高考物理二輪復(fù)習精品專題九 近代物理初步(解析版)

專題九專題九××近代物理初步命題趨勢命題趨勢本專題難度不大，大多直接考查對基本知識點的理解和記憶，用新情境和新名詞包裝試題，常考點有：光電效應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律的認識與理解；對光的波粒二象性的認識；盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型；玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型和氫原子光譜；能級及能級躍遷規(guī)律；原子核的衰變、人工核轉(zhuǎn)變、裂變和聚變等。考點清單考點清單一、光電效應(yīng)1．兩條主線(1)光照強度大→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。二、原子結(jié)構(gòu)及能級躍遷1．氫原子能級圖：如圖所示。2．定態(tài)間的躍遷——滿足能級差(1)從低能級(n小)eq\o(――→,\s\up10(躍遷))高能級(n大)―→吸收能量，hν＝En大－En小。(2)從高能級(n大)eq\o(――→,\s\up10(躍遷))低能級(n小)―→放出能量，hν＝En大－En小。三、原子結(jié)構(gòu)及能級躍遷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)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．核能的計算方法(1)根據(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)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV計算時，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能：原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能×核子數(shù)。精題集訓精題集訓（70分鐘）經(jīng)典訓練題經(jīng)典訓練題1．如圖所示，有一束單色光入射到極限頻率為ν0的金屬板K上，具有最大初動能的某出射電子，沿垂直于平行板電容器極板的方向，從左側(cè)極板上的小孔入射到兩極板間的勻強電場后，到達右側(cè)極板時速度剛好為零。已知電容器的電容為C，帶電荷量為Q，極板間距為d，普朗克常量為h，電子電荷量的絕對值為e，不計電子的重力。關(guān)于電容器右側(cè)極板的帶電情況和入射光的頻率ν，以下判斷正確的是()A．帶正電，ν0＋eq\f(Qe,Ch)B．帶正電，ν0＋eq\f(Qe,Chd)C．帶負電，ν0＋eq\f(Qe,Ch)D．帶負電，ν0＋eq\f(Qe,Chd)【答案】C【解析】由電子在電容器兩帶電平行板之間做減速運動可知，電容器右側(cè)極板帶負電。由愛因斯坦光電效應(yīng)方程有Ek＝hν－W，W＝hν0，由電容器電容定義式知C＝eq\f(Q,U)，由動能定理有－eU＝0－Ek，聯(lián)立解得ν＝ν0＋eq\f(Qe,Ch)，C正確。2．(2019·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)給氫原子提供的能量為()A．12.09eVB．10.20eVC．1.89eVD．1.51eV【答案】A【解析】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，要給氫原子提供的能量最少為E＝(－1.51＋13.60)eV＝12.09eV，即A正確。3．(2020·山東學業(yè)水平等級考試·T2)氚核eq\o\al(3,1)H發(fā)生β衰變成為氦核eq\o\al(3,2)He。假設(shè)含氚材料中eq\o\al(3,1)H發(fā)生β衰變產(chǎn)生的電子可以全部定向移動，在3.2×104s時間內(nèi)形成的平均電流為5.0×10－8A。已知電子電荷量為1.6×10－19C，在這段時間內(nèi)發(fā)生β衰變的氚核eq\o\al(3,1)H的個數(shù)為()A．5.0×1014B．1.0×1016C．2.0×1016D．1.0×1018【答案】B【解析】由題意知，3.2×104s內(nèi)發(fā)生β衰變產(chǎn)生的電子的電荷量Q＝It＝1.6×10－3C，對應(yīng)的電子數(shù)n＝eq\f(Q,e)＝1.0×1016(個)，由eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(3,2)He可知，一個eq\o\al(3,1)H核發(fā)生一次β衰變產(chǎn)生一個電子，故這段時間內(nèi)發(fā)生β衰變的eq\o\al(3,1)H核的個數(shù)為1.0×1016，選項B對。高頻易錯題高頻易錯題1．(2020·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的標準煤燃燒時釋放的熱量相等；已知1kg標準煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107J，1MeV＝1.6×10－13J，則M約為()A．40kgB．100kgC．400kgD．