重難點18 近代物理（原卷版）-高考物理重點難點熱點專題

重難點18近代物理重難點18近代物理1.命題內容方面：近代物理初步的主要考點包括:①氫原子光譜、氫原子能級結構和能級公式;②原子核、核反應方程和核能;③光電效應、愛因斯坦光電效應方程。2.命題形式注重板塊內的知識綜合,知識跨度大。注重于物理學史的聯(lián)系,特別在考查核反應方程時,一定要注意必須是經(jīng)過證實了的核反應才能寫出正確的核反應方程,也因此才有原子核的衰變、人工轉變、裂變、聚變等不同的說法。3.特別要加深理解近代物理初步的有關知識的邏輯推理,如能級的知識主要是以氫原子為例進行闡述的，命題時可以通過其他原子來進行研究性考查，量子論和物質波的有關知識，高考命題時往往與動量守恒聯(lián)系在一起,只有扎實掌握好近代物理初步的基礎知識、具備一定的綜合能力和較高的拓展遷移能力。4.注重生活與近代物理相關的現(xiàn)象的解釋。一、氫原子光譜、氫原子的能級、能級公式1．原子的核式結構（1）電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。（2）α粒子散射實驗：1909～1911年，英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用α粒子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞”了回來。（3）原子的核式結構模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉。2．光譜（1）光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長（頻率）和強度分布的記錄，即光譜。（2）光譜分類有些光譜是一條條的亮線，這樣的光譜叫做線狀譜。有的光譜是連在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜。（3）氫原子光譜的實驗規(guī)律巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，（n＝3，4，5，…），R是里德伯常量，R＝1.10×107m－1，n為量子數(shù)。3．玻爾理論（1）定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。（2）躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hν＝Em－En。（h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s）（3）軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。4．氫原子的能級、能級公式（1）氫原子的能級能級圖如圖所示（2）氫原子的能級和軌道半徑①氫原子的能級公式：En＝eq\f(1,n2)E1（n＝1，2，3，…），其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝－13.6eV。②氫原子的半徑公式：rn＝n2r1（n＝1，2，3，…），其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.53×10－10m。二、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素1．原子核的組成：原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)等于核內的質子數(shù)。2．天然放射現(xiàn)象（1）天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復雜的結構。（2）放射性和放射性元素物質發(fā)射某種看不見的射線的性質叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。（3）三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線。（4）放射性同位素的應用與防護①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質相同。②應用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。③防護：防止放射性對人體組織的傷害。3．原子核的衰變（1）衰變：原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。（2）分類α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e（3）半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關。三、核力、結合能、質量虧損1．核力（1）定義：原子核內部，核子間所特有的相互作用力。（2）特點：①核力是強相互作用的一種表現(xiàn)；②核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內；③每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。2．結合能核子結合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結合能，亦稱核能。3．比結合能（1）定義：原子核的結合能與核子數(shù)之比，稱做比結合能，也叫平均結合能。（2）特點：不同原子核的比結合能不同，原子核的比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4．質能方程、質量虧損愛因斯坦質能方程E＝mc2，原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小Δm，這就是質量虧損。由質量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2。四、裂變反應和聚變反應、裂變反應堆核反應方程1．重核裂變（1）定義：質量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數(shù)較小的原子核的過程。（2）典型的裂變反應方程：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(144,56)Ba＋3eq\o\al(1,0)n。（3）鏈式反應：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程。（4）臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積及其相應的質量。（5）裂變的應用：原子彈、核反應堆。（6）反應堆構造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。2．輕核聚變（1）定義：兩輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應。（2）典型的聚變反應方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV（建議用時：30分鐘）一、單選題1．（2023·云南保山·統(tǒng)考三模）如圖甲所示為不同溫度下的黑體輻射強度隨波長λ的變化規(guī)律；乙圖中，某種單色光照射到光電管的陰極上時，電流表有示數(shù)；丙圖為氫原子能級圖，有大量處于n=5能級的氫原子向低能級躍遷；丁圖為放射性元素14C剩余質量m與原質量m0的比值隨時間t的變化規(guī)律，下列說法正確的是（

）

A．甲圖中，隨著溫度的升高，輻射強度的極大值向頻率較小的方向移動B．乙圖中，用頻率更低的光照射光電管的陰極時，電流表一定沒有示數(shù)C．丙圖中，從n=5能級躍遷到n=4能級時產(chǎn)生的光子波長最小D．丁圖中，14C的半衰期是5730年，則100g14C經(jīng)過5730年還剩50g14C2．（2023·四川瀘州·統(tǒng)考一模）圖甲是氫原子的能級圖，一群處于n=5激發(fā)態(tài)的氫原子自發(fā)躍遷，輻射出的光子中僅有一種能使圖乙中的光電管產(chǎn)生光電效應，測得在電路中的光電流I與對應光電管兩端電壓U的關系如圖丙所示。則陰極K的逸出功W0等于（）A．0.83eV B．2.57eV C．12.86eV D．13.26eV3．我國計劃在2050年實現(xiàn)可控聚變能裝置“人造小太陽”的商業(yè)化，是人造小太陽中的核聚變方程，下列說法正確的是（

