高中物理二輪復(fù)習(xí)-第1部分-專題5-近代物理初步

真題情境2021·全國甲卷T172021·全國乙卷T17考情分析【命題分析】分析近3年的高考試題，光電效應(yīng)、氫原子能級(jí)躍遷、核反應(yīng)方程與核能的計(jì)算是命題重點(diǎn)，一般以選擇題為主，難度不大，考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握?！舅仞B(yǎng)要求】1．掌握光電效應(yīng)現(xiàn)象的兩個(gè)重要關(guān)系。2．氫原子的能級(jí)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(jì)算。必備知識(shí)突破點(diǎn)一|光電效應(yīng)及其規(guī)律1．光電效應(yīng)的四類圖象圖象名稱圖象形狀由圖象直接(或間接)得到的物理量最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象Ek＝hν－W0(1)極限頻率：圖象與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc；(2)逸出功：圖象與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的絕對(duì)值W0＝|－E|＝E；(3)普朗克常量：圖象的斜率k＝h顏色相同、強(qiáng)度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系圖象(1)遏止電壓Uc：圖象與橫軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)；(2)飽和光電流Im：電流的最大值；(3)最大初動(dòng)能：Ek＝eUc顏色不同時(shí)，光電流與電壓的關(guān)系圖象(1)遏止電壓Uc1、Uc2；(2)飽和光電流；(3)最大初動(dòng)能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖象Uc＝eq\f(h,e)ν－eq\f(W0,e)(1)極限頻率νc：圖象與橫軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；(2)遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大；(3)普朗克常量h：等于圖象的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke2．應(yīng)用規(guī)律解決光電效應(yīng)問題牢牢抓住——“兩對(duì)應(yīng)”、“三關(guān)系”、“四提醒”(1)四點(diǎn)提醒：①能否發(fā)生光電效應(yīng)不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率。②光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。③逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān)。④光電子不是光子，而是電子。(2)兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系：①光強(qiáng)大→光子數(shù)目多→發(fā)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(dòng)能大。(3)三個(gè)關(guān)系式：①愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。②最大初動(dòng)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。[典例1](多選)(廣東2021·深圳調(diào)研)如圖甲所示是研究光電效應(yīng)的電路圖。某同學(xué)利用該裝置在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流I與A、K兩極之間的電壓UAK的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖乙所示。下列說法正確的是()甲乙A．甲光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動(dòng)能一定小于丙光照射光電管發(fā)出光電子的最大初動(dòng)能B．單位時(shí)間內(nèi)甲光照射光電管發(fā)出的光電子比乙光照射時(shí)發(fā)出的少C．用強(qiáng)度相同的甲、丙光照射該光電管，則單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)相等D．對(duì)于不同種金屬，若照射光頻率不變，則逸出光電子的最大初動(dòng)能與金屬的逸出功為線性關(guān)系A(chǔ)D[當(dāng)光照射到K極時(shí)，如果照射光的頻率足夠大(大于K極金屬的極限頻率)，就會(huì)從K極發(fā)出光電子。當(dāng)反向電壓增加到某一值時(shí)，電流表A中電流就會(huì)變?yōu)榱?，此時(shí)eq\f(1,2)mev2＝eUc，式中v表示光電子的最大初速度，e為電子的電荷量，Uc為遏止電壓，丙光對(duì)應(yīng)的遏止電壓較大，可知丙光產(chǎn)生光電子的最大初動(dòng)能較大，選項(xiàng)A正確；對(duì)于甲、乙兩束頻率相同的光來說，甲光強(qiáng)度比乙光強(qiáng)度大，所以單位時(shí)間內(nèi)甲光照射光電管發(fā)出的光電子比乙光照射時(shí)發(fā)出的多，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；光強(qiáng)相同是單位時(shí)間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子的總能量相等，由于丙光的光子頻率較高，每個(gè)光子的能量較大，所以單位時(shí)間內(nèi)照射到光電管單位面積上的光子數(shù)就較少，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光電子數(shù)就較少，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；對(duì)于不同金屬，若照射光頻率不變，根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，可知逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek與金屬的逸出功為線性關(guān)系，選項(xiàng)D正確。][考向預(yù)測]1．