新教材2024高考物理二轮专题复习第一编专题复习攻略专题七近代物理第14讲近代物理教师用书

第14讲近代物理知识网络构建命题分类剖析命题点一光电效应现象及规律的应用1．三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0.(2)最大初动能与遏止电压：Ek＝eUc.(3)逸出功与极限频率：W0＝hνc.2．两条线索(1)光强大→光子数目多→发射光电子数多→光电流大．(2)光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．3．四类图像图像名称图像形状由图像得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系Ek＝hν－hνc(1)截止频率：ν轴截距νc(2)逸出功：Ek轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E(3)普朗克常量：图线的斜率k＝h颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系(1)遏止电压Uc：横轴截距的绝对值(2)饱和光电流Im：光电流的最大值；光照强度越强，Im越大(3)最大初动能：Ek＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系(1)遏止电压Uc1>Uc2，则ν1>ν2(2)饱和光电流Im(3)最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系(1)截止频率νc：横轴截距(2)遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大(3)普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke考向1光电效应电路与光电效应方程的应用例1[2023·浙江1月](多选)氢原子从高能级向低能级跃迁时，会产生四种频率的可见光，其光谱如图1所示．氢原子从能级6跃迁到能级2产生可见光Ⅰ，从能级3跃迁到能级2产生可见光Ⅱ．用同一双缝干涉装置研究两种光的干涉现象，得到如图2和图3所示的干涉条纹．用两种光分别照射如图4所示的实验装置，都能产生光电效应．下列说法正确的是()A．图1中的Hα对应的是ⅠB．图2中的干涉条纹对应的是ⅡC．Ⅰ的光子动量大于Ⅱ的光子动量D．P向a移动，电流表示数为零时Ⅰ对应的电压表示数比Ⅱ的大考向2光电效应图像例2图甲是研究光电效应的实验原理图，从实验得到的某种金属的遏止电压Uc和入射光频率ν的数据，做出图乙所示的Uc­ν的图像，则下列说法正确的是()A．从图乙可知遏止电压大小与入射光的频率成正比，由入射光的频率决定B．用频率为ν1C．如果只改变电压的正负极，则电压越大电路中的饱和电流就越大D．根据图乙的数据，可以计算出普朗克常量h＝Uc2-U提升训练1.小李利用如图一所示的装置研究光电效应实验，用甲、乙、丙三条可见光照射同一光电管，得到如图二所示的三条光电流与电压的关系曲线．下列说法中正确的是()A．同一光电管对不同单色光的极限频率不同B．电流表A的电流方向一定是a流向bC．甲光对应的光电子最大初动能最大D．如果丙光是紫光，则乙光可能是黄光2.[2023·杭州二模试卷]用如图所示实验装置研究光电效应的规律，得到如表所示的实验数据，由此可知()光的颜色绿色紫色光的波长λ/nm546410强度较低强度较高反向电压U/V光电流I/μA光电流I/μA光电流I/μA0．0010.48.514.80．024.06.711.90．040.04.88.90．060.03.06.0A.单位时间逸出的电子数与入射光的强度有关B．用绿光实验时，遏止电压一定是0.04VC．用强度较高紫光实验时，饱和电流大小为14.8μAD．不同颜色的光照射时，材料的逸出功不同3．[2023·北京东城统考二模]某光源发出的光由不同波长的光组成．不同波长的光的强度(表示光的强弱)如图所示．使金属恰好发生光电效应的光的波长，称为极限波长．表中为一些金属的极限波长．用该光源照射表中金属表面，则()材料铂钨钠极限波长(nm)196274542A.只有钠表面有电子逸出B．只有铂表面有电子逸出C．钨、铂表面均有电子逸出D．铂、钨、钠表面均有电子逸出命题点二玻尔理论和能级1．玻尔理论的三条假设轨道量子化核外电子只能在一些分立的轨道上运动能量量子化原子只能处于一系列不连续的能量状态，En＝1n2E1(n＝1，2吸收或辐射能量量子化原子在两个能级之间跃迁时只能吸收或辐射一定频率的光子，hν＝En－Em(m＜n)2.