2017-2021年（5年）北京高考物理真題分類匯編：原子物理與核物理

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北京高考物理真題分類匯編之原子物理與核物理

一．選擇題（共6小題）

1．（2021?北京）北京高能光源是我國首個(gè)第四代同步輻射光源，計(jì)劃于2025年建成。同步輻射光具有光譜范圍寬（從遠(yuǎn)紅外到X光波段，波長范圍約為10﹣5m～10﹣11m，對應(yīng)能量范圍約為10﹣1eV～105eV）、光源亮度高、偏振性好等諸多特點(diǎn)，在基礎(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用科學(xué)和工藝學(xué)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。速度接近光速的電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)，會沿圓弧軌道切線發(fā)出電磁輻射，這個(gè)現(xiàn)象最初是在同步加速器上觀察到的，稱為“同步輻射”。以接近光速運(yùn)動的單個(gè)電子能量約為109eV，回旋一圈輻射的總能量約為104eV。下列說法正確的是（）

A．同步輻射的機(jī)理與氫原子發(fā)光的機(jī)理一樣

B．用同步輻射光照射氫原子，不能使氫原子電離

C．蛋白質(zhì)分子的線度約為10﹣8m，不能用同步輻射光得到其衍射圖樣

D．盡管向外輻射能量，但電子回旋一圈后能量不會明顯減小

2．（2020?北京）氫原子能級示意如圖?，F(xiàn)有大量氫原子處于n＝3能級上，下列說法正確的是（）

A．這些原子躍遷過程中最多可輻射出2種頻率的光子

B．從n＝3能級躍遷到n＝1能級比躍遷到n＝2能級輻射的光子頻率低

C．從n＝3能級躍遷到n＝4能級需吸收0.66eV的能量

D．n＝3能級的氫原子電離至少需要吸收13.6eV的能量

3．（2021?北京）硼（B）中子俘獲治療是目前最先進(jìn)的癌癥治療手段之一。治療時(shí)先給病人注射一種含硼的藥物，隨后用中子照射，硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的α粒子和鋰（Li）離子。這個(gè)核反應(yīng)的方程是（）

A．B+n→Li+He

B．B+He→N+n

C．N+He→O+H

D．N+n→C+H

4．（2019?北京）光電管是一種利用光照射產(chǎn)生電流的裝置，當(dāng)入射光照在管中金屬板上時(shí)，可能形成光電流。表中給出了6次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

組

次

入射光子的能量/eV

相對光強(qiáng)

光電流大小/mA

逸出光電子的最大動能/eV

第一組

1

2

3

4.0

4.0

4.0

弱

中

強(qiáng)

29

43

60

0.9

0.9

0.9

第二組

4

5

6

6.0

6.0

6.0

弱

中

強(qiáng)

27

40

55

2.9

2.9

2.9

由表中數(shù)據(jù)得出的論斷中不正確的是（）

A．兩組實(shí)驗(yàn)采用了不同頻率的入射光

B．兩組實(shí)驗(yàn)所用的金屬板材質(zhì)不同

C．若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大動能為1.9eV

D．若入射光子的能量為5.0eV，相對光強(qiáng)越強(qiáng)，光電流越大

5．（2018?北京）在核反應(yīng)方程He+N→O+X中，X表示的是（）

A．質(zhì)子 B．中子 C．電子 D．α粒子

6．（2017?北京）2017年年初，我國研制的“大連光源”﹣﹣極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長在100nm（1nm＝10﹣9m）附近連續(xù)可調(diào)的世界上首個(gè)最強(qiáng)的極紫外激光脈沖，大連光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。一個(gè)處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個(gè)分子，但又不會把分子打碎。據(jù)此判斷，能夠電離一個(gè)分子的能量約為（取普朗克常量h＝6.6×10﹣34J?s，真空光速c＝3×108m/s）（）

A．10﹣21J B．10﹣18J C．10﹣15J D．10﹣12J

二．計(jì)算題（共1小題）

7．（2017?北京）在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，一個(gè)靜止的放射性原子核發(fā)生了一次α衰變。放射出的α粒子（）在與磁場垂直的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，其軌道半徑為R．以m、q分別表示α粒子的質(zhì)量和電荷量。

