专题16 物理学史及近代物理（原卷版）

专题16物理学史及近代物理题型一光电效应【典例分析1】（2023·陕西商洛·统考一模）第十四届光电子产业博览会于2023年7月在北京国家会议中心举行，其中光电继电器是主要的展品之一，光电继电器可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等，其原理是光电效应。图为研究光电效应的电路，滑片P的初位置在O点的正上方，用频率为ν的光照射阴极K，将滑片P向a端移动，当电压表的示数为U时，微安表的示数恰好为0。已知普朗克常量为h，阴极K的截止频率为，光电子所带的电荷量为-e，则阴极K的逸出功为（）

A． B． C． D．【典例分析2】．（2023上·安徽·高三统考阶段练习）某氦氖激光器的发光功率为，能发射波长为的单色光，则（取普朗克常量，真空中光速）A．一个光子的能量为B．一个光子的能量为C．每秒发射的光子数为个D．每秒发射的光子数为个【方法提炼】求解光电效应问题的五个关系与四种图象(1)五个关系①逸出功W0一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。②入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。③爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0。④光电子的最大初动能Ek可以利用光电管用实验的方法测得，即Ek＝eUc，其中Uc为遏止电压。⑤光电效应方程中的W0为逸出功。它与极限频率νc的关系是W0＝hνc。(2)四种光电效应的图象图象名称图线形状由图线直接(或间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线(1)极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc(2)逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值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：图线与横轴交点的横坐标(2)饱和光电流Im：电流的最大值(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(2)饱和光电流(3)最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线(1)极限频率νc：图线与横轴的交点的横坐标值(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【变式演练】1.（2023上·浙江台州·高三校联考阶段练习）如图所示为研究光电效应的电路图，滑动变阻器的滑片初始时置于最左端，闭合开关后在电路中形成光电流。现将滑片从最左端向右移动滑动的过程中，光电流i与电压u的关系图正确的是（）A． B．C． D．2．（2023上·江苏泰州·高三校联考阶段练习）某实验小组用如图甲所示的实验装置探究不同金属发生光电效应时的实验规律，当用频率为v的入射光照射金属时电流表示数不为零，向右调节滑动变阻器的滑片P，直到电流表的示数刚好为零，此时电压表的示数为，该电压称为遏止电压，该实验小组得到与v的关系如图乙中的①所示，则下列有关说法中正确的是（）A．实验时电源的左端为正极B．分别用从氢原子能级2到1和能级3到1辐射的光照射金属得到遏止电压和，则C．换用不同的光照射逸出功更大的金属时，得到的关系可能如图乙中的②所示D．当滑片P向左滑动的过程中电流表的示数先增加后不变3．（2024下·北京顺义·高三牛栏山一中校考阶段练习）如图甲所示的电路，可用于研究光电效应中光电流大小与照射光的强弱、频率等物理量的关系。图中A、K两极间的电压大小可调，电源的正负极也可以对调。分别用a、b、c三束单色光照射，调节A、K间的电压U，得到光电流I与电压U的关系如图乙所示。由图可知（

）A．研究遏止电压时，电源左端应为负极B．单色光b光子的能量小于单色光a光子的能量C．单色光b的频率小于单色光a的频率D．单色光a和c的频率相同，但a光强度更强些4．（2023·广东广州·高三广州市第十六中学校考期末）光电效应实验，得到光电子最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示。普朗克常量、金属材料的逸出功分别为（）A．， B．， C．， D．，5．（2023上·广东深圳·高三统考期末）在光电效应实验中，分别用频率为、的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为和、光电子的最大初动能分别为和。h为普朗克常量。下列说法正确的是（）A．若，则一定有B．若，则一定有C．若，则一定有D．若，则一定有题型二原子结构和能级跃迁【典例分析1】（2023·贵州·校联考模拟预测）如图是氢原子的能级图，现有大量处于激发态的氢原子，下列说法正确的是（

）A．每个氢原子向低能级跃迁时，共发出3种频率的光B．这些氢原子向低能级跃迁时，共发出3种频率的光C．这些氢原子向低能级跃迁时需要吸收1.51eV的能量D．这些氢原子只有吸收13.6eV的光子时才能电离【典例分析2】．（2024·广西贵港·统考模拟预测）城市夜景因绽放的霓虹灯变得多姿多彩。霓虹灯发光原理是不同气体原子从高能级向低能级跃迁时发出能量各异的光子而呈现五颜六色，如图为氢原子的能级示意图，已知可见光光子能量范围为，若一群氢原子处于能级，则下列说法正确的是（）