两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子．①辐射光子的频率ν＝ΔEh＝②大量氢原子处于量子数为n的激发态时，可辐射光子的种类N＝Cn2＝③一个处于激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可以辐射(n－1)种频率的光子．(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差ΔE.②碰撞：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外≥ΔE.③大于电离能的光子被吸收，原子被电离．例1[2023·辽宁卷]原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂．某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④.若用①照射某金属表面时能发生光电效应，且逸出光电子的最大初动能为Ek，则()A．①和③的能量相等B．②的频率大于④的频率C．用②照射该金属一定能发生光电效应D．用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek例2[2024·广东佛山检测]为了更形象地描述氢原子能级和氢原子轨道的关系，作出如图所示的能级轨道图，处于n＝4能级的氢原子向n＝2能级跃迁时辐射出可见光a，处于n＝3能级的氢原子向n＝2能级跃迁时辐射出可见光b，则以下说法正确的是()A．a光照射逸出功为2.14eV的金属时，光电子的最大初动能为0.41eVB．a光的波长比b光的波长长C．辐射出b光时，电子的动能和电势能都会变大D．一个处于n＝4能级的氢原子自发跃迁可释放6种频率的光提升训练1.如图甲所示是莴苣种子萌发率与照射光的波长的关系图像，如图乙所示是氢原子的能级图．已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，元电荷e＝1.6×10－19C，真空中光速c＝3×108m/s，用一群处于n＝4能级的氢原子跃迁发出的不同波长的光分别照射莴苣种子，使种子萌发率最高的是()A．从n＝4能级跃迁到n＝3能级释放的光B．从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光C．从n＝4能级跃迁到n＝2能级释放的光D．从n＝2能级跃迁到n＝1能级释放的光2．[2024·成都诊断性检测](多选)氢原子光谱如图甲所示，其中Hα、Hβ、Hγ、Hδ是可见光区的四条谱线．由玻尔原子模型求得的氢原子能级如图乙所示，下列说法正确的是()A．玻尔原子理论的成功之处是第一次将量子观念引入原子领域B．氢原子从高能级向低能级跃迁时可能辐射出γ射线C．氢原子从n＝6的能级向n＝2的能级跃迁时会辐射出紫外线D．如果Hα、Hβ、Hγ、Hδ中只有一种能使某金属产生光电效应，那一定是Hδ3．[2023·金华十校4月模考](多选)如图所示，图甲为氢原子的能级图，大量处于n＝3激发态的氢原子跃迁时，发出频率不同的大量光子，其中频率最高的光子照射到图乙电路中光电管阴极K上时，电路中电流随电压变化的图像如图丙所示．下列说法正确的是()A．光电管阴极K金属材料的逸出功为7.0eVB．这些氢原子跃迁时共发出3种频率的光C．若调节滑动变阻器滑片能使光电流为零，则可判断图乙中电源右侧为正极D．氢原子跃迁放出的光子中共有2种频率的光子可以使阴极K发生光电效应现象命题点三衰变、核反应与核能的计算1．核衰变问题(1)核衰变规律：m＝.(2)α衰变和β衰变次数的确定方法①方法一：由于β衰变不改变质量数，故可以先由质量数改变确定α衰变的次数，再根据电荷数守恒确定β衰变的次数．②方法二：设α衰变次数为x，β衰变次数为y，根据质量数和电荷数守恒列方程组求解．2．核能(1)核能获取的三种途径①重核裂变：例如(92②轻核聚变：例如12③核子结合成原子核放出核能：例如11(2)核能计算的三种方法①根据ΔE＝Δmc2计算时，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．②根据ΔE＝Δm×931.5MeV计算时，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．