1000kg【答案】C【解析】由1kg海水中的氘核聚變釋放的能量與質(zhì)量為M的標準煤燃燒釋放的熱量相等，有：2.9×107J/kg×M＝eq\f(1.0×1022,6)×43.15×1.6×10－13J，解得M≈400kg，故C正確。2．(多選)(2020·全國卷Ⅲ·T19)1934年，約里奧－居里夫婦用α粒子轟擊鋁箔，首次產(chǎn)生了人工放射性同位素X，反應(yīng)方程為eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→X＋eq\o\al(1,0)n。X會衰變成原子核Y，衰變方程為X→Y＋eq\o\al(0,1)e。則()A．X的質(zhì)量數(shù)與Y的質(zhì)量數(shù)相等B．X的電荷數(shù)比Y的電荷數(shù)少1C．X的電荷數(shù)比eq\o\al(27,13)Al的電荷數(shù)多2D．X的質(zhì)量數(shù)與eq\o\al(27,13)Al的質(zhì)量數(shù)相等【答案】AC【解析】根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→X＋eq\o\al(1,0)n，方程中X的質(zhì)量數(shù)為30，電荷數(shù)為15，再根據(jù)X→Y＋eq\o\al(0,1)e方程可知Y的質(zhì)量數(shù)為30，電荷數(shù)為14，故X的質(zhì)量數(shù)與Y的質(zhì)量數(shù)相等，X的電荷數(shù)比Y的電荷數(shù)多1，X的電荷數(shù)比eq\o\al(27,13)Al的電荷數(shù)多2，X的質(zhì)量數(shù)比eq\o\al(27,13)Al的質(zhì)量數(shù)多3，選項A、C正確，B、D錯誤。精準預(yù)測題精準預(yù)測題1．下列現(xiàn)象中，原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變的是()A．氫氣放電管發(fā)出可見光B．β衰變放出β粒子C．α粒子散射現(xiàn)象D．光電效應(yīng)現(xiàn)象【答案】B【解析】氫氣放電管發(fā)出可見光是原子從較高能級躍遷至較低能級的結(jié)果，是由于原子核外部電子運動產(chǎn)生的，與原子核內(nèi)部變化無關(guān)，故A錯誤；β衰變放出β粒子是原子核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子，所以導(dǎo)致原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，故B正確；α粒子散射實驗表明原子具有核式結(jié)構(gòu)，故C錯誤；光電效應(yīng)是原子核外電子吸收光子能量逃逸出來的現(xiàn)象，跟原子核內(nèi)部變化無關(guān)，故D錯誤。2．如圖所示為核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)的關(guān)系。下列與原子核有關(guān)的說法正確的是()A．原子核的結(jié)合能越大，原子核就越穩(wěn)定B．由圖可知，原子核D與E聚變成原子核F時，要吸收熱量C．A裂變時產(chǎn)生的γ射線能使某金屬表面逸出光電子，則增大γ射線的照射強度能增大逸出光電子的最大初動能D．核衰變時α粒子是由核內(nèi)2個質(zhì)子與2個中子結(jié)合在一起形成的【答案】D【解析】原子核的比結(jié)合能越大，原子核就越穩(wěn)定，故A錯誤；原子核D與E結(jié)合屬于輕核聚變，放出能量，故B錯誤；γ射線的頻率越高，逸出的光電子的最大初動能就越大，與光照強度無關(guān)，故C錯誤；核衰變時α粒子是由核內(nèi)2個質(zhì)子與2個中子結(jié)合在一起形成的，故D正確。3．圖中四幅圖涉及不同的物理知識，其中說法正確的是()A．圖甲：盧瑟福通過分析α粒子散射實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子B．圖乙：用中子轟擊鈾核使其發(fā)生聚變，鏈式反應(yīng)會釋放出巨大的核能C．圖丙：玻爾理論指出氫原子能級是分立的，所以原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的D．圖?。簻穼O通過電子的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核內(nèi)還有復(fù)雜結(jié)構(gòu)【答案】C【解析】題圖甲：盧瑟福通過分析α粒子散射實驗結(jié)果，得出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，故A錯誤。題圖乙：用中子轟擊鈾核使其發(fā)生裂變，裂變反應(yīng)會釋放出巨大的核能，故B錯誤。題圖丙：玻爾理論指出氫原子能級是分立的，所以原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的，故C正確。題圖?。簻穼O通過電子的發(fā)現(xiàn)揭示了原子也有一定的結(jié)構(gòu)，天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核內(nèi)部還有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故D錯誤。4．He＋、Li2＋等離子具有與氫原子類似的原子結(jié)構(gòu)模型，又稱為“類氫離子”。