm S$极朝下从图中位置静止释放向下运动穿入线圈时,线圈中向上的磁通量增加,根据楞次定律“增反减同”,感应电流产生的磁场方向向下。再根据右手螺旋定则(安培定则),此时感应电流从螺线管下端流出,上端流入,电流方向使得红灯所在支路导通,红灯亮。

当磁铁穿出线圈时,线圈中向上的磁通量减少,根据楞次定律,感应电流产生的磁场方向向上。再根据右手螺旋定则,此时感应电流从螺线管上端流出,下端流入,电流方向使得绿灯所在支路导通,绿灯亮。所以是先红灯亮后绿灯亮。

故选:$\rm C$

$a$$b$$c$$d$四个相同的发光二极管,与电动势为$E$、内阻为$r$的电源、自感线圈$L$、滑动变阻器$R$、开关$\rm S$等元件连接成如图所示电路。某同学在$t=0$时,闭合$S$,经过一段时间后,在$t=t_{1}$时再断开$S$。在此过程中,

①一直没发光的发光二极管是                  ;

$\rm A$$a$      $\rm B$$b$      $\rm C$$c$      $\rm D$$d$

②通过电流传感器的电流$i$随时间$t$的变化关系可能是                  。

$\rm A$  $\rm B$   $\rm C$    $\rm D$

[["$\\rm C$","$\\rm D$"]]

①发光二极管具有单向导电性。闭合开关$\rm S$后,电源左侧为正极,右侧为负极,电流从电源正极流出,二极管$b$$d$正向导电会发光,由于二极管$c$的接法是反向的,不会发光。开关$\rm S$后,电感线圈充当电源,在回路中电流方向为逆时针,二极管$a$正向导电会发光,所以无论电路中电流如何变化,二极管$c$都不会导通,一直不会发光。

故选:$\rm C$

②当闭合开关$\rm S$时,通过电流传感器的电流立即增大,由于自感线圈$L$的自感作用,会产生自感电动势阻碍电流的增大,所以自感线圈$L$的电流从零开始逐渐增大,由于电源有内阻,路端电压会减小,通过电流传感器的电流会减小,最后达到稳定值。

当断开开关$\rm S$时,自感线圈$L$产生自感电动势,此时自感线圈$L$的电流不能突变,与电流传感器支路组成闭合回路,通过电流传感器的电流会反向,然后电流逐渐减小到零。

故选:$\rm D$

某种射灯及内部结构,如图所示。发光二极管封装在半径为$R$透明半球体中,其管芯的发光面$AOB$是半径为$r$的圆面,其圆心与半球体的球心$O$重合。若发光面发出的光第一次到达半球面时,均可从球面射出,则透明半球体的折射率应小于$(\quad\ \ \ \ )$

["

$\\dfrac{r}{R}$

","

$\\dfrac{R}{r}$

","

$\\dfrac{R}{\\sqrt{R^{2}-r^{2}}}$

","

$\\dfrac{r}{\\sqrt{R^{2}-r^{2}}}$

"]
[["B"]]

要使发光面发出的光第一次到达半球面时均可从球面射出,则临界情况是边缘光线竖直向上发出的光到达半球的入射角最大,此时没有发生全反射,则所有得光线都能射出半球。

由几何知识有$\sin\theta=\dfrac{r}{R}\lt \sin C=\dfrac{1}{n}$

$n\lt \dfrac{R}{r}$

故选:$\rm B$

某同学利用$\rm LED$制作频闪光源,结构如图($\rm a$)所示,变压器原、副线圈的匝数之比为$\rm 22:1$。该$\rm LED$的伏安特性曲线如图($\rm b$)所示。副线圈的输出电压$u=10\sin 100\pi t(\rm V)$

①原线圈输入电压的有效值为                 $\;\rm V$

②若定值电阻$R_{0}$的阻值为$500\;\rm \Omega$,工作时流过$\rm LED$的最大电流约为                 $\;\rm mA$(保留$2$位有效数字)。

[["$110\\sqrt{2}$","$15\\;\\rm mA/16\\;\\rm mA$"]]

①已知副线圈的输出电压$u=10\sin 100\pi t(\rm V)$,根据正弦式交变电压的有效值公式,可得副线圈输出电压有效值$U_{2}=\dfrac{U_{\text{2m}}}{\sqrt{2}}= 5\sqrt{2}\;\rm \text{V}$

再根据变压器原、副线圈电压关系$\dfrac{U_{1}}{U_{2}}=\dfrac{n_{1}}{n_{2}}$

解得$U_{1}=110\sqrt{2}\;\rm \text{V}$

②根据闭合电路欧姆定律,把定值电阻$R_{0}$等效成副线圈电源的内阻,可得$U=10-500I$作图线与该$\rm LED$的伏安特性曲线交于一点,可以读出电流值,如图所示

所以工作时流过$\rm LED$的最大电流约为$15\;\rm mA$

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