（1）放射性原子核用表示，新核的元素符號用Y表示，寫出該α衰變的核反應(yīng)方程。

（2）α粒子的圓周運(yùn)動可以等效成一個(gè)環(huán)形電流，求圓周運(yùn)動的周期和環(huán)形電流大小。

（3）設(shè)該衰變過程釋放的核能都轉(zhuǎn)化為α粒子和新核的動能，新核的質(zhì)量為M，求衰變過程的質(zhì)量虧損△m。

2017-2021年北京高考物理真題分類匯編之原子物理與核物理

參考答案與試題解析

一．選擇題（共6小題）

1．（2021?北京）北京高能光源是我國首個(gè)第四代同步輻射光源，計(jì)劃于2025年建成。同步輻射光具有光譜范圍寬（從遠(yuǎn)紅外到X光波段，波長范圍約為10﹣5m～10﹣11m，對應(yīng)能量范圍約為10﹣1eV～105eV）、光源亮度高、偏振性好等諸多特點(diǎn)，在基礎(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用科學(xué)和工藝學(xué)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。速度接近光速的電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)，會沿圓弧軌道切線發(fā)出電磁輻射，這個(gè)現(xiàn)象最初是在同步加速器上觀察到的，稱為“同步輻射”。以接近光速運(yùn)動的單個(gè)電子能量約為109eV，回旋一圈輻射的總能量約為104eV。下列說法正確的是（）

A．同步輻射的機(jī)理與氫原子發(fā)光的機(jī)理一樣

B．用同步輻射光照射氫原子，不能使氫原子電離

C．蛋白質(zhì)分子的線度約為10﹣8m，不能用同步輻射光得到其衍射圖樣

D．盡管向外輻射能量，但電子回旋一圈后能量不會明顯減小

【考點(diǎn)】氫原子的能級公式和躍遷．

【專題】定量思想；推理法；原子的能級結(jié)構(gòu)專題；分析綜合能力．

【分析】根據(jù)題中敘述分析“同步輻射”的原理，再結(jié)合能級躍遷分析A選項(xiàng)；

使基態(tài)的氫原子電離需要的能量是13.6eV，由此分析B選項(xiàng)；

比較光的波長與蛋白質(zhì)分子的線度分析C選項(xiàng)；

回旋一圈輻射的總能量約為104eV，占單個(gè)電子能量的十萬分之一，由此分析D選項(xiàng)。

【解答】解：A、速度接近光速的電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)，會沿圓弧軌道切線發(fā)出電磁輻射，這是“同步輻射”。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地向能量較低的能級躍遷，放出光子，這是原子發(fā)光的機(jī)理，二者發(fā)光的機(jī)理不同，故A錯(cuò)誤；

B、使基態(tài)的氫原子電離需要的能量是13.6eV，單個(gè)電子回旋一圈輻射的總能量約為104eV＞13.6eV，所以用同步輻射光照射氫原子，能使氫原子電離，故B錯(cuò)誤；

C、同步輻射光具有光譜范圍寬（從遠(yuǎn)紅外到X光波段，波長范圍約為10﹣5m～10﹣11m，蛋白質(zhì)分子的線度約為10﹣8m，可以用同步輻射光得到其衍射圖樣，故C錯(cuò)誤；

D、回旋一圈輻射的總能量約為104eV，占單個(gè)電子能量的十萬分之一，所以電子回旋一圈后能量不會明顯減小，故D正確。

故選：D。

【點(diǎn)評】本題主要是考查“同步輻射”和“能級躍遷”的區(qū)別，關(guān)鍵是知道二者產(chǎn)生的機(jī)理不同，知道光子能量的計(jì)算公式。

2．（2020?北京）氫原子能級示意如圖?，F(xiàn)有大量氫原子處于n＝3能級上，下列說法正確的是（）

A．這些原子躍遷過程中最多可輻射出2種頻率的光子

B．從n＝3能級躍遷到n＝1能級比躍遷到n＝2能級輻射的光子頻率低

C．從n＝3能級躍遷到n＝4能級需吸收0.66eV的能量

D．n＝3能級的氫原子電離至少需要吸收13.6eV的能量

【考點(diǎn)】氫原子的能級公式和躍遷．

【專題】定性思想；推理法；原子的能級結(jié)構(gòu)專題；推理能力．

【分析】一群氫原子，向低能級躍遷時(shí)最多發(fā)出的光子種數(shù)為C；利用公式hν＝Em﹣En計(jì)算輻射出去的光子頻率，然后比較頻率大??；n＝3能級的氫原子電離至少需要吸收1.51eV的能量。

