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统考版2024高考物理二轮专题复习第一编专题复习攻略专题六近代物理初步第12讲波粒二象性原子结构和原子核课件
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这是一份统考版2024高考物理二轮专题复习第一编专题复习攻略专题六近代物理初步第12讲波粒二象性原子结构和原子核课件，共44页。PPT课件主要包含了高频考点·能力突破，素养培优·情境命题，答案A，答案C，答案AC，答案BC，答案AB，答案AD，答案CD等内容，欢迎下载使用。
考点一 光电效应规律的应用1．光电效应两条对应关系(1)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大；(2)光照强度大(同种频率的光)→光子数目多→发射光电子多→光电流大．2．定量分析时应抓住三个关系式
例1 [2022·河北卷]如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h.由图象可知( )A．钠的逸出功为hνcB．钠的截止频率为8.5×1014HzC．图中直线的斜率为普朗克常量hD．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
预测1 [2022·全国冲刺卷]胶片电影利用光电管把“声音的照片”还原成声音，原理如图所示，在电影放映机中用频率为ν、强度不变的一极窄光束照射声音轨道，由于影片上各处的声音轨道宽窄不同，在影片移动的过程中，通过声音轨道后的光强随之变化，射向光电管后，在电路中产生变化的电流，经放大电路放大后，通过喇叭就可以把声音放出来．则( )A．只减小光的频率， 一定可以还原出声音B．只增大光的强度， 一定可以还原出声音C．a端为电源正极D．a端为电源负极
解析：只增大光的频率，肯定有光电子从光电管的阴极到达阳极，从而使电路导通，一定可以还原出声音，反之则不一定发生光电效应现象使电路导通，故A、B错误；光照射部分为阴极材料，光电子到达另一侧，在电场力作用下到达电源正极，故a端为电源正极，故C正确，D错误．
预测2 [2023·浙江省浙南名校联盟联考]在真空中竖直放置的金属板M，受到紫外线照射时会向各个方向发射出速度大小不同的电子，在M右侧相距d处正对放置一个金属网罩N，若在金属板与网罩间加上逐渐增大的电压，当电压增大到U时，发现网罩上开始接收不到来自金属板的电子．已知电子电量为e，质量为m，则( )A．增强紫外线的强度，能使网罩上接收到电子B．适当减小MN之间的距离d，能使网罩上接收到电子C．当电压为U时，所有能运动至最靠近网罩的电子发射时的初动能都相同D．从M板上发射的电子，速度越大在MN间运动的时间越长
解析：设光电子的最大初动能为Ekm，由动能定理得－eU＝0－Ekm，又由光电效应方程Ekm＝hv－W0，增强紫外线的强度，光电子的最大初动能不变，不能使网罩上接收到电子．适当减小MN之间的距离d，MN间U不变，不能使网罩上接收到电子．当电压为U时，所有能运动至最靠近网罩的电子发射时的初动能都相同，A、B错误，C正确；从M板上发射的电子，由于出射的电子与M板可能存在一定角度，速度越大在MN间运动的时间不一定越长，D错误．
预测3 [2022·湖南押题卷](多选)用如图所示的装置研究光电效应现象，光电管阴极K与滑动变阻器的中心抽头c相连，光电管阳极与滑动变阻器的滑片P相连，初始时滑片P与抽头c正对，电压表的示数为0(电压表0刻线在表盘中央)．在移动滑片P的过程中，光电流I随电压表示数U变化的图象如图所示，已知入射光的光子能量为1.6 eV.下列说法正确的是( )
A．当滑片P与c正对时，电路中有光电流B．当U＝－0.6 V时，滑片P位于a、c之间C．阴极材料的逸出功为1.0 eVD．当U＝0.8 V时，到达阳极的光电子的最大动能为2.4 eV
解析：当滑片P与c正对时，光电管两端无电压，由题中右图可以看出光电流不为零，故A正确；由图可知，当U＝-0.6 V时，光电流为0即为遏止电压，即光电管两端接反向电压，则阴极电势应更高，滑片P位于b、c之间，故B错误；由光电效应方程有Ek＝hν-W0，由图可知，当U＝0.6 V时，光电流为0即为遏止电压，则有-0.6 eV＝0-Ek联立解得W0＝1.0 eV，故C正确；光电子逸出时的最大初动能为Ek0＝hν-W0＝0.6 eV当U＝0.8 V时由动能定理得eU＝Ek-Ek0得Ek＝eU＋Ek0＝(0.8＋0.6)eV＝1.4 eV，故D错误．
考点二 玻尔理论和能级跃迁1．玻尔理论的三条假设
例2 [2023·湖北卷]2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射．该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)．根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子( )A．n＝2和n＝1能级之间的跃迁B．n＝3和n＝1能级之间的跃迁C．n＝3和n＝2能级之间的跃迁D．n＝4和n＝2能级之间的跃迁
解析：由图中可知n＝2和n＝1的能级差之间的能量差值为ΔE＝E2－E1＝－3.40 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，与探测器探测到的谱线能量相等，故可知此谱线来源于太阳中氢原子n＝2和n＝1能级之间的跃迁．故选A.
