专题十六　近代物理初步备考篇【考情探究】课标解读考情分析备考指导考点内容光电效应、波粒二象性1.了解光电效应现象,知道光电效应的条件2.了解光电管的作用,理解光电效应方程3.知道光既有粒子性,又有波动性1.从近几年高考题来看,命题难度不大,但考点较多,主要包括光电效应、氢原子能级、氢原子光谱、原子结构和原子核2.高考对本专题的考查题型主要是选择题,出现计算题的几率极小3.本专题知识可以和动量守恒、圆周运动、能量守恒等知识结合,考查学生综合分析能力复习时应注重四个问题:1.精读教材,熟练掌握教材内容,重视课后习题2.重视与现代科技相联系的题目3.把重点放在光电效应、氢原子能级跃迁规律、核反应方程的书写及结合能和质量亏损的计算上4.动量守恒定律在核反应过程中的应用原子的结构、原子核1.知道原子的结构,了解原子结构的发现过程2.理解氢原子光谱,知道原子跃迁的规律3.知道半衰期,会计算核能【真题探秘】命题立意本题有机地将原子核衰变和电流结合在一起形成新的物理情境,要求考生综合利用衰变的特点、电流、元电荷的概念等知识综合求解,考查了考生在新情境中对综合性物理问题进行分析和推理并得到正确结论的能力。原子核衰变多以选择题的形式出现。解题指导首先写出发生β衰变的衰变方程,可知一个氚核发生β衰变时产生一个电子,所以产生的电子数即发生β衰变的氚核个数;由电流定义式求出产生的所有电子的总电荷量,再除以一个电子的电荷量,可得到电子的个数即氚核的个数。拓展延伸原子核的衰变有α衰变和β衰变,原子核发生β衰变时释放出电子,原子核发生α衰变时释放出氦核,原子核衰变遵循质量数守恒和电荷数守恒。[教师专用题组],1.真题多维细目表真题涉分考点题型设题情境学科素养光电效应　波粒二象性原子、原子核2020课标Ⅱ,186核能计算单选聚变反应物理观念、科学推理2020课标Ⅰ,196核反应方程多选衰变、裂变、聚变物理观念、科学推理2020课标Ⅲ,196核反应方程多选人工核反应物理观念、科学推理2019课标Ⅰ,146能级跃迁单选原子能级示意图物理观念、模型建构2019课标Ⅱ,156原子核单选太阳内部核反应能量观念、科学推理2018课标Ⅱ,176光电效应单选光照射锌板运动观念、科学推理2018课标Ⅲ,146核反应方程单选人工放射性物质观念、科学推理2017课标Ⅰ,176核能计算单选聚变反应能量观念、科学推理2017课标Ⅱ,156α衰变单选铀核衰变模型建构、科学论证2017课标Ⅲ,196光电效应多选两种单色光照射金属能量观念、科学推理2016课标Ⅰ,35(1)5光电效应多选光电管物理观念、科学推理2016课标Ⅱ,35(1)5核反应方程填空衰变、裂变、聚变物质观念、科学推理2016课标Ⅲ,35(1)5原子核多选人工转变能量观念、科学论证2015山东理综,39(1)3半衰期多选14C放射性衰变物质观念、科学推理2.命题规律与趋势从全国各卷及各单独命题的地方卷可看出,高考对本专题的考查呈现出如下特点:1.从近几年高考试题来看:①高考中涉及的考点较多;②具有不确定性,考题可能只考查一个考点也可能同时涉及多个考点;③题型多为选择题,但有时也会与带电粒子在磁场中运动相结合,形成一定难度的综合题。2.在波粒二象性方面,主要考查波粒二象性的概念和相关物理量的计算或定性分析,主要涉及光电效应中的光子能量与光电子的初动能、德布罗意波波长、不确定性关系等问题。主要体现在以下几方面:(1)结合氢原子能级跃迁分析不同光子的能量,从而得出频率大小,并综合考查色散、衍射、干涉、光电效应等相关问题;(2)围绕光电效应中的基本概念,涉及光电子的初动能(最大初动能)、电子衍射及不确定性关系等问题。3.在原子与原子核物理方面,主要考查原子结构和原子核的相关知识及应用,主要涉及玻尔模型及核裂变、聚变、衰变等核反应方程。主要体现在以下几方面:(1)利用玻尔模型计算可能的光子能量,再结合光电效应或者色散、干涉、衍射等知识点进行考查;(2)以一个选项的形式考查核反应方程的合理性,主要是几个守恒量;(3)相关概念和细碎知识点的考查,比如结合能、核反应堆等。3.备考方法与策略1.本专题涉及的知识点较多,但难度不大,多为直接考查理解和记忆能力,故在本专题复习过程中要加强对基本概念和规律的认识,不要有知识盲点。还要全面关注与其他知识点的关联,关注其他知识(如动量守恒)在本专题中的应用。2.涉及物理学史的选择题为易错题,在复习备考中,要将人和事的对应关系规律化。3.在核心素养方面:要注意相关物理观念的养成,相关模型的建构能力和科学推理能力的培养。基础篇【基础集训】,考点一　光电效应、波粒二象性1.(2020山东济南莱芜第一中学高三月考,4)用某种单色光照射某金属表面,发生光电效应。现将该单色光的光强减弱,则(　　)A.可能不发生光电效应B.光电子的最大初动能减少C.单位时间内产生的光电子数减少D.需要更长的照射时间才能发生光电效应答案　C　2.(2020山东菏泽一中高三下学期质量检测,5)用频率为ν0的单色光照射某金属表面时,产生的光电子的最大初动能为Ekm,已知普朗克常量为h,光速为c,要使此金属发生光电效应,所用入射光的波长应不大于(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　A.　　B.C.　　D.-答案　A　3.(2020山东滕州第一中学高二月考,8)(多选)研究光电效应现象的实验电路如图所示,A、K为光电管的两个电极。已知该光电管阴极K的极限频率为ν0,元电荷为e,普朗克常量为h。现用频率为ν(ν>ν0)的光照射阴极K,则下列说法正确的是(　　)A.将滑片P向右滑动,可增大光电子的最大初动能B.若两电极间电压为U,则到达阳极A的光电子最大动能为h(ν-ν0)+eUC.将滑片P向右滑动,则电流表的示数一定会不断增大D.