2024高考物理二輪復(fù)習(xí)專題復(fù)習(xí)篇專題5近代物理初步學(xué)案

PAGE8-專題5近代物理初步[建體系·知關(guān)聯(lián)][析考情·明策略]考情分析分析近3年的高考試題，光電效應(yīng)、氫原子能級躍遷、核反應(yīng)方程與核能的計算是命題重點，一般以選擇題為主，難度不大，考查學(xué)生對基礎(chǔ)學(xué)問的駕馭。素養(yǎng)呈現(xiàn)1.光電效應(yīng)方程及其規(guī)律2.原子結(jié)構(gòu)與玻爾理論3.原子核及其衰變素養(yǎng)落實1.駕馭光電效應(yīng)現(xiàn)象的兩個重要關(guān)系2.氫原子的能級躍遷規(guī)律3.核反應(yīng)方程的書寫及分類4.α衰變、β衰變次數(shù)的確定方法5.核能的計算考點1|光電效應(yīng)1．兩條主線(1)光照強(qiáng)度大→光子數(shù)目多→放射光電子多→光電流大；(2)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大。2．三個關(guān)系式(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。(2)最大初動能與遏止電壓的關(guān)系：Ek＝eUc。(3)逸出功與極限頻率的關(guān)系：W0＝hν0。3．光電效應(yīng)的三類圖象最大初動能(Ek)與入射光頻率(ν)的關(guān)系圖線W0＝|－E|＝E圖線斜率k＝h光電流與光的顏色、強(qiáng)度和電壓關(guān)系圖線Ek＝eUc遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線h＝ke[題組訓(xùn)練]1．(2024·北京卷·T19)光電管是一種利用光照耀產(chǎn)生電流的裝置，當(dāng)入射光照在管中金屬板上時，可能形成光電流。表中給出了6次試驗的結(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1234.04.04.0弱中強(qiáng)2943600.90.90.9第二組4566.06.06.0弱中強(qiáng)2740552.92.92.9由表中數(shù)據(jù)得出的論斷中不正確的是()A．兩組試驗采納了不同頻率的入射光B．兩組試驗所用的金屬板材質(zhì)不同C．若入射光子的能量為5.0eV，逸出光電子的最大的動能為1.9eVD．若入射光子的能量為5.0eV，相對光強(qiáng)越強(qiáng)，光電流越大B[光子的能量E＝hν，入射光子的能量不同，故入射光子的頻率不同，A正確；由愛因斯坦的光電效應(yīng)方程hν＝W0＋Ek，可求出兩組試驗的逸出功W0均為3.1eV，故兩組試驗所用的金屬板材質(zhì)相同，B錯誤；由hν＝W0＋Ek，W0＝3.1eV；當(dāng)hν＝5.0eV時，Ek＝1.9eV，C正確；光強(qiáng)越強(qiáng)，單位時間內(nèi)射出的光子數(shù)目越多，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)越多，形成的光電流也就越大，D正確。]2．從1907年起，美國物理學(xué)家密立根就起先以精湛的技術(shù)測量光電效應(yīng)中幾個重要的物理量。他通過如圖甲所示的試驗裝置測量某金屬的遏止電壓Uc與入射光頻率ν，作出如圖乙所示的Uc-ν的圖象，由此算出普朗克常量h，并與普朗克依據(jù)黑體輻射測出的h相比較，以檢驗愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。已知電子的電荷量為e，則下列普朗克常量h的表達(dá)式正確的是()甲乙A．h＝eq\f(eUc2－Uc1,ν2－ν1) B．h＝eq\f(Uc2－Uc1,eν2－ν1)C．h＝eq\f(ν2－ν1,eUc2－Uc1) D．h＝eq\f(eν2－ν1,Uc2－Uc1)A[依據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0及動能定理eUc＝Ek，得Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)，所以圖象的斜率k＝eq\f(Uc2－Uc1,ν2－ν1)＝eq\f(h,e)，得h＝eq\f(eUc2－Uc1,ν2－ν1)，故A項正確。]3．(2024·武漢市高三調(diào)研)用頻率為ν的紫外線分別照耀甲、乙兩塊金屬，均可發(fā)生光電效應(yīng)，此時金屬甲的遏止電壓為U，金屬乙的遏止電壓為eq\f(3,2)U。若金屬甲的截止頻率為ν甲＝eq\f(2,3)ν，金屬乙的截止頻率為ν乙，則ν甲∶ν乙為()A．2∶3 B．3∶4C．4∶3 D．3∶2C[設(shè)金屬甲的逸出功為W甲，逸出的光電子的最大初動能為Ek甲，金屬乙的逸出功為W乙，逸出的光電子的最大初動能為Ek乙，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程，對金屬甲，Ek甲＝hν－W甲，而Ek甲＝eU，W甲＝hν甲，ν甲＝eq\f(2,3)ν；對金屬乙，Ek乙＝hν－W乙，而Ek乙＝eq\f(3,2)eU，W乙＝hν乙，聯(lián)立解得ν甲∶ν乙＝4∶3，選項C正確。]考點2|原子結(jié)構(gòu)及能級躍遷1．定態(tài)間的躍遷——滿意能級差(1)從低能級(n小)eq\o(→,\s\up8(躍遷))高能級(n大)→汲取能量，hν＝En大－En小。(2)從高能級(n大)eq\o(→,\s\up8(躍遷))低能級(n小)→放出能量，hν＝En大－En小。2．氫原子電離電離態(tài)：n＝∞，E＝0。基態(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV。n＝2→電離態(tài)：E吸＝0－E2＝3.4eV。如汲取能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還具有動能。3．解決氫原子能級躍遷問題的四點技巧(1)原子躍遷時，所汲取或釋放的光子能量只能等于兩能級之間的能量差。