高考物理一轮复习讲义专题16.1　原子结构和波粒二象性（原卷版）

专题16.1原子结构和波粒二象性【讲】【讲核心素养】课程标准内容及要求核心素养及关键能力核心素养关键能力1.了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。模型构建物理建模能力2.通过实验，了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。物理规律分析计算能力3.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。模型构建物理建模能力【讲考点题型】【知识点一】光电效应现象和方程的应用1.对光电效应的四点提醒(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。(2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。(4)光电子不是光子，而是电子。2.两条对应关系(1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→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→遏止电压大。3.定量分析时应抓住三个关系式(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的关系：Ek＝eUc。(3)逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc。【例1】（2022·江西省乐平中学高三开学考试）大量处于n=3能级的氢原子跃迁能辐射出多种光子，若将其中能量为12.09eV的光子照射到如图的极板K上，合上开关，调节滑动变阻器的滑片P，发现当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数才为零，则极板K金属材料的逸出功为（）A．0.60eV B．11.49eV C．12.09eV D．12.69eV【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念及科学思维。【变式训练1】（2022·江苏苏州·三模）如图所示，是研究光电效应的实验装置，某同学进行了如下操作。（i）用频率为v1的光照射光电管，此时电流表中有电流。调节滑动变阻器，使微安表示数恰好变为0，记下此时电压表的示数U1。（ii）用频率为v2的光照射光电管，重复（i）中的步骤，记下电压表的示数U2。已知电子的电荷量为e。（1）滑动头P向b滑动过程中电流表中的电流如何变化？（2）请根据实验结果推导普朗克常量的计算式。【技巧总结】区分光电效应中的三组概念(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。光子是因，光电子是果。(2)光电子的动能与光电子的最大初动能。(3)光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。【知识点二】会分析光电效应的图像问题图像名称图线形状由图线直接(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νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E③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：图线与横轴的交点的横坐标②饱和光电流Im1、Im2：光电流的最大值③最大初动能：Ek＝eUc光的颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②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(注：此时光电管两极之间接反向电压)【例2】（2022·江苏省昆山中学模拟预测）如图所示为氢原子的能级图。一群氢原子处于量子数n=4的能级状态，用n=4的能级跃迁到n=2的能级辐射的光子照射某种金属，测得光电流与电压的关系如图所示，求：（1）光电管阴极金属的逸出功W0；（2）已知电子的质量m=9.1×10-31kg、电荷量e=1.6×10-19C，普朗克常量h=6.63×10-34J·S，求光电子所对应物质质的最短波长SKIPIF1<0。（结果保留1位有效数字）【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练2】（多选）（2022·云南省玉溪第一中学高三开学考试）如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能Ek与入射光频率SKIPIF1<0的关系图像，由图像可知（）A．该金属的逸出功等于EB．普朗克常量等于SKIPIF1<0C．入射光的频率为SKIPIF1<0时，产生的电子的最大初动能为2ED．入射光的频率为SKIPIF1<0时，产生的电子的最大初动能为SKIPIF1<0【方法技巧】图象的分析方法(1)明确点、线的物理意义。(2)明确图象斜率的物理意义。(3)明确图象面积的物理意义。【知识点三】玻尔理论和能级跃迁1.定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n)eq\o(→,\s\up11(跃迁),\s\do4())高能级(m)→吸收能量。hν＝Em－En(2)从高能级(m)eq\o(→,\s\up11(跃迁),\s\do4())低能级(n)→放出能量。hν＝Em－En2．电离电离态与电离能电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV。激发态→电离态：E吸＞0－En＝|En|。若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。【例3】（多选）（2022·山东聊城一中高三开学考试）如图所示为氢原子的能级图，下列说法正确的是（

）A．从SKIPIF1<0能级跃迁到SKIPIF1<0能级时，电子的动能会变大，电势能会减小B．氢原子从高能级向低能级跃迁时要吸收光子C．一个处于SKIPIF1<0激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出3条光谱线D．用能量为SKIPIF1<0的电子轰击处于基态的氢原子，一定不能使氢原子发生能级跃迁【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维与物理观念。【变式训练3】（2022·江苏苏州·模拟预测）研究表明，用具有一定能量的电子轰击处于基态的氢原子，当电子能量大于等于氢原子的能级差时，氢原子就会发生跃迁，剩余能量仍保留为电子的动能。如图所示，甲为氢原子的能级图，乙为研究光电效应的实验电路图，用一束能量为SKIPIF1<0的电子束轰击一群处于基态的氢原子，被激发后的氢原子不稳定，向低能级跃迁，辐射出的光子照射到用钨做成SKIPIF1<0极的光电管上，已知金属钨的逸出是SKIPIF1<0，电子的电荷量为SKIPIF1<0。（1）处于激发态的氢原子能辐射出几种光子；（2）当电流表的示数为SKIPIF1<0时，求SKIPIF1<0内到达阳极SKIPIF1<0的光电子数SKIPIF1<0；（3）当电压表示数为多大时，微安表的示数刚好为零。【技巧总结】1．原子的两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子。(2)受激跃迁：通过光照、撞击或加热等，低能级→高能级，当吸收的能量大于或等于原子所处能级的|En|，原子将发生电离。(3)原子在两个能级之间发生跃迁时，放出(或吸收)光子的频率是一定的，可由hν＝Em－En求得。若求波长可由公式c＝λν求得。2．电离电离态与电离能电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸>0－(－13.6eV)＝13.6eV。激发态→电离态：E吸>0－En＝|En|。若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。3．解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意(1)能级之间发生跃