将电源正负极对调,当两电极间的电压大于时,电流表的示数为0答案　BD　考点二　原子的结构、原子核　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.(2020山东菏泽第一中学高三下学期月考,6)下列说法正确的是　(　　)A.β衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的B.铀核U)衰变为铅核Pb)的过程中,要经过8次α衰变和6次β衰变CBi的半衰期是5天,100克Bi经过10天后还剩下50克D.密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的答案　B　2.(2020山东枣庄模拟,1)氢原子的能级图如图所示。用氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级辐射的光照射逸出功为6.34eV的金属铂,下列说法正确的是(　　),A.产生的光电子的最大初动能为6.41eVB.产生的光电子的最大初动能为12.75eVC.氢原子从n=2能级向n=1能级跃迁时辐射的光不能使金属铂发生光电效应D.氢原子从n=6能级向n=2能级跃迁时辐射的光也能使金属铂发生光电效应答案　A　3.某静止的原子核发生核反应且释放出能量Q,其方程为XYZ,并假设释放的能量全部转化为新核Y和Z的动能,测得其中Z的速度为v,以下结论正确的是(　　)A.Y原子核的速度大小为vB.Y原子核的动能是Z原子核的动能的倍C.Y原子核和Z原子核的质量之和比X原子核的质量大(c为光速)D.Y和Z的结合能之和一定大于X的结合能答案　D　4.(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是(　　)A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C.铯原子核Cs)的结合能小于铅原子核Pb)的结合能D.平均结合能越大,原子核越不稳定答案　ABC　综合篇【综合集训】拓展一　对光电效应规律的理解1.(2020四川内江威远中学高三月考,1)在光电效应实验中,用同一种单色光,先后照射锌和银的表面,都能发生光电效应。对于这两个过程,下列四个物理过程中,一定相同的是(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　A.遏止电压　　B.饱和光电流C.光电子的最大初动能　　D.逸出功答案　B　2.(2020山东临沂第一中学高二阶段检测,7)在光电效应实验中,飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图所示。则可判断出(　　),A.甲光的频率大于乙光的频率B.乙光的波长大于丙光的波长C.乙光对应的截止频率大于丙光对应的截止频率D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能答案　B　3.(多选)美国物理学家密立根利用图示的电路研究金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系,描绘出图乙中的图像,由此算出普朗克常量h,电子电荷量用e表示,下列说法正确的是(　　)A.入射光的频率增大,测遏止电压时,应使滑动变阻器的滑片P向M端移动B.增大入射光的强度,光电子的最大初动能也增大C.由Uc-ν图像可知,这种金属截止频率为νcD.由Uc-ν图像可求普朗克常量表达式为h=答案　CD　拓展二　对波粒二象性的理解　(2020山东枣庄第三中学高二月考,12)(多选)下列说法正确的是(　　)A.普朗克为了解释黑体辐射现象,第一次提出了能量量子化理论B.大量的电子通过双缝后在屏上能形成明暗相间的条纹,这表明所有的电子都落在明条纹处C.电子和其他微观粒子都具有波粒二象性D.光波是一种概率波,光的波动性是由于光子之间的相互作用引起的,这是光子自身的固有性质　答案　AC　拓展三　对原子的跃迁和电离的理解　(2020山东济南章丘第四中学高二质量检测,8)如图所示为氢原子能级的示意图,现有大量的氢原子处于n=4的激发态,当向低能级跃迁时辐射出若干种不同频率的光。关于这些光,下列说法正确的是(　　)A.波长最大的光是由n=4能级跃迁到n=1能级产生的B.频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的C.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光D.从n=2能级跃迁到n=1能级电子动能增加　答案　D　拓展四　原子核的衰变、放射性同位素　(2020山东济南历城第二中学高三月考,3)以前,在居家装修中,经常用到花岗岩、大理石等装修材料,这些岩石都不同程度地含有放射性元素,比如有些含有铀钍的花岗岩岩石都会释放出放射性惰性气体氡,而氡会发生放,射性衰变,放出α、β、γ射线,这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道方面的疾病,根据有关放射性知识可知,下列说法正确的是(　　)A.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生并发射出来的B.放射性衰变放出的β射线是原子核外电子电离形成的电子流C.已知氡的半衰期为3.8天,若取1g氡放在天平左盘上,砝码放于右盘,左右两边恰好平衡,则3.8天后,需取走0.5g砝码天平才能再次平衡D.发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了4　答案　A　拓展五　核能的计算　(多选)核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。