(2)原子電離時，所汲取的能量可以大于或等于某一能級能量的肯定值，剩余能量為自由電子的動能。(3)一群原子和一個原子不同，一群原子從n能級向基態(tài)躍遷時輻射光子的種類N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)，一個氫原子從n能級向基態(tài)躍遷時，可能產(chǎn)生的光譜線條數(shù)最多為(n－1)。(4)計算能級能量時應(yīng)留意，因一般取無窮遠(yuǎn)處為零電勢參考面，故各個能級的能量值均為負(fù)值。[題組訓(xùn)練]1．(2024·全國卷Ⅰ·T14)氫原子能級示意圖如圖所示。光子能量在1.63eV～3.10eV的光為可見光。要使處于基態(tài)(n＝1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見光光子，最少應(yīng)給氫原子供應(yīng)的能量為()A．12.09eV B．10.20eVC．1.89eV D．1.51eVA[因為可見光光子的能量范圍是1.63eV～3.10eV，所以氫原子至少要被激發(fā)到n＝3能級，要給氫原子供應(yīng)的能量最少為E＝(－1.51＋13.60)eV＝12.09eV，即選項A正確。]2.(2024·常德一模)如圖所示為氫原子能級示意圖?，F(xiàn)有大量的氫原子處于n＝4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)向低能級躍遷時輻射出若干種不同頻率的光子，下列說法正確的是()A．最多可輻射出3種不同頻率的光子B．由n＝2躍遷到n＝1能級產(chǎn)生的光的頻率最小C．由n＝4躍遷到n＝1能級產(chǎn)生的光的波長最短D．用n＝3躍遷到n＝2能級輻射的光照耀逸出功為6.34eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng)C[處于n＝4能級的氫原子能放射eq\f(nn－1,2)＝6種頻率的光子，選項A錯誤；核外電子從高能級n向低能級m躍遷時，輻射的光子能量ΔE＝En－Em＝hν，能級差越大，光子的能量也越大，即光子的頻率越大，依據(jù)ν＝eq\f(c,λ)可知頻率越大，波長越??；由圖可知當(dāng)核外電子從n＝4能級躍遷到n＝3能級時，能級差最小，所以放出光子的能量最小，頻率最??；由n＝4躍遷到n＝1能級時，能級差最大，所以放出光子的能量最大，頻率最大，波長最短，選項C正確，B錯誤；由n＝3能級躍遷到n＝2能級輻射出的光的能量為ΔE＝－1.51eV－(－3.4)eV＝1.89eV，小于6.34eV，不能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，選項D錯誤。]3．氫原子光譜如甲圖所示，圖中給出了譜線對應(yīng)的波長，已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，玻爾的氫原子能級圖如乙圖所示，則下列說法錯誤的是()甲乙A．Hα譜線對應(yīng)光子的能量小于Hβ譜線對應(yīng)光子的能量B．甲圖所示的四種光均屬于可見光范疇C．Hβ對應(yīng)光子的能量約為10.2eVD．Hα譜線對應(yīng)的躍遷是從n＝3能級到n＝2能級C[Hα譜線的波長大于Hβ譜線的波長，故Hα譜線的頻率較小，Hα譜線對應(yīng)光子的能量小于Hβ譜線對應(yīng)光子的能量，故A正確；可見光的波長范圍在380～780nm左右，故B正確；Hβ譜線對應(yīng)光子的能量E＝eq\f(hc,λ)＝eq\f(6.63×10－34×3.0×108,486.27×10－9)J≈4.09×10－19J≈2.56eV，故C錯誤；Hα譜線對應(yīng)光子的能量為E＝eq\f(hc,λ)≈3.03×10－19J≈1.89eV，從n＝3能級到n＝2能級釋放的光子能量為(－1.51eV)－(－3.40eV)＝1.89eV，則Hα譜線對應(yīng)的躍遷是從n＝3能級到n＝2能級，故D正確。]考點3|核反應(yīng)方程及核能的計算1．核反應(yīng)的四種類型方程類型核反應(yīng)方程示例衰變α衰變：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(核內(nèi)2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He)β衰變：eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e(核內(nèi)eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e(核內(nèi)eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,1)e)γ輻射：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低能級人工核轉(zhuǎn)變eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(發(fā)覺質(zhì)子的核反應(yīng))eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(發(fā)覺中子的核反應(yīng))eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e(人工制造放射性同位素)重核的裂變eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n輕核的聚變eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n(須要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng))2.核反應(yīng)方程的書寫(1)核反應(yīng)過程一般不行逆，所以核反應(yīng)方程中用“→”表示方向而不能用等號代替。