【解答】解：A．大量氫原子處于n＝3能級躍遷到n＝1最多可輻射出C＝3種不同頻率的光子，故A錯(cuò)誤；

B．根據(jù)能級圖可知從n＝3能級躍遷到n＝1能級輻射的光子能量為：hv1＝13.6eV﹣1.51eV＝12.09eV

從n＝3能級躍遷到n＝2能級輻射的光子能量為：hv2＝3.4eV﹣1.51eV＝1.89eV

比較可知從n＝3能級躍遷到n＝1能級比躍遷到n＝2能級輻射的光子頻率高，故B錯(cuò)誤；

C．根據(jù)能級圖可知從n＝3能級躍遷到n＝4能級，需要吸收的能量為：E＝1.51eV﹣0.85eV＝0.66eV，故C正確；

D．根據(jù)能級圖可知?dú)湓犹幱趎＝3能級的能量為﹣1.51eV，故要使其電離至少需要吸收1.51eV的能量，故D錯(cuò)誤。

故選：C。

【點(diǎn)評】本題考查了氫原子的能級公式和躍遷。軌道量子化和能量量子化是量子力學(xué)的基礎(chǔ)，是近代物理學(xué)的巨大飛躍，學(xué)生要能通過簡單的計(jì)算理解其意義。

3．（2021?北京）硼（B）中子俘獲治療是目前最先進(jìn)的癌癥治療手段之一。治療時(shí)先給病人注射一種含硼的藥物，隨后用中子照射，硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的α粒子和鋰（Li）離子。這個(gè)核反應(yīng)的方程是（）

A．B+n→Li+He

B．B+He→N+n

C．N+He→O+H

D．N+n→C+H

【考點(diǎn)】愛因斯坦質(zhì)能方程．

【專題】定性思想；推理法；重核的裂變和輕核的聚變專題；理解能力．

【分析】硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的α粒子和鋰（Li）離子，由此進(jìn)行分析。

【解答】解：根據(jù)題意可知，硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的α粒子和鋰（Li）離子，核反應(yīng)過程中滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，所以該核反應(yīng)方程為：B+n→Li+He，故A正確、BCD錯(cuò)誤。

故選：A。

【點(diǎn)評】本題主要是核反應(yīng)方程的書寫方法，關(guān)鍵是根據(jù)題意弄清楚核反應(yīng)情況，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒分析。

4．（2019?北京）光電管是一種利用光照射產(chǎn)生電流的裝置，當(dāng)入射光照在管中金屬板上時(shí)，可能形成光電流。表中給出了6次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

組

次

入射光子的能量/eV

相對光強(qiáng)

光電流大小/mA

逸出光電子的最大動能/eV

第一組

1

2

3

4.0

4.0

4.0

弱

中

強(qiáng)

29

43

60

0.9

0.9

0.9

第二組

4

5

6

6.0

6.0

6.0

弱

中

強(qiáng)

27

40

55

2.9

2.9

2.9

由表中數(shù)據(jù)得出的論斷中不正確的是（）

A．兩組實(shí)驗(yàn)采用了不同頻率的入射光

B．兩組實(shí)驗(yàn)所用的金屬板材質(zhì)不同

C．若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大動能為1.9eV

D．若入射光子的能量為5.0eV，相對光強(qiáng)越強(qiáng)，光電流越大

【考點(diǎn)】光電效應(yīng)．

【專題】信息給予題；學(xué)科綜合題；定性思想；定量思想；推理法；方程法；光電效應(yīng)專題；理解能力；推理能力．

【分析】根據(jù)光子能量的大小分析是否為同頻率的光子；根據(jù)光電效應(yīng)方程求出兩組實(shí)驗(yàn)中金屬板的逸出功，從而確定是否為同種金屬；根據(jù)光電效應(yīng)方程分析光電子的最大初動能；根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析光電流的大小與光的強(qiáng)度的關(guān)系。