）

A．核聚變方程中的X是中子，該反應中的核燃料與當前核電站采用的核燃料不同B．原子核必須在超高溫下才能發(fā)生聚變，說明核聚變過程需要吸收能量C．核聚變方程中的X是質子，任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變D．核反應表明，原子核越重，比結合能越大4．下列說法不正確的是（）

A．圖甲中，當弧光燈發(fā)出的光照射到鋅板上時，與鋅板相連的驗電器鋁?有張角，證明光具有粒子性B．圖乙為某金屬在光的照射下，光電子最大初動能與入射光頻率的關系圖像，當入射光的頻率為時，產(chǎn)生的光電子的最大初動能為C．圖丙中，用從能級躍遷到能級輻射出的光照射逸出功為的金屬鉑，不能發(fā)生光電效應D．丁圖中由原子核的核子平均質量與原子序數(shù)的關系可知，若和能結合成，結合過程一定會釋放能量二、多項選擇題5．（2022·浙江·校聯(lián)考一模）如圖所示四幅圖涉及不同的物理知識，其中說法正確的是（）

A．圖甲是電子束通過鋁箔后的衍射圖樣，此實驗可以說明電子具有波動性B．圖乙實驗中研究平行板電容器兩板間電壓變化時可以用直流電壓表代替靜電計C．根據(jù)圖丙的氫原子能級圖可知處于基態(tài)的氫原子可以吸收一個能量為14eV的光子并電離D．根據(jù)圖丁知每過3.8天氡222核質量減半，與外界條件無關，生成的新核比結合能變小6．下列四幅圖涉及到不同的物理知識，其中說法正確的是（）

A．盧瑟福通過分析甲圖中的α粒子散射實驗結果，提出了原子的核式結構模型B．乙圖為布朗運動實驗，圖中顯示的是花粉顆粒的運動軌跡C．丙圖表示磁場對α、β和γ射線的作用情況，其中①是α射線，②是γ射線，③是β射線D．丁圖表示的核反應屬于重核裂變，是目前人工無法控制的核反應三、解答題7．二十世紀初，盧瑟福進行粒子散射實驗的研究，改變了人們對原子結構的認識。(1)如圖1所示，有兩個粒子均以速度射向金原子，它們速度方向所在的直線都不過金原子核中心。請在圖1中分別畫出兩個粒子此后的運動軌跡示意圖；(2)如圖2所示，一個粒子以速度射向金原子，速度方向所在直線過金原子核中心。由于金原子受到周邊其他金原子的作用，可將粒子與一個金原子核的作用等效為與一個靜止的、質量非常大的粒子發(fā)生彈性碰撞。請推導說明粒子與金原子核作用后速度的大小和方向；(3)實驗發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有極少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉（超過90°）。盧瑟福根據(jù)該實驗現(xiàn)象提出了原子的核式結構模型。為了研究問題的方便，可作如下假設：①將粒子視為質點，金原子視為球，金原子核視為球體；②金箔中的金原子緊密排列，金箔厚度可以看成很多單原子層并排而成；③各層原子核前后不互相遮蔽；④大角度偏轉是粒子只與某一層中的一個原子核作用的結果。如果金箔厚度為L，金原子直徑為，大角度偏轉的粒子數(shù)占總粒子的比例為，且。a.請估算金原子核的直徑；b.上面的假設做了很多簡化處理，這些處理會對金原子核直徑的估算產(chǎn)生影響。已知金箔的厚度約，金原子直徑約，金原子核直徑約。請對“可認為各層原子核前后不互相遮蔽”這一假設的合理性做出評價。8．硼中子俘獲療法是腫瘤治療的新技術，其原理是進入癌細胞內的硼核（）吸收慢中子，轉變成鋰核（）和粒子，釋放出光子。已知核反應過程中質量虧損為，光子的能量為，硼核的比結合能為，粒子的比結合能為，普朗克常量為，真空中光速為。（1）寫出核反應方程并求出光子的波長；（2）求核反應放出的能量及鋰核的比結合能。（建議用時：30分鐘）一、單選題1．（2024·陜西渭南·統(tǒng)考一模）2022年10月，我國自主研發(fā)的“夸父一號”太陽探測衛(wèi)星成功發(fā)射?！翱涓敢惶枴碧柼綔y衛(wèi)星可以觀測太陽輻射的硬X射線。硬X射線是波長很短的光子，設波長為λ。若太陽均勻地向各個方向輻射硬X射線，衛(wèi)星探測儀鏡頭正對著太陽，每秒接收到N個該種光子。已知探測儀鏡頭面積為S，衛(wèi)星離太陽中心的距離為R，普朗克常量為h，光速為c，則太陽輻射硬X射線的總功率P為（）A． B． C． D．2．（2024·河北邯鄲·統(tǒng)考二模）來自氫原子所發(fā)射的光譜線中有4種波長的光是可見光，其波長分別為：410nm、434nm、486nm和656nm。它們是氫原子中的電子吸收光子能量躍遷至能級較高的激發(fā)態(tài)后，再向n=2的能級躍遷時釋放出的譜線。對相關信息說法正確的是（）A．氫原子只能通過吸收光子才能躍遷至能級較高的激發(fā)態(tài)B．氫原子處于n=2能級時為基態(tài)C．氫原子可以吸收任何能量的光子而發(fā)生能級躍遷D．這四種光子中410nm的光子能量最大3．（2024·江西·校聯(lián)考二模）下列關于原子物理知識說法正確的是（）A．甲圖為氫原子的能級結構圖，當氫原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)時，放出能量B．乙圖中重核裂變產(chǎn)生的中子能使核裂變反應連續(xù)的進行，稱為鏈式反應，其中一種核裂變反應方程為C．丙圖為光電效應中光電子最大初動能與入射光頻率的關系圖線，不同頻率的光照射同種金屬發(fā)生光電效應時，圖線的斜率相同D．核反應方程中，是質子4．（2023·陜西商洛·統(tǒng)考一模）第十四屆光電子產(chǎn)業(yè)博覽會于2023年7月在北京國家會議中心舉行，其中光電繼電器是主要的展品之一，光電繼電器可以用于自動控制，如自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等，其原理是光電效應。圖為研究光電效應的電路，滑片P的初位置在O點的正上方，用頻率為ν的光照射陰極K，將滑片P向a端移動，當電壓表的示數(shù)為U時，微安表的示數(shù)恰好為0。已知普朗克常量為h，陰極K的截止頻率為，光電子所帶的電荷量為-e，則陰極K的逸出功為（）