A．这群氢原子自发跃迁时能辐射出4种不同频率的光B．这群氢原子从高能级向低能级跃迁时可能辐射出射线C．氢原子从能级向能级跃迁过程中发出的光为可见光D．这群氢原子自发跃迁时能辐射出3种不同频率的可见光【方法提炼】原子能级跃迁问题的解题技巧(1)原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差，即ΔE＝hν＝|E初－E末|。(2)原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值。(3)一群氢原子和一个氢原子不同，氢原子核外只有一个电子，这个电子在某时刻只能处在某一个确定的轨道上，在某段时间内，由这一轨道跃迁到另一较低能级轨道时，可能的情况只有一种，所以一个氢原子从n能级跃迁发射出光子的最多可能种类N＝n－1。但是如果有大量n能级的氢原子，它们的核外电子向低能级跃迁时就会有各种情况出现了，发射光子的种类N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)。(4)计算氢原子能级跃迁放出或吸收光子的频率和波长时，要注意各能级的能量值均为负值，且单位为电子伏，计算时需换算单位，1eV＝1.6×10－19J。(5)氢原子能量为电势能与动能的总和，能量越大，轨道半径越大，势能越大，动能越小。【变式演练】1.（2023上·河北·高三石家庄一中校联考期中）1885年巴耳末提出了巴耳末系公式，叫里德伯常量，在此基础上玻尔用能级全面打开了氢原子光谱的密码，其中一部分发光谱线的频率公式为，其中为氢原子基态能量，为氢原子激发态能量，且，h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，下列说法正确的是（）A．若用频率来表示巴耳末公式，则巴耳末公式为B．可以用巴耳末公式计算氢原子从能级向能级跃迁时放出的光子频率C．用玻尔的频率公式计算氢原子从能级向能级跃迁时放出的光子频率最大D．若氢原子从的能级向的能级跃迁时可得出之间满足的关系式为2．（2023上·河南新乡·高三长垣市第一中学校考阶段练习）如图所示为玻尔理论的氢原子能级图，当一群处于激发态能级的氢原子向低能级跃迁时，发出的光中有两种频率的光能使某种金属发生光电效应，以下说法中正确的是（）A．这群氢原子由能级向低能级跃迁时能发出6种不同频率的光B．这种金属的逸出功一定小于10.2eVC．用发出的波长最短的光照射该金属时产生光电子的最大初动能一定大于3.4eVD．由能级跃迁到能级时产生的光一定能够使该金属发生光电效应3．（2023下·江苏盐城·高三江苏省阜宁中学校考开学考试）如图为氢原子的能级图，已知可见光的光子能量范围约为1.62～3.11eV，以下说法正确的是（）A．氢原子从高能级向基态跃迁时可能发射γ光子B．用能量为11.0eV的光子激发处于基态的氢原子，可使其跃迁到激发态C．原子跃迁到低能级后电子动能增大D．处于n=2能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离题型三原子核的衰变、核反应与核能【典例分析1】．（2024·云南红河·统考一模）日本于2023年8月24日将福岛第一核电站核废水排入大海，对海洋生态造成恶劣影响。核废水中含有氚、锶90、铯137、碘129等放射性元素，其中铯137的半衰期约30年，衰变方程为。下列说法正确的是（）A．X是粒子B．X是粒子C．衰变过程中质量守恒D．100个铯137原子核经过30年后一定还有50个未衰变【典例分析2】．（2023上·江西赣州·高三校联考阶段练习）2023年，中国全超导托卡马克核反应实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。核技术于现代社会的应用非常广泛，人类对于核反应的研究已经覆盖到电力、医疗、军事、工业等各个领域，下列核反应方程中括号内的粒子为α粒子的是（