Un→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,X是某种粒子,a是X粒子的个数,用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量,mX表示X粒子的质量,c为真空中的光速,以下说法正确的是(　　)A.X为中子,a=2B.X为中子,a=3C.上述核反应中放出的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-3mX)c2D.只有铀块体积达到临界体积才可能发生链式反应　答案　BD　[教师专用题组]【综合集训】　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1.(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是(　　)A.电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样B.β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹C.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构D.康普顿研究石墨对X射线的散射答案　AC　电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,说明电子具有波动性,故A正确;β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹,体现的是β射线的粒子性,故B错误;人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构,中子衍射说明中子具有波动性,故C正确;康普顿效应揭示了光的粒子性的一面,故D错误。2.光子有能量,也有动量(p=),它也遵循有关动量的规律,真空中有一如图所示装置可绕通过横杆中点的竖直轴OO'在水平面内灵活地转动,其中左边是圆形黑纸片,右边是和左边大小、质量均相同的圆形白纸片。当用平行白光垂直照射这两个圆面时,关于此装置开始时转动情况(俯视)的下列说法中正确的是(　　)A.顺时针方向转动B.逆时针方向转动C.都有可能D.不会转动,答案　B　光照射到黑纸片上时被吸收,照射到白纸片上时被反射,因此白纸片受到的冲量大,装置逆时针转动,故正确选项为B。3.(2020安徽蚌埠三检,1)频率为ν的入射光照射某金属时发生光电效应现象。已知该金属的逸出功为W,普朗克常量为h,电子电荷量大小为e,下列说法正确的是(　　)A.该金属的截止频率为B.该金属的遏止电压为C.增大入射光的强度,单位时间内发射的光电子数不变D.增大入射光的频率,光电子的最大初动能不变答案　B　金属的逸出功大小和截止频率都取决于金属材料本身,用光照射某种金属,要想发生光电效应,要求入射光的频率大于金属的截止频率,入射光子的能量为hν,只有满足hν>W,才能发生光电效应。金属的逸出功为W=hν0,即金属的截止频率为ν0=,所以A错误;使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压,则Uc=,再根据爱因斯坦光电效应方程,可得光电子的最大初动能Ek=hν-W,所以该金属的遏止电压为Uc=,所以B正确;增大入射光的强度,单位时间内照到金属上的光子数会增大,发生了光电效应后,单位时间内发射的光电子数将增大,所以C错误;由爱因斯坦光电效应方程可知,增大入射光的频率,光电子的最大初动能将增大,所以D错误。思路总结　研究光电效应的两条思路(1)两条线索:(2)两条对应关系:入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大;光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。4.(2020湖北武汉线上模拟)用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S,用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,图线与横轴的交点坐标为(a,0),与纵轴的交点坐标为(0,-b)。下列说法正确的是(　　)A.普朗克常量为h=B.断开开关S后,电流表G的示数不为零C.仅增加照射光的强度,光电子的最大初动能将增大D.保持照射光强度不变,仅提高照射光频率,电流表G的示数保持不变答案　B　由Ek=hν-W0,可知图线的斜率为普朗克常量,即h=,故A错误;断开开关S后,仍有光电子产生,所以电流表G的示数不为零,故B正确;只有增大入射光的频率,才能增大光电子的最大初动能,光电子的最大初动能与光的强度无关,故C错误;保持照射光强度不变,仅提高照射光频率,单个光子的能量增大,而光的强度不变,那么光子数一定减少,发出的光电子数也减少,电流表G的示数要减小,故D错误。5.根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。则关于α粒子散射实验,下列说法正确的是(　　),A.图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大B.图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞C.绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小D.