【解答】解：A．第一組實(shí)驗(yàn)時(shí)，光子能量為4.0eV，第二組實(shí)驗(yàn)時(shí)，光子能量為6.0eV，可知兩組實(shí)驗(yàn)采用了不同頻率的入射光，故A正確；

B．根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hv﹣W，可得第一組實(shí)驗(yàn)對應(yīng)金屬板的逸出功為W＝4.0eV﹣0.9eV＝3.1eV，第二實(shí)驗(yàn)對應(yīng)金屬板的逸出功為W'＝6.0eV﹣2.9eV＝3.1eV，有W＝W'，則可知兩組實(shí)驗(yàn)所用的金屬板材質(zhì)相同，故B錯(cuò)誤；

C．若入射光子的能量為5.0eV，根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hv﹣W，可得逸出光電子的最大動能為Ek＝5.0eV﹣3.1eV＝1.9eV，故C正確；

D．由表格中的數(shù)據(jù)可知，在產(chǎn)生光電效應(yīng)的前提下，對同種頻率的入射光而言，入射光的強(qiáng)度越大，光電流越大，所以若入射光子的能量為5.0eV，相對光強(qiáng)越強(qiáng)，光電流越大，故D正確。

本題選不正確的，故選：B。

【點(diǎn)評】解決本題的關(guān)鍵掌握光電效應(yīng)方程，知道同一種金屬，逸出功相同，知道最大初動能與遏止電壓的關(guān)系，并能靈活運(yùn)用，掌握光電流的大小與光的強(qiáng)度的大小關(guān)系。

5．（2018?北京）在核反應(yīng)方程He+N→O+X中，X表示的是（）

A．質(zhì)子 B．中子 C．電子 D．α粒子

【考點(diǎn)】原子核的人工轉(zhuǎn)變．

【專題】定性思想；推理法；衰變和半衰期專題．

【分析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒求出x的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，即可判斷x是否表示電子、質(zhì)子、還是中子。

【解答】解：根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，He+N→O+X，X表示的是質(zhì)子，故A正確，BCD錯(cuò)誤。

故選：A。

【點(diǎn)評】本題比較簡單，考查了核反應(yīng)方程中的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒的應(yīng)用。

6．（2017?北京）2017年年初，我國研制的“大連光源”﹣﹣極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長在100nm（1nm＝10﹣9m）附近連續(xù)可調(diào)的世界上首個(gè)最強(qiáng)的極紫外激光脈沖，大連光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。一個(gè)處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個(gè)分子，但又不會把分子打碎。據(jù)此判斷，能夠電離一個(gè)分子的能量約為（取普朗克常量h＝6.6×10﹣34J?s，真空光速c＝3×108m/s）（）

A．10﹣21J B．10﹣18J C．10﹣15J D．10﹣12J

【考點(diǎn)】光的波粒二象性．

【專題】定量思想；推理法；光的波粒二象性和物質(zhì)波專題．

【分析】根據(jù)光子波長，結(jié)合E＝求出光子具有的能量，確定能夠電離一個(gè)分子能量的數(shù)量級。

【解答】解：能夠電離一個(gè)分子的能量為E＝＝J＝1.98×10﹣18J，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。

故選：B。

【點(diǎn)評】解決本題的關(guān)鍵知道光子能量與光子波長的關(guān)系，結(jié)合公式分析求解，基礎(chǔ)題。

二．計(jì)算題（共1小題）

7．（2017?北京）在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，一個(gè)靜止的放射性原子核發(fā)生了一次α衰變。放射出的α粒子（）在與磁場垂直的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，其軌道半徑為R．以m、q分別表示α粒子的質(zhì)量和電荷量。

（1）放射性原子核用表示，新核的元素符號用Y表示，寫出該α衰變的核反應(yīng)方程。

（2）α粒子的圓周運(yùn)動可以等效成一個(gè)環(huán)形電流，求圓周運(yùn)動的周期和環(huán)形電流大小。

（3）設(shè)該衰變過程釋放的核能都轉(zhuǎn)化為α粒子和新核的動能，新核的質(zhì)量為M，求衰變過程的質(zhì)量虧損△m。

【考點(diǎn)】帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動．

【專題】計(jì)算題；學(xué)科綜合題；定量思想；推理法；帶電