）A．（

） B．（

）C．（

） D．（

）【典例分析3】（2023·河南郑州·高三校考期中）静止在匀强磁场中的核发生α衰变，产生一个未知粒子x，它们在磁场中的运动径迹如图所示．下列说法正确的是（

）A．该核反应方程为B．粒子和粒子x在磁场中做圆周运动时转动方向相同C．轨迹1、2分别是粒子、x粒子的运动径迹D．粒子、x粒子运动径迹半径之比为45：1【方法提炼】1.原子核的衰变问题(1)衰变实质：α衰变是原子核中的2个质子和2个中子结合成一个氦核并射出；β衰变是原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子，再将电子射出；γ衰变伴随着α衰变或β衰变同时发生，不改变原子核的质量数与电荷数，以光子形式释放出衰变过程中的多余能量。(2)核衰变规律：，其中t为衰变的时长，τ为原子核的半衰期。衰变的快慢由原子核内部因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关；半衰期是统计规律，对个别、少数原子核无意义。(3)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。2．三种射线(1)α射线：穿透能力最弱，电离作用最强。(2)β射线：穿透能力较强，电离作用较弱。(3)γ射线：穿透能力更强，电离作用更弱。3．核反应方程(1)核反应方程遵循的规律核反应方程遵循质量数、电荷数守恒，但核反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)且释放出核能。核反应过程一般不可逆，所以核反应方程中用“→”表示方向而不能用等号代替。(2)核反应类型①衰变α衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heβ衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e②原子核的人工转变质子的发现：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H中子的发现：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n人工放射性同位素的发现：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)e③重核裂变例如：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。④轻核聚变例如：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n。4．核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程，用核反应的质量亏损的千克数乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)。(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)的能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5(MeV)。(3)如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能。【变式演练】1.（2023上·宁夏银川·高三校联考阶段练习）下面说法中，其中符合物理学发展过程或事实的选项是（）A．汤姆生发现了电子，并精确地测出电子的电荷量B．卢瑟福最先发现了质子，并预言中子的存在C．查德威克用粒子轰击获得核，并发现了中子D．+++3X，其中X为粒子2．（2024·安徽·校联考模拟预测）2023年8月24日，日本政府启动了福岛核污染水排海计划.核污染水中含有60余种放射性物质，这将对全球海洋环境和人类健康造成难以估量的影响.关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是（）A．大量放射性元素的原子核经过2个半衰期后，已衰变的原子核质量与未衰变原子核质量之比为3:1B．大量放射性元素的原子核经过2个半衰期后，已衰变的原子核质量与衰变前原子核质量之比为1:4C．大量放射性元素的原子核经过2个半衰期后，产生的新原子核质量与衰变前原子核质量之比为3:4D．放射性元素的半衰期夏天可能会比冬天的短3．（2023·广西南宁·南宁三中校考模拟预测）核能是蕴藏在原子核内部的能量。核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果，关于人类对原子核的认识中，下列说法正确的是（）A．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的“枣糕模型”B．原子核衰变过程中，电荷数和质量数都守恒C．已知的半衰期是87.7年，1000个经过87.7年后一定还剩余500个D．原子核的结合能越大，表示核子结合得越牢固，原子就越稳定4．（2023·海南省直辖县级单位·统考模拟预测）在匀强磁场中有一个静止的氡原子核（），由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的圆，大圆与小圆的直径之比为，如图所示，那么氡核的衰变方程应是下列方程中的哪一个（