根据α粒子散射实验可以估算原子大小答案　C　题图中大角度偏转的α粒子所受的电场力先做负功,后做正功,则其电势能先增大后减小,故A错误;题图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑力作用,并没有发生碰撞,B错误;绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小,C正确;根据α粒子散射实验可以估算原子核大小,D错误。6.如图所示,a、b、c、d分别表示氢原子在不同能级间的四种跃迁,辐射光子频率最高的是(　　)A.a　　B.b　　C.c　　D.d答案　B　hνa=E2-E1=10.2eV,hνb=E3-E1=12.09eV,hνc=E3-E2=1.89eV,hνd=E4-E3=0.66eV,故辐射光子频率最高的是b,选项B正确。7.(多选)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3He)”的化学元素,这是热核聚变的重要原料。关于“氦3He)”与氘核的聚变,下列说法正确的是(　　)A.核反应方程为HeHHeHB.核反应生成物的质量将大于反应物的质量C.“氦3He)”一个核子的结合能小于氦4He)一个核子的结合能D.“氦3He)”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量答案　ACD　选项A中的核反应方程就是He和H发生核聚变的方程,在生成He和H的同时释放大量的能量,A、D正确;由于核反应的过程中释放大量的能量,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可知生成物的质量小于反应物的质量,B错误;轻核聚变放出能量,结合成的新核更稳定,比结合能更大,即He一个核子的结合能小于He一个核子的结合能,C正确。8.(2020湖北宜昌模拟)氢原子的能级公式为En=E1(n=1,2,3,…),其中基态能量E1=-13.6eV,能级图如图所示。大量氢原子处于量子数为n的激发态,在这些氢原子可能发出的所有光子中,频率最大的光子能量为-0.96E1,则n和可能发出的频率最小的光子能量分别为(　　)A.n=5,0.54eV　　B.n=5,0.31eVC.n=4,0.85eV　　D.n=4,0.66eV,答案　B　在这些氢原子可能发出的所有光子中,频率最高的光子能量为-0.96E1,则ΔE=-0.96E1=En-E1,所以处于量子数为n的激发态氢原子的能量为En=0.04E1=E1,即处在n=5能级;大量处于n=5能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出的所有光子中,频率最小的光子的能量为ΔE'=-0.54eV-(-0.85eV)=0.31eV,故B正确,A、C、D错误。9.(2020湖南长沙模拟)(多选)近几年一些国家积极发展“月球探测计划”,该计划中的科研任务之一是探测月球上氦3的含量。氦3是一种清洁、安全和高效的核发电燃料,可以采用在高温高压下用氘和氦3进行核聚变反应发电。若已知氘核的质量为2.0136u,氦3的质量为3.0150u,氦核的质量为4.00151u,质子质量为1.00783u,中子质量为1.008665u,1u相当于931.5MeV。则下列说法正确的是(　　)A.一个氘和一个氦3的核聚变反应释放的核能约为17.9MeVB.氘和氦3的核聚变反应方程式HHeHe+X,其中X是质子C.因为聚变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少D.目前我国的秦山、大亚湾等核电站广泛使用氦3进行核聚变反应发电答案　AB　根据电荷数守恒和质量数守恒知X为质子,故B正确。根据质能方程知ΔE=Δmc2=(2.0136u+3.0150u-4.00151u-1.00783u)×931.5MeV/u≈17.9MeV,故A正确。因为聚变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量减小,但是其总质量数不变,C错误。目前我国的秦山、大亚湾等核电站广泛使用重核裂变反应发电,D错误。故选A、B。方法总结　计算核能的几种方法(1)根据ΔE=Δmc2计算。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/u计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。(3)根据平均结合能来计算核能原子核的结合能=平均结合能×核子数。反应前后原子核的结合能之差即释放(吸收)的核能。(4)有时可结合动量守恒定律和能量守恒定律进行分析计算。10.(2020天津,1)在物理学发展的进程中,人们通过对某些重要物理实验的深入观察和研究,获得正确的理论认识。下列图示的实验中导致发现原子具有核式结构的是(　　)答案　D　A项是双缝干涉实验,说明光具有波动性;B项是光电效应实验,说明光具有粒子性;C项是电磁波的发射与接收;导致发现原子具有核式结构的是卢瑟福的α粒子散射实验,D正确。故选D。11.[2017江苏单科,12C(1)](多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,下列判断正确的有(　　),AHe核的结合能约为14MeVBHe核比Li核更稳定C.两个H核结合成He核时释放能量DU核中核子的平均结合能比Kr核中的大答案　BC　由图像可知He的比结合能约为7MeV,其结合能应为28MeV,故A错误。比结合能较大的核较稳定,故B正确。比结合能较小的核结合成比结合能较大的核时释放能量,故C正确。比结合能就是平均结合能,故由图可知D错误。