A． B． C． D．5．（2024·云南昆明·統(tǒng)考一模）放射性同位素衰變的快慢有一定的規(guī)律，質量為的碳發(fā)生衰變，經(jīng)過時間t后剩余碳14的質量為m，其圖線如圖所示。下列說法正確的是（）

A．碳14放出的粒子來自核外電子 B．碳14的衰變方程為C．碳14的半衰期為11460年 D．100個碳14原子經(jīng)過11460年后還剩25個二、多選題6．下列說法正確的是（）A．甲圖中，“彩超”利用多普勒效應的原理測定血管中血液的流速B．乙圖中，核電站的核反應堆外面修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線C．丙圖中，用同一裝置僅調節(jié)單縫寬度得到某單色光的兩幅衍射圖樣，可判定A的縫寬大于B的縫寬D．丁圖中，由氫原子能級圖可知，某一氫原子從n=2能級向基態(tài)躍遷輻射的光子，有可能被另一個處于n=2能級的氫原子吸收并使之電離7．（2024·浙江·校聯(lián)考一模）下列關于來自課本的四幅插圖的描述符合事實的是（）

A．如圖甲所示為應變片測力原理圖，當自由端施力變大時，上表面應變片的電阻也變大B．如圖乙為某分子在的速率分布圖像，當溫度升高時各速率區(qū)間分子數(shù)占總分子數(shù)的百分比都將增加C．如圖丙為方解石的雙折射現(xiàn)象，該現(xiàn)象說明方解石晶體具有各向異性D．如圖丁為核反應堆的原理圖，其中鎘棒的作用是將裂變過程中的快中子變成慢中子8．如圖甲所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖像（直線與橫軸的交點的橫坐標為4.29，與縱軸的交點的縱坐標為0.5），如圖乙所示是氫原子的能級圖，下列說法正確的是（）A．根據(jù)該圖像能求出普朗克常量B．該金屬的逸出功為1.82eVC．該金屬的極限頻率為5.50×1014HzD．用n=4能級的氫原子躍遷到n=2能級時所輻射的光照射該金屬能使該金屬發(fā)生光電效應三、解答題9．公元前212年，羅馬軍艦攻打希臘城邦敘拉古，如圖1所示。阿基米德設計了一種裝置，能夠用反射鏡集中太陽光線，通過調整眾多反射鏡的位置和角度，使得其形成一個巨大的凹面鏡，陽光經(jīng)過反射后聚焦在羅馬軍艦上，點燃了船帆。（1）已知光線的能量在到達船上之前會損失50%能量，假設反射鏡的總面積為S=50m2，每秒內每平方米反射的光子數(shù)為n=3×1014個，光線在軍艦上形成的光斑面積為S0=0.5m3，普朗克常量為h=6.63×10-34Js，光的波長約為λ=6×10-7m，光速為c=3×108m/s，試估算常溫下軍艦單位面積獲取的能量為多少？（2）有同學對上述過程提出了質疑，認為這種方式軍艦獲得的能量太小，不足以點燃軍艦。他查閱史料，發(fā)現(xiàn)阿基米德實際上是利用蒸汽