）

A． B．C． D．5.（2023上·浙江·高三校联考阶段练习）硼中子俘获疗法是肿瘤治疗的新技术，其原理是进入肿瘤细胞内的硼核（）吸收慢中子，转变成锂核（）和X粒子，并释放出γ光子。已知γ光子的能量为E0，普朗克常量为h，真空中的光速为c，原子核比结核能与质量数关系图像如图所示，则下列说法正确的是（）A．该核反应属于β衰变 B．γ光子的动量为C．X粒子为 D．硼核的结合能大于X粒子的结合能题型四物理学史及物理学思想方法【典例分析1】（2023上·江苏扬州·高三扬州中学校考阶段练习）下列说法中正确的是（）A．单摆的等时性是由惠更斯首先发现的B．奥斯特发现了磁能生电C．麦克斯韦最先通过实验捕捉到了电磁波D．普朗克提出了能量子假说【典例分析2】（2023上·山东聊城·山东省聊城第三中学校考期末）在物理学发展过程中，科学家们运用了许多研究方法。下列说法正确的是（）A．重心、合力概念的提出，体现了等效思想B．用质点代替有形状和大小的物体的理想化模型法是不科学的C．牛顿的理想实验将实验和逻辑推理结合得出了力不是维持物体运动的原因D．根据平均速度的定义式，当时，就可以表示物体在时刻的瞬时速度，该定义运用了微元法【方法提炼】一重要物理思想方法归纳1．理想模型法为了便于进行物理研究或物理教学而建立的一种抽象的理想客体或理想物理过程，突出了事物的主要因素、忽略了事物的次要因素．理想模型可分为对象模型(如质点、点电荷、理想变压器等)、条件模型(如光滑表面、轻杆、轻绳、匀强电场、匀强磁场等)和过程模型(在空气中自由下落的物体、抛体运动、匀速直线运动、匀速圆周运动、恒定电流等)．2．极限思维法就是人们把所研究的问题外推到极端情况(或理想状态)，通过推理而得出结论的过程．在用极限思维法处理物理问题时，通常是将参量的一般变化推到极限值，即无限大、零值、临界值或特定值的条件下进行分析和讨论．如公式v＝eq\f(Δx,Δt)中，当Δt→0时，v是瞬时速度．3．理想实验法也叫作实验推理法，就是在物理实验的基础上，加上合理的科学的推理得出结论的方法就叫作理想实验法，这也是一种常用的科学方法．如由伽利略斜面实验推导出牛顿第一定律等．4．微元法微元法是指在处理问题时，从对事物的极小部分(微元)分析入手，达到解决事物整体目的的方法．它在解决物理学问题时很常用，思想就是“化整为零”，先分析“微元”，再通过“微元”分析整体．5．比值定义法就是用两个基本物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法，特点是A＝eq\f(B,C)，但A与B、C均无关．如a＝eq\f(Δv,Δt)、E＝eq\f(F,q)、C＝eq\f(Q,U)、I＝eq\f(q,t)、R＝eq\f(U,I)、B＝eq\f(F,IL)、ρ＝eq\f(m,V)等．6．放大法在物理现象或待测物理量十分微小的情况下，把物理现象或待测物理量按照一定规律放大后再进行观察和测量，这种方法称为放大法．常见的方式有机械放大、电放大、光放大．7．控制变量法决定某一个现象的产生和变化的因素很多，为了弄清事物变化的原因和规律，必须设法把其中的一个或几个因素用人为的方法控制起来，使它保持不变，研究其他两个变量之间的关系，这种方法就是控制变量法．比如探究加速度与力、质量的关系，就用了控制变量法．8．等效替代法在研究物理问题时，有时为了使问题简化，常用一个物理量来代替其他所有物理量，但不会改变物理效果．如用合力替代各个分力，用总电阻替代各部分电阻等．9．类比法也叫“比较类推法”，是指由一类事物所具有的某种属性，可以推测与其类似的事物也应具有这种属性的推理方法．其结论必须由实验来检验，类比对象间共有的属性越多，则类比结论的可靠性越大．如研究电场力做功时，与重力做功进行类比；认识电流时，用水流进行类比；认识电压时，用水压进行类比．二、重要物理学史归纳总结科学家国籍主要贡献伽利略意大利①1638年，论证较重物体不会比较轻物体下落得快；②伽利略理想实验指出：在水平面上运动的物体，若没有摩擦，将保持这个速度一直运动下去；③伽利略在教堂做礼拜时发现摆的等时性，惠更斯根据这个原理制成历史上第一座自摆钟；④伽利略在1683年出版的《两种新科学的对话》一书中，运用“观察→假设→数学推理”的方法，详细地研究了抛体运动牛顿英国①以牛顿三大运动定律为基础建立牛顿力学；②1687年在《自然哲学的数学原理》上发表万有引力定律，建立行星定律理论的基础开普勒德国17世纪提出开普勒三大定律卡文迪许英国1798年利用扭秤装置比较准确地测出了万有引力常量G库仑法国①1785年，库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律；②静电