③如果核反应时释放的核能全部是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增加量即为释放的核能．考向1原子核的衰变例1[2023·浙江6月]“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜．核电池将94238Pu衰变释放的核能一部分转换成电能.94238Pu的衰变方程为94238A．衰变方程中的X等于233B.24HeC.94238Pu比D．月夜的寒冷导致94238Pu考向2核反应例2[2023·湖南卷]2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是()A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多B．氘氚核聚变的核反应方程为12H+13HC．核聚变的核反应燃料主要是铀235D．核聚变反应过程中没有质量亏损考向3核能例3[2023·浙江省十校联考](多选)由俄罗斯、比利时和德国科学家组成的国际科研小组，首次在实验中观察到了中子衰变的新方式——放射β衰变，即一个自由中子衰变成质子(11p)和电子(-10e)同时放出质量可视为零的反中微子(00νe)．该科研成果对粒子物理的研究有重要意义．已知电子质量me＝9.1×10－31kg＝0.51MeV/c2，中子质量mn＝939.57MeV/c2，质子质量mp＝938.27MeV/c2(c为光速，不考虑粒子之间的相互作用)．若某次一个静止的中子衰变中放出的质子动量p＝3×A．强相互作用是中子衰变成质子和电子的原因B．中子衰变的核反应式为01nC．中子衰变过程中电子和反中微子的总动能为0.7468MeVD．中子衰变过程中放出的质子和电子，两者的动量大小相等方向相反提升训练1.我国自主第三代核电“华龙一号”全球第4台机组于2022年3月在巴基斯坦并网发电．中国核电推动我国“双碳”目标实现的同时，也为全球核电安全树立了标杆．关于核能，以下说法正确的是()A．核能是来自化学变化释放的能量B．核能是原子核结构发生变化时释放的能量C．核能还不是安全、干净的能源D．我国核电站利用了核聚变反应释放的能量2．[2023·浙江省杭州市测试](多选)14C发生放射性衰变为14N和粒子X，半衰期约为5700年．已知14C、14N、X的质量分别为m1、m2、m3，14C、14N的比结合能分别为E1和E2，真空中的光速为c.植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减少．下列说法正确的是()A．粒子X为电子B．全球变暖将加速14C的衰变C．14E1－14E2＝(m1－m2－m3)c2D．若某古木样品中14C的比例正好是现代植物样品的四分之一．该古木的年代距今约为11400年3．[2023·全国乙卷]2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献．由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048J.假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108m/s)()A．1019kgB．1024kgC．1029kgD．1034kg第14讲近代物理命题分类剖析命题点一[例1]解析：氢原子发生能级跃迁，由Em－En＝hν＝hcλ可知，可见光Ⅰ的频率大，波长小，可见光Ⅱ的频率小，波长大．图1中的Hα是四种可见光中频率最小的，故不可能是可见光Ⅰ，A错误；图2的干涉条纹的间距比图3干涉条纹的间距窄，由Δx＝Ldλ可知图2对应的是波长较小的光，即Ⅰ，B错误；由公式p＝hλ可知，Ⅰ的光子动量大于Ⅱ的光子动量，C正确；P向a移动，电流表示数为零时，有eUc＝Ekm，又Ekm＝hν－W0，整理得eUc＝hν－W0，显然入射光的频率越大，电压表的示数越大，所以Ⅰ对应的电压表示数比Ⅱ答案：CD[例2]解析：由动能定理及光电效应方程可得eUc＝12mv2＝hν－W化简可得Uc＝heν－可知遏止电压大小与入射光的频率是一次函数关系，不成正比，故A错误；当Uc＝0时，恰好发生光电效应，对应频率为极限频率，即图线与横轴交点，由题中数据无法确定该值与ν12关系，故饱和光电流只与入射光强度有关，与所加电压无关，故C错误；将图中数据代入光电效应方程有，Uc1＝heν1－WUc2＝heν2－解得：h＝U其中e为电子的电荷量，故D正确．答案：D[提升训练]1．解析：同一种金属，截止频率是相同的，故A错误．