He＋從能級N躍遷到能級M，釋放頻率為ν1的光子，從能級P躍遷到能級M，吸收頻率為ν2的光子，且ν1>ν2，則它從能級N躍遷到能級P時()A．吸收頻率為ν1＋ν2的光子B．釋放頻率為ν1＋ν2的光子C．吸收頻率為ν1－ν2的光子D．釋放頻率為ν1－ν2的光子【答案】B【解析】He＋從能級N躍遷到能級M，釋放頻率為ν1的光子，說明能級N的能量大于能級M的能量，且兩能級能量差為hν1，同理能級P的能量小于能級M的能量，且兩能級能量差為hν2，所以從能級N躍遷到能級P釋放光子，且光子的能量為h(ν1＋ν2)，故B正確。5．(多選)如圖所示為氫原子的能級示意圖，已知大量處于n＝2能級的氫原子，當它們受到某種頻率的光線照射后，可輻射出6種頻率的光子，用這些光照射逸出功為1.90eV的金屬銫，下面說法正確的是()A．n＝2能級氫原子受到照射后躍遷到n＝5能級B．能使金屬銫逸出光電子的光子頻率有4種C．金屬銫表面所逸出的光電子的初動能最大值為12.75eVD．金屬銫表面所逸出的光電子的初動能最大值為10.85eV【答案】BD【解析】大量處于n＝2能級的氫原子，當它們受到某種頻率的光線照射后，可輻射出6種頻率的光子，根據(jù)大量氫原子躍遷，產(chǎn)生的光子種類N＝Ceq\o\al(2,n)可知，n＝2能級的氫原子受到照射后躍遷到n＝4能級，A錯誤；這群處于n＝4激發(fā)態(tài)的氫原子共能輻射出6種不同頻率的光子，由圖可知，氫原子從n＝4能級到n＝3能級躍遷時放出的能量為0.66eV，小于金屬銫的逸出功，不能使金屬銫發(fā)生光電效應(yīng)逸出光電子，同理氫原子從n＝3能級到n＝2能級躍遷時放出的能量為1.89eV，小于金屬銫的逸出功，不能使金屬銫發(fā)生光電效應(yīng)逸出光電子，所以能使金屬銫逸出光電子的光子頻率有4種，B正確；氫原子從n＝4能級躍遷到n＝1能級發(fā)出的光子頻率最高，光子能量為13.60eV－0.85eV＝12.75eV，根據(jù)光電效應(yīng)方程得逸出光電子的最大初動能為Ekm＝hν－W0＝12.75eV－1.90eV＝10.85eV，C錯誤，D正確。6．激光在“焊接”視網(wǎng)膜的眼科手術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在一次手術(shù)中，所用激光的波長λ＝6.6×10－7m，每個激光脈沖的能量E＝1.5×10－2J。已知普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，光速c＝3×108m/s，則每個脈沖中的光子數(shù)目是()A．3×1016B．3×1012C．5×1016D．5×1012【答案】C【解析】由光子能量公式、波長與頻率的關(guān)系可得，每個光子的能量E1＝hν＝eq\f(hc,λ)，E＝NE1，代入數(shù)據(jù)聯(lián)立解得，每個脈沖中的光子數(shù)目是N＝5×1016，C正確。7．秦山核電站是我國自行設(shè)計、建造和運營管理的第一座30萬千瓦壓水堆核電站。在一次核反應(yīng)中一個中子轟擊eq\o\al(235,92)U變成eq\o\al(136,54)Xe、eq\o\al(90,38)Sr和若干個中子，已知eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(136,54)Xe、eq\o\al(90,38)Sr的比結(jié)合能分別為7.6MeV、8.4MeV、8.7MeV，則()A．該核反應(yīng)方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋9eq\o\al(1,0)nB．要發(fā)生該核反應(yīng)需要吸收能量C．eq\o\al(90,38)Sr比eq\o\al(136,54)Xe更穩(wěn)定D．該核反應(yīng)中質(zhì)量增加【答案】C【解析】該核反應(yīng)方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n，A錯誤；用一個中子轟擊eq\o\al(235,92)U發(fā)生核反應(yīng)，該核反應(yīng)會釋放出能量，B錯誤；eq\o\al(90,38)Sr比eq\o\al(136,54)Xe的比結(jié)合能大，更穩(wěn)定，C正確；該核反應(yīng)中放出能量，有質(zhì)量虧損，質(zhì)量減小，D錯誤。8．據(jù)報道，香煙會釋放一種危險的放射性元素“釙(eq\o\al(210,84)Po)”，如果每天抽1.5包香煙，一年后累積的輻射相當于300次胸透的輻射。eq\o\al(210,84)Po發(fā)生一次α衰變和一次β衰變后產(chǎn)生了新核，新核的中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多()A．38個B．40個C．42個D．44個【答案】B【解析】eq\o\al(210,84)Po發(fā)生一次α衰變和一次β衰變產(chǎn)生的新核為eq\o\al(206,83)X，其中子數(shù)為206－83＝123，中子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多123－83＝40，B項正確。9．關(guān)于原子能級躍遷，下列說法正確的是()A．處于n＝3能級的一個氫原子回到基態(tài)時可能會輻射三種頻率的光子B．