力常量的数值是在电荷量的单位得到定义之后，后人通过库仑定律计算得出的续表科学家国籍主要贡献密立根美国通过油滴实验测定了元电荷的数值，e＝1.6×10－19C富兰克林美国①解释了摩擦起电的原因；②通过风筝实验验证闪电是电的一种形式，把天电与地电统一起来，并发明避雷针欧姆德国通过实验得出欧姆定律昂尼斯荷兰大多数金属在温度降到某一值时，都会出现电阻突然降为零的现象——超导现象焦耳英国①与俄国物理学家楞次先后各自独立发现电流通过导体时产生热效应的规律，称为焦耳—楞次定律；②能量守恒定律的发现者之一楞次俄国1834年楞次确定感应电流方向的定律——楞次定律奥斯特丹麦1820年，发现电流可以使周围的磁针产生偏转，称为电流的磁效应洛伦兹荷兰提出运动电荷产生了磁场和磁场对运动电荷有作用力(洛伦兹力)的观点笛卡儿法国①在《哲学原理》中比较完整地第一次表述了惯性定律；②第一个明确地提出了“动量守恒定律”安培法国①发现了安培定则；②发现电流相互作用的规律；③提出分子电流假说法拉第英国①在1821年，法拉第在重复奥斯特“电生磁”实验时，制造出人类历史上第一台最原始的电动机；②1831年发现的电磁感应现象，使人类的文明跨进了电气化时代；③提出用电场线描述电场、用磁感线描述磁场亨利美国最大的贡献是在1832年发现自感现象卢瑟福英国①进行了α粒子散射实验，并提出了原子的核式结构模型；②用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子玻尔丹麦量子力学的先驱，吸取普朗克、爱因斯坦的量子概念，提出原子结构的玻尔理论贝克勒尔法国发现天然放射现象，说明原子核也有复杂的内部结构查德威克英国在α粒子轰击铍核时发现中子(原子核人工转变的实验)，由此人们认识到原子核的组成居里夫人法国发现了放射性更强的钋和镭【变式演练】1．（2023上·山西朔州·高三统考期末）下列说法不符合物理学史的是（）A．亚里士多德认为重的物体比轻的物体下落的快B．为“冲淡”重力，伽利略设计用斜面实验来研究小球的运动情况C．伽利略通过实验直接验证了自由落体运动的速度与下落时间成正比D．伽利略在研究自由落体运动过程中，把科学实验和逻辑推理结合起来2．（2023上·湖南长沙·高三长沙一中校考阶段练习）物理学的发展离不开科学家们的贡献，他们的发现和研究成果对生活生产产生了很大的影响。下列符合物理学史的是（）A．库仑通过油滴实验精确测定了元电荷e的数值B．奥斯特发现了电磁感应现象，法拉第发现了电流的磁效应C．通电螺线管的磁场与条形磁铁的磁场相似，安培由此受到启发提出分子电流假说D．牛顿提出了万有引力定律，并通过实验精确测量了引力常量G的数值3．（2023上·辽宁·高三校联考阶段练习）如图所示，小磁针水平放置于水平桌面上，一长直导线沿南北方向放置于小磁针的正上方，当在导线中通入某一方向的电流时，小磁针发生偏转，下列说法正确的是（）A．发现电流磁效应的科学家是法拉第B．只要导线沿南北方向放置，小磁针无论放在什么位置，都能发生偏转C．由奥斯特提出的分子电流假说可知，小磁针和电流产生磁场的本质相同D．若导线中通有由南向北的电流，小磁针静止时N极指向西偏北方向4．（2023上·四川遂宁·高三四川省蓬溪中学校校考阶段练习）“析万物之理，判天地之美”，了解物理规律的发现过程，学会像科学家那样观察和思考，往往比掌握知识本身更重要，以下符合事实的是（）A．麦克斯韦建立了电磁场理论，预言并通过实验证实了电磁波的存在B．库仑通过油滴实验精确测定了元电荷e的电荷量C．法拉第发现了电流的磁效应，拉开了研究电与磁相互关系的序幕D．焦耳发现了电流的热效应5．（2023上·江西抚州·高三临川一中校考期中）在物理学的发展过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类社会的进步，人类社会的进步又促进了物理学的发展，下列叙述中错误的是（

）A．奥斯特发现了电流的磁效应 B．赫兹首次用实验证实了电磁波的存在C．麦克斯韦提出了分子电流假说 D．法拉第发现了电磁感应现象6.（2023上·天津武清·高三天津市武清区杨村第一中学校考阶段练习）物理学是集科学知识、科学方法和科学思维为一体的学科。下列有关科学思维方法的叙述正确的是（）A．图甲所示，在观察桌面的微小形变时，运用了极限思维法B．图乙所示“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，运用了理想模型法C．图丙所示的“探究向心力大小与质量、角速度、轨道半径的关系”实验中，运用了类比法D．图丁为著名的伽利略斜面实验，运用了理想实验法7．（2023上·浙江丽水·高三校联考阶段练习）以下图形对应的物理方法正