光电子从光电管的阴极K逸出，流过电流表G的电流方向为a到b，故B正确．根据eUc＝Ekm，乙光的遏止电压最大，则所产生光电子的最大初动能最大，故C错误．由图可知乙光的遏止电压大于丙，则根据eUc＝Ekm＝hν－hν0，则乙的频率大于丙的频率，若丙光为紫光，则乙光不可能是黄光，故D错误．答案：B2．解析：根据不同强度的紫光照射时电流大小，可知单位时间逸出的电子数与入射光的强度有关，故A正确；用绿光实验时，遏止电压在0.02V～0.04V之间，不一定是0.04V，故B错误；用强度较高紫光实验时，不能确定饱和电流大小是否为14.8μA，故C错误；逸出功W0＝hν0(ν0是截止频率)是由金属的性质决定的，与入射光频率无关，故D错误．答案：A3．解析：根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0＝hcλ－W只要光的波长小于某金属的极限波长，就有光电子逸出，由题图可知，该光源发出的光的波长大约在400nm到800nm之间，而三种材料中，极限频率最小的钠的极限波长是542nm，在400nm到800nm之间，所以该光源能使钠产生光电效应；该光源发出的光的波长大于钨、铂的极限波长，钨、铂表面没有电子逸出．故A正确，BCD错误．故选A.答案：A命题点二[例1]解析：由图可知①和③对应的跃迁能级差相同，可知①和③的能量相等，选项A正确；因②对应的能级差小于④对应的能级差，可知②的能量小于④的能量，根据E＝hν可知②的频率小于④的频率，选项B错误；因②对应的能级差小于①对应的能级差，可知②的能量小于①，②的频率小于①，则若用①照射某金属表面时能发生光电效应，用②照射该金属不一定能发生光电效应，选项C错误；因④对应的能级差大于①对应的能级差，可知④的能量大于①，即④的频率大于①，因用①照射某金属表面时能逸出光电子的最大初动能为Ek，根据Ekm＝hν－W逸出功，则用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek，选项D错误．故选A.答案：A[例2]解析：a光的光子能量Ea＝E4－E2＝2.55eVb光的光子能量Eb＝E3－E2＝1.89eV根据E＝hc可知λb>λa，B错误；a光照射逸出功W0＝2.14eV的金属时，由于Ea>W0能发生光电效应，光电子的最大初动能Ek＝Ea－W0＝0.41eV，A正确；辐射出b光时，电子做圆周运动的半径减小，动能增加，电场力做正功，电势能减小，C错误；一个处于n＝4能级的氢原子自发跃迁时，释放出不同频率光的种类最多的情况为n＝4→n＝3→n＝2→n＝1，即最多能释放3种频率的光，D错误．故选A.答案：A[提升训练]1．解析：由图甲可知，用波长在600nm到700nm之间的光照射莴苣种子，种子的萌发率最高，根据E＝hcλ可得光子的能量范围为1.78～2.07eV，用一群处于n＝4能级的氢原子跃迁发出的不同波长的光分别照射莴苣种子，根据氢原子能级图可知只有从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子的能量，在所计算的能量范围内，故B答案：B2．解析：由物理学史可知，玻尔原子理论的成功之处是第一次将量子观念引入原子领域，A正确；γ射线是原子核受激发产生的，故氢原子从高能级向低能级跃迁时不可能辐射出γ射线，B错误；氢原子在n＝6的能量为E6＝－E162＝－0.38eV，则氢原子从n＝6的能级向n＝2的能级跃迁放出的能量为ΔE＝E6－E2＝3.02eV，根据ΔE＝hcλ解得λ＝411.6nm，由图甲可知，该波长在可见光范围内，故不会辐射出紫外线，C错误；由于发生光电效应与入射光的频率有关，频率越大，越容易发生光电效应，因为波长越短，频率越大，Hδ的波长最短，其频率最大，故如果Hα、Hβ、Hγ、Hδ中只有一种能使某金属产生光电效应，那一定是H答案：AD3．解析：由图甲可知，大量处于n＝3激发态的氢原子跃迁时，发出频率最高的光子的能量为E＝E3－E1＝12.09eV，根据图丙可知，遏止电压为Uc＝7V，则光电子的最大初动能Ek＝eUc＝7eV，根据光电效应方程Ek＝E－W0，则光电管阴极K金属材料的逸出功为W0＝E－eUc＝5.09eV，A错误；根据排列组合的规律可知，大量处于n＝3激发态的氢原子跃迁时，共发出3种频率的光，B正确；光电子由阴极K向对面的极板运动，形成光电流，要阻止该电流，需要接反向电压，则可判断图乙中电源左侧为正极，C错误；通过A分析可知，只要光电子的能量大于5.09eV，就可以使阴极K发生光电效应现象，由图甲可知，大量处于n＝3激发态的氢原子跃迁时，有2种