(2)核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，但核反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變更(質(zhì)量虧損)且釋放出核能。(3)核反應(yīng)的生成物肯定要以試驗為基礎(chǔ)，不能只依據(jù)兩個守恒規(guī)律憑空杜撰誕生成物來寫核反應(yīng)方程。3．核衰變問題(1)核衰變規(guī)律：m＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\f(1,2)))eq\s\up7(eq\f(t,T))m0，N＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\f(1,2)))eq\s\up7(eq\f(t,T))N0。(2)α衰變和β衰變次數(shù)的確定方法①方法一：由于β衰變不變更質(zhì)量數(shù)，故可以先由質(zhì)量數(shù)變更確定α衰變的次數(shù)，再依據(jù)電荷數(shù)守恒確定β衰變的次數(shù)。②方法二：設(shè)α衰變次數(shù)為x，β衰變次數(shù)為y，依據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒列方程組求解。4．核能的計算方法(1)依據(jù)ΔE＝Δmc2計算時，Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。(2)依據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV計算時，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(3)依據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能：原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能×核子數(shù)。[題組訓(xùn)練]1．核能是人類開發(fā)和利用的一種新能源，在用核能發(fā)電過程中產(chǎn)生的核廢料的處理給人類帶來極大的困擾，例如日本在不久前宣布將把數(shù)萬噸核反應(yīng)中的污水排放到太平洋中。污水中含有放射性物質(zhì)eq\o\al(137,55)Cs、eq\o\al(239,94)Pu等，其中eq\o\al(239,94)Pu由eq\o\al(239,92)U衰變而產(chǎn)生，eq\o\al(137,55)Cs的半衰期為30年。放射性物質(zhì)衰變時產(chǎn)生大量射線，會造成輻射污染，放射性物質(zhì)還可通過呼吸吸入，或通過皮膚傷口及消化道進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，使人體受到輻射損害。下列推斷正確的是()A．經(jīng)過60年銫原子核將不復(fù)存在B．溫度上升，eq\o\al(137,55)Cs的半衰期減小C．eq\o\al(239,92)U經(jīng)過2次β衰變產(chǎn)生eq\o\al(239,94)PuD．eq\o\al(239,92)U經(jīng)過1次α衰變產(chǎn)生eq\o\al(239,94)PuC[由半衰期公式N＝N0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\f(1,2)))eq\s\up7(eq\f(t,T))計算可知，選項A錯誤；放射性元素的半衰期由元素本身確定，與溫度無關(guān)，選項B錯誤；發(fā)生一次β衰變核子數(shù)不變，質(zhì)子數(shù)增加1，所以eq\o\al(239,92)U經(jīng)過2次β衰變產(chǎn)生eq\o\al(239,94)Pu，故選項C正確，D錯誤。]2．(2024·全國卷Ⅱ·T15)太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2ν已知eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量分別為mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c為光速。在4個eq\o\al(1,1)H轉(zhuǎn)變?yōu)?個eq\o\al(4,2)He的過程中，釋放的能量約為()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeVC[核反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，釋放的能量ΔE＝0.0286×931MeV＝26.6MeV，選項C正確。]3．(2024·全國卷Ⅱ·T18)氘核eq\o\al(2,1)H可通過一系列聚變反應(yīng)釋放能量，其總效果可用反應(yīng)式6eq\o\al(2,1)H→2eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n＋43.15MeV表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個，若全都發(fā)生聚變反應(yīng)，其釋放的能量與質(zhì)量為M的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時釋放的熱量相等；已知1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107J,1MeV＝1.6×10－13J，則M約為()A．40kg B．100kgC．400kg D．1000kgC[由核反應(yīng)方程知，1kg海水中的氘核全部發(fā)生聚變反應(yīng)放出的能量E＝eq\f(1.0×1022,6)×43.15×1.6×10－13J≈1.15×1010J，依據(jù)題意得M＝eq\f(E,E0)M0＝eq\f(1.15×1010,2.9×107)×1kg≈400kg，故A、