(2021·山東省泰安市高三一輪檢測)單色光B的頻率為單色光A的1.5倍，單色光A照射到某金屬表面時(shí)，從金屬表面逸出的光電子最大初動(dòng)能為E1；單色光B照射到該金屬表面時(shí)，從金屬表面逸出的光電子最大初動(dòng)能為E2，則該金屬的逸出功為()A．2E2－3E1 B．2E1－3E2C．E2－1.5E1 D．eq\f(E2＋E1,2)A[本題考查愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用。由題意可知νB＝1.5νA，單色光A照射到金屬表面時(shí)，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可得hνA＝W0＋E1，單色光B照射到金屬表面時(shí)，hνB＝W0＋E2，聯(lián)立上面的三式可得W0＝2E2－3E1，故A正確。]2．(2021·江蘇鹽城聯(lián)考)一光電管的陰極用極限波長λ0＝500nm的鈉制成。用波長λ＝300nm的紫外線照射陰極，光電管陽極A和陰極K之間的電勢差U＝2.1V，電源的正、負(fù)極分別接光電管的陽極、陰極。(1)求電子到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能；(2)如果電勢差U不變，而照射光的強(qiáng)度增到原值的3倍，此時(shí)電子到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能是多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，電子的電荷量e＝1.6×10－19C，光速c＝3×10[解析](1)由愛因斯坦光電效應(yīng)方程得E＝hν－W0＝eq\f(hc,λ)－eq\f(hc,λ0)≈2.65×10－19J再由動(dòng)能定理可知，在陰極K逸出的電子經(jīng)過電勢差為U的電場加速，到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能為Ekmax＝E＋eU＝6.01×10－19J。(2)當(dāng)光的強(qiáng)度增到原值的3倍時(shí)，電子到達(dá)A極時(shí)的最大動(dòng)能不變。[答案](1)6.01×10－19J(2)6.01×10－19J突破點(diǎn)二|原子結(jié)構(gòu)及能級(jí)躍遷1．定態(tài)間的躍遷——滿足能級(jí)差(1)從低能級(jí)(n小)eq\o(→,\s\up7(躍遷))高能級(jí)(n大)→吸收能量，hν＝En大－En小。(2)從高能級(jí)(n大)eq\o(→,\s\up7(躍遷))低能級(jí)(n小)→放出能量，hν＝En大－En小。2．氫原子電離電離態(tài)：n＝∞，E＝0?；鶓B(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV。n＝2→電離態(tài)：E吸＝0－E2＝3.4eV。如吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還具有動(dòng)能。3．解決氫原子能級(jí)躍遷問題的四點(diǎn)技巧(1)原子躍遷時(shí)，所吸收或釋放的光子能量只能等于兩能級(jí)之間的能量差。(2)原子電離時(shí)，所吸收的能量可以大于或等于某一能級(jí)能量的絕對(duì)值，剩余能量為自由電子的動(dòng)能。(3)一群原子和一個(gè)原子不同，一群原子從n能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)輻射光子的種類N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)，一個(gè)氫原子從n能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)，可能產(chǎn)生的光譜線條數(shù)最多為(n－1)。(4)計(jì)算氫原子能級(jí)躍遷放出或吸收光子的頻率和波長時(shí)，要注意各能級(jí)的能量值均為負(fù)值，且單位為電子伏，計(jì)算時(shí)需換算單位，1eV＝1.6×10－19J。[典例2](2021·湖南長郡中學(xué)月考)氫原子從能級(jí)m躍遷到能級(jí)n時(shí)輻射紅光的頻率為ν1，從能級(jí)n躍遷到能級(jí)k時(shí)吸收紫光的頻率為ν2，已知普朗克常量為h，若氫原子從能級(jí)k躍遷到能級(jí)m，則()A．吸收光子的能量為hν1＋hν2B．輻射光子的能量為hν1＋hν2C．吸收光子的能量為hν2－h(huán)ν1D．輻射光子的能量為hν2－h(huán)ν1D[氫原子從能級(jí)m躍遷到能級(jí)n時(shí)輻射紅光，說明能級(jí)m高于能級(jí)n，而從能級(jí)n躍遷到能級(jí)k時(shí)吸收紫光，說明能級(jí)k也比能級(jí)n高，而紫光的頻率ν2大于紅光的頻率ν1，所以hν2>hν1，因此能級(jí)k比能級(jí)m高，能級(jí)示意圖如圖所示，所以若氫原子從能級(jí)k躍遷到能級(jí)m，應(yīng)輻射光子，且光子能量應(yīng)為hν2－h(huán)ν1，選項(xiàng)D正確。]反思感悟：(1)求解本題的關(guān)鍵是根據(jù)氫原子能級(jí)圖的特點(diǎn)分析求解，即依題意作出能級(jí)躍遷草圖，要注意紫光的頻率大于紅光的頻率。(2)要區(qū)分是一個(gè)氫原子還是一群氫原子，一個(gè)氫原子從n能級(jí)躍遷到低能級(jí)可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為(n－1)種，一群氫原子從n能級(jí)躍遷到低能級(jí)可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為eq\f(nn－1,2)種。[考向預(yù)測]3．氫原子的能級(jí)圖如圖所示。用氫原子從n＝4能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射的光照射逸出功為6.34eV的金屬鉑，下列說法正確的是()A．產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為6.41eVB．產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為12.75eVC．氫原子從n＝2能級(jí)向n＝1能級(jí)躍遷時(shí)輻射的光不能使金屬鉑發(fā)生光電效應(yīng)D．