各種氣體原子的能級不同，躍遷時發(fā)射光子的能量(頻率)不同，因此利用不同的氣體可以制成五顏六色的霓虹燈C．氫原子的核外電子由較高能級躍遷到較低能級時，會輻射一定頻率的光子，同時氫原子的電勢能減小，電子的動能減小D．已知氫原子從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài)需要吸收的能量為12.09eV，則動能等于12.09eV的另一個氫原子與這個氫原子發(fā)生正碰，可以使這個原來靜止并處于基態(tài)的氫原子躍遷到該激發(fā)態(tài)【答案】B【解析】處于n＝3的一個氫原子回到基態(tài)時可能輻射一種或兩種頻率的光子，A項錯誤；根據(jù)玻爾理論，各種氣體原子的能級不同，躍遷時發(fā)射光子的能量不同，因此利用不同的氣體可以制成五顏六色的霓虹燈，B項正確；氫原子的核外電子由較高能級躍遷到較低能級時，會輻射一定頻率的光子，同時氫原子的電勢能減小，電子的動能增大，C項錯誤；根據(jù)能量守恒可知，要使原來靜止并處于基態(tài)的氫原子從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài)，需要吸收的能量為12.09eV，則必須使動能比12.09eV大得足夠多的另一個氫原子與這個氫原子發(fā)生碰撞，才能躍遷到某一激發(fā)態(tài)，D項錯誤。10．物理學家查德威克在用α粒子轟擊鈹eq\o\al(9,4)Be的兩種產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了中子，由于中子不帶電，所以容易打進原子核內(nèi)，引起核反應(yīng)。如果速度為2.3×107m/s的中子擊中靜止的氮核eq\o\al(14,7)N，核反應(yīng)方程是eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(n,m)B＋eq\o\al(4,2)He，產(chǎn)生的氦核(eq\o\al(4,2)He)的速度大小是8.0×106m/s，方向與碰前中子的速度方向在同一直線上，以反應(yīng)前中子的速度方向為正方向。下列說法正確的是()A．α粒子轟擊鈹發(fā)生的核反應(yīng)方程是eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,6)C＋eq\o\al(1,0)nB．m－n＝6C．新核eq\o\al(n,m)B的速度約為－4.1×105m/sD．新核eq\o\al(n,m)B的速度約為－8.2×105m/s【答案】D【解析】根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可知eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n，A錯誤；同理可知n－m＝6，B錯誤；用m1、m2和m3分別表示中子(eq\o\al(1,0)n)、氦核(eq\o\al(4,2)He)和新核的質(zhì)量，由動量守恒定律得m1v1＝m2v2＋m3v3，代入數(shù)值得v3≈－8.2×105m/s，C錯誤，D正確。11．用金屬銣為陰極的光電管觀測光電效應(yīng)現(xiàn)象，實驗裝置示意圖如圖甲所示，實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，圖線與橫軸交點的橫坐標為5.15×1014Hz。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。則下列說法中正確的是()A．欲測遏止電壓，應(yīng)選擇電源左端為正極B．當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，電流表的示數(shù)持續(xù)增大C．增大照射光的強度，產(chǎn)生的光電子的最大初動能一定增大D．如果實驗中入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek約為1.2×10－19J【答案】D【解析】由題圖甲所示的實驗裝置測量銣的遏止電壓Uc，因光電管左端為陽極，則電源左端為負極，故A錯誤；當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動的過程中，光電管兩端電壓增大，光電流增大，當光電流達到飽和值，不再增大，即電流表讀數(shù)的變化是先增大后不變，故B錯誤；光電子的最大初動能與入射光的頻率和金屬的逸出功有關(guān)，與入射光的強度無關(guān)，故C錯誤；根據(jù)題圖乙可知，銣的截止頻率νc＝5.15×1014Hz，根據(jù)hνc＝W0，則可求出該金屬的逸出功大小W0＝6.63×10－34×5.15×1014J≈3.41×10－19J，根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0，當入射光的頻率為ν＝7.00×1014Hz時，則最大初動能為Ek＝6.63×10－34×7.00×1014J－3.41×10－19J≈1.2×10－19J，故D正確。12．(多選)用如圖甲所示的電路研究光電效應(yīng)中光電流的大小與入射光的強度、頻率等物理量的關(guān)系。圖中A、K兩極板間的電壓大小可調(diào)，電源的正、負極也可以對調(diào)。分別用a、b、c三束單色光照射K，調(diào)節(jié)A、K間的電壓U，得到光電流I與電壓U的關(guān)系如圖乙所示。由