预测4 [2022·东北三省四市联考]氦离子(He＋)和氢原子一样．原子核外只有一个电子，因此它们有着相似的能级图，如图所示为氢原子和氦离子的能级图．一群处于量子数n＝4的激发态的氦离子，能够自发地跃迁到较低的能量状态，并向外辐射光子．已知金属钨的逸出功为4.54 eV.则向外辐射多种频率的光子中( )A．最多有3种频率的光子B．能使金属钨发生光电效应的有3种频率的光子C．能够使处于基态的氢原子电离的有3种频率的光子D．能够使处于基态的氢原子跃迁的有4种频率的光子
解析：一群氦离子从n＝4能级向低能级跃迁时可以辐射出6种频率的光子，A选项错误；其中只有从n＝4能级向n＝3能级跃迁时所辐射出的光子能量小于4.54 eV，不能使金属钨发生光电效应，故共有5种频率的光子能使金属钨发生光电效应，故B选项错误；因为要使处于基态的氢原子发生电离，所需要的光子能量只要达到13.6 eV就可以，根据辐射光子能量等于氦离子能级跃迁前后两能级的能量差可得，有3种频率的光子能使处于基态的氢原子电离，故C选项正确；氦离子只有从n＝4能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光子能量，等于氢原子n＝1能级与n＝2能级之间的能量差，可使处于基态的氢原子跃迁，故D选项错误．故选C.
预测5 [2022·山东押题卷]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2.14 eV的金属时，光电子的最大初动能为0.41 eVB．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
考点三 衰变、核反应与核能的计算1．核衰变问题(1)核衰变规律：(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．核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程，用核反应亏损的质量乘真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)．(2)根据1 u(原子质量单位)相当于931.5 MeV的能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 (MeV)．3．常见的核反应(1)衰变(2)重核裂变(3)轻核聚变(4)人工转变
预测9 [2022·辽宁押题卷]碳14是宇宙射线撞击空气中的氮14原子所产生，具有放射性，碳14原子发生β衰变转变为氮14.生物存活期间需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变；生物停止呼吸后，体内的碳14开始减少．可以根据死亡生物体内残余碳14含量来推断它的死亡时间．碳14各个半衰期所剩原子比例如图所示，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的三分之一．
与近代物理相关的生活、科技问题与近代物理相关的科技问题相对较多，与我们生活接近的有：放射治疗、辐照保鲜、烟雾报警器等，与生产科技有关的有：射线测厚装置、示踪原子、光伏发电、核电站等．要解决科技发展问题必须要了解科技问题背后的原理．放射治疗、辐照保鲜、射线测厚装置、示踪原子等是利用了放射性同位素的射线，烟雾报警器、光伏发电利用了光电效应，核电站利用了核裂变．
情境1 [2023·浙江省四校联考](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11 400年
情境3 (多选)红外测温具有响应时间快、非接触、安全准确的优点，在新冠疫情防控中发挥了重要作用．红外测温仪捕捉被测物体电磁辐射中的红外线部分，将其转变成电信号．图甲为红外线光谱的三个区域，图乙为氢原子能级示意图．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光在真空中的速度c＝3.0×108 m/s
下列说法正确的是( )A．红外线光子能量的最大值约为1.64 eVB．氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时释放出的光子能被红外测温仪捕捉C．大量氢原子从n＝4能级向低能级跃迁时，红外测温仪可捕捉到2种频率的红外线D．大量处于n＝2激发态的氢原子吸收能量为2.86 eV的光子后，辐射出的光子可能被红外测温仪捕捉
情境4 [2022·山东青岛二模](多选)如图为某同学设计的一个光电烟雾探测器，光源S发出一束波长为0.8 μm的红外线，当有烟雾进入探测器时，来自S的红外线会被烟雾散射进入光电管C，当红外线射到光电管中的金属表面时发生光电效应，当光电流大于8×10－9 A时，便会触发报警系统．已知元电荷e＝1.6×10－19 C，光在真空中的传播速度为3×108 m/s.
下列说法正确的是( )A．光电流的大小与光照强度无关B．若光源发出的是可见光，则该装置将会失去报警功能C．该金属的极限频率小于3.75×1014 HzD．若射向光电管C的光子中有10%会产生光电子，当报警器报警时，每秒射向该金属表面的光子数最少为5×1011个
考点一 光电效应规律的应用1．光电效应两条对应关系(1)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大；(2)光照强度大(同种频率的光)→光子数目多→发射光电子多→光电流大．2．定量分析时应抓住三个关系式
例1 [2022·河北卷]如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h.由图象可知( )A．钠的逸出功为hνcB．钠的截止频率为8.5×1014HzC．图中直线的斜率为普朗克常量hD．遏止电压Uc与入射光频率ν成正比
预测1 [2022·全国冲刺卷]胶片电影利用光电管把“声音的照片”还原成声音，原理如图所示，在电影放映机中用频率为ν、强度不变的一极窄光束照射声音轨道，由于影片上各处的声音轨道宽窄不同，在影片移动的过程中，通过声音轨道后的光强随之变化，射向光电管后，在电路中产生变化的电流，经放大电路放大后，通过喇叭就可以把声音放出来．则( )A．只减小光的频率， 一定可以还原出声音B．只增大光的强度， 一定可以还原出声音C．a端为电源正极D．a端为电源负极
解析：只增大光的频率，肯定有光电子从光电管的阴极到达阳极，从而使电路导通，一定可以还原出声音，反之则不一定发生光电效应现象使电路导通，故A、B错误；光照射部分为阴极材料，光电子到达另一侧，在电场力作用下到达电源正极，故a端为电源正极，故C正确，D错误．
预测2 [2023·浙江省浙南名校联盟联考]在真空中竖直放置的金属板M，受到紫外线照射时会向各个方向发射出速度大小不同的电子，在M右侧相距d处正对放置一个金属网罩N，若在金属板与网罩间加上逐渐增大的电压，当电压增大到U时，发现网罩上开始接收不到来自金属板的电子．已知电子电量为e，质量为m，则( )A．增强紫外线的强度，能使网罩上接收到电子B．适当减小MN之间的距离d，能使网罩上接收到电子C．当电压为U时，所有能运动至最靠近网罩的电子发射时的初动能都相同D．从M板上发射的电子，速度越大在MN间运动的时间越长
解析：设光电子的最大初动能为Ekm，由动能定理得－eU＝0－Ekm，又由光电效应方程Ekm＝hv－W0，增强紫外线的强度，光电子的最大初动能不变，不能使网罩上接收到电子．适当减小MN之间的距离d，MN间U不变，不能使网罩上接收到电子．当电压为U时，所有能运动至最靠近网罩的电子发射时的初动能都相同，A、B错误，C正确；从M板上发射的电子，由于出射的电子与M板可能存在一定角度，速度越大在MN间运动的时间不一定越长，D错误．
预测3 [2022·湖南押题卷](多选)用如图所示的装置研究光电效应现象，光电管阴极K与滑动变阻器的中心抽头c相连，光电管阳极与滑动变阻器的滑片P相连，初始时滑片P与抽头c正对，电压表的示数为0(电压表0刻线在表盘中央)．在移动滑片P的过程中，光电流I随电压表示数U变化的图象如图所示，已知入射光的光子能量为1.6 eV.下列说法正确的是( )
A．当滑片P与c正对时，电路中有光电流B．当U＝－0.6 V时，滑片P位于a、c之间C．阴极材料的逸出功为1.0 eVD．当U＝0.8 V时，到达阳极的光电子的最大动能为2.4 eV
解析：当滑片P与c正对时，光电管两端无电压，由题中右图可以看出光电流不为零，故A正确；由图可知，当U＝-0.6 V时，光电流为0即为遏止电压，即光电管两端接反向电压，则阴极电势应更高，滑片P位于b、c之间，故B错误；由光电效应方程有Ek＝hν-W0，由图可知，当U＝0.6 V时，光电流为0即为遏止电压，则有-0.6 eV＝0-Ek联立解得W0＝1.0 eV，故C正确；光电子逸出时的最大初动能为Ek0＝hν-W0＝0.6 eV当U＝0.8 V时由动能定理得eU＝Ek-Ek0得Ek＝eU＋Ek0＝(0.8＋0.6)eV＝1.4 eV，故D错误．
考点二 玻尔理论和能级跃迁1．玻尔理论的三条假设
例2 [2023·湖北卷]2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射．该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)．根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子( )A．n＝2和n＝1能级之间的跃迁B．n＝3和n＝1能级之间的跃迁C．n＝3和n＝2能级之间的跃迁D．n＝4和n＝2能级之间的跃迁
解析：由图中可知n＝2和n＝1的能级差之间的能量差值为ΔE＝E2－E1＝－3.40 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，与探测器探测到的谱线能量相等，故可知此谱线来源于太阳中氢原子n＝2和n＝1能级之间的跃迁．故选A.
预测4 [2022·东北三省四市联考]氦离子(He＋)和氢原子一样．原子核外只有一个电子，因此它们有着相似的能级图，如图所示为氢原子和氦离子的能级图．一群处于量子数n＝4的激发态的氦离子，能够自发地跃迁到较低的能量状态，并向外辐射光子．已知金属钨的逸出功为4.54 eV.则向外辐射多种频率的光子中( )A．最多有3种频率的光子B．能使金属钨发生光电效应的有3种频率的光子C．能够使处于基态的氢原子电离的有3种频率的光子D．能够使处于基态的氢原子跃迁的有4种频率的光子
解析：一群氦离子从n＝4能级向低能级跃迁时可以辐射出6种频率的光子，A选项错误；其中只有从n＝4能级向n＝3能级跃迁时所辐射出的光子能量小于4.54 eV，不能使金属钨发生光电效应，故共有5种频率的光子能使金属钨发生光电效应，故B选项错误；因为要使处于基态的氢原子发生电离，所需要的光子能量只要达到13.6 eV就可以，根据辐射光子能量等于氦离子能级跃迁前后两能级的能量差可得，有3种频率的光子能使处于基态的氢原子电离，故C选项正确；氦离子只有从n＝4能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光子能量，等于氢原子n＝1能级与n＝2能级之间的能量差，可使处于基态的氢原子跃迁，故D选项错误．故选C.
预测5 [2022·山东押题卷]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2.14 eV的金属时，光电子的最大初动能为0.41 eVB．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
考点三 衰变、核反应与核能的计算1．核衰变问题(1)核衰变规律：(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．核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程，用核反应亏损的质量乘真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)．(2)根据1 u(原子质量单位)相当于931.5 MeV的能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 (MeV)．3．常见的核反应(1)衰变(2)重核裂变(3)轻核聚变(4)人工转变
预测9 [2022·辽宁押题卷]碳14是宇宙射线撞击空气中的氮14原子所产生，具有放射性，碳14原子发生β衰变转变为氮14.生物存活期间需要呼吸，其体内的碳14含量大致不变；生物停止呼吸后，体内的碳14开始减少．可以根据死亡生物体内残余碳14含量来推断它的死亡时间．碳14各个半衰期所剩原子比例如图所示，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的三分之一．
与近代物理相关的生活、科技问题与近代物理相关的科技问题相对较多，与我们生活接近的有：放射治疗、辐照保鲜、烟雾报警器等，与生产科技有关的有：射线测厚装置、示踪原子、光伏发电、核电站等．要解决科技发展问题必须要了解科技问题背后的原理．放射治疗、辐照保鲜、射线测厚装置、示踪原子等是利用了放射性同位素的射线，烟雾报警器、光伏发电利用了光电效应，核电站利用了核裂变．
情境1 [2023·浙江省四校联考](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11 400年
情境3 (多选)红外测温具有响应时间快、非接触、安全准确的优点，在新冠疫情防控中发挥了重要作用．红外测温仪捕捉被测物体电磁辐射中的红外线部分，将其转变成电信号．图甲为红外线光谱的三个区域，图乙为氢原子能级示意图．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光在真空中的速度c＝3.0×108 m/s
下列说法正确的是( )A．红外线光子能量的最大值约为1.64 eVB．氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时释放出的光子能被红外测温仪捕捉C．大量氢原子从n＝4能级向低能级跃迁时，红外测温仪可捕捉到2种频率的红外线D．大量处于n＝2激发态的氢原子吸收能量为2.86 eV的光子后，辐射出的光子可能被红外测温仪捕捉
情境4 [2022·山东青岛二模](多选)如图为某同学设计的一个光电烟雾探测器，光源S发出一束波长为0.8 μm的红外线，当有烟雾进入探测器时，来自S的红外线会被烟雾散射进入光电管C，当红外线射到光电管中的金属表面时发生光电效应，当光电流大于8×10－9 A时，便会触发报警系统．已知元电荷e＝1.6×10－19 C，光在真空