氫原子從n＝6能級(jí)向n＝2能級(jí)躍遷時(shí)輻射的光也能使金屬鉑發(fā)生光電效應(yīng)A[從n＝4能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射的光子能量為－0.85eV－(－13.6eV)＝12.75eV，產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能為Ek＝hν－W0＝12.75eV－6.34eV＝6.41eV，故A正確，B錯(cuò)誤；氫原子從n＝2能級(jí)向n＝1能級(jí)躍遷時(shí)輻射的光子能量為10.2eV，能使金屬鉑發(fā)生光電效應(yīng)，故C錯(cuò)誤；氫原子從n＝6能級(jí)向n＝2能級(jí)躍遷時(shí)輻射的光子能量小于3.4eV，即小于金屬鉑的逸出功，故不能發(fā)生光電效應(yīng)，故D錯(cuò)誤。]4．氫原子光譜如甲圖所示，圖中給出了譜線對(duì)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(jí)圖如乙圖所示，則下列說法錯(cuò)誤的是()甲乙A．Hα譜線對(duì)應(yīng)光子的能量小于Hβ譜線對(duì)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(duì)應(yīng)光子的能量約為10.2eVD．Hα譜線對(duì)應(yīng)的躍遷是從n＝3能級(jí)到n＝2能級(jí)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(duì)應(yīng)光子的能量小于Hβ譜線對(duì)應(yīng)光子的能量，故A正確；可見光的波長范圍在400～760nm左右，故B正確；Hβ譜線對(duì)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(cuò)誤；Hα譜線對(duì)應(yīng)光子的能量為E＝eq\f(hc,λ)≈3.03×10－19J≈1.89eV，從n＝3能級(jí)到n＝2能級(jí)釋放的光子能量為(－1.51eV)－(－3.40eV)＝1.89eV，則Hα譜線對(duì)應(yīng)的躍遷是從n＝3能級(jí)到n＝2能級(jí)，故D正確。]突破點(diǎn)三|核反應(yīng)方程及核能的計(jì)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?chǔ)了プ儯篹q\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(jí)，輻射光子后躍遷到低能級(jí)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)現(xiàn)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)現(xiàn)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(需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng))2．核反應(yīng)方程的書寫(1)核反應(yīng)過程一般不可逆，所以核反應(yīng)方程中用“→”表示方向而不能用等號(hào)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(huì)發(fā)生變化(質(zhì)量虧損)且釋放出核能。(3)核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不能只依據(jù)兩個(gè)守恒規(guī)律憑空杜撰出生成物來寫核反應(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(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,T))m0，N＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(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衰變不改變質(zhì)量數(shù)，故可以先由質(zhì)量數(shù)改變確定α衰變的次數(shù)，再根據(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，根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒列方程組求解。4．核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計(jì)算時(shí)，Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。(2)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV計(jì)算時(shí)，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計(jì)算核能：原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能×核子數(shù)。[典例3](2021·全國甲卷)如圖，一個(gè)原子核X經(jīng)圖中所示的一系列α、β衰變后，生成穩(wěn)定的原子核Y，在此過程中放射出電子的總個(gè)數(shù)為()A．6B．8C．10D．14A[X的中子數(shù)為146，質(zhì)子數(shù)為92，質(zhì)量數(shù)為146＋92＝238，Y的中子數(shù)為124，質(zhì)子數(shù)為82，質(zhì)量數(shù)為124＋82＝206，質(zhì)量數(shù)減少238－206＝32，發(fā)生α衰變的次數(shù)為32÷4＝8，發(fā)生β衰變的次數(shù)為82＋2×8－92＝6，即在此過程中放射出電子的總個(gè)數(shù)為6，A正確。][考向預(yù)測]5．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(shí)產(chǎn)生大量射線，會(huì)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，使人體受到輻射傷害。下列判斷正確的是()A．經(jīng)過60年銫原子核將不復(fù)存在B．溫度升高，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(\f(1,2)))eq\s\up12(eq\f(t,T))計(jì)算可知，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；放射性元素的半衰期由元素本身決定，與溫度無關(guān)，選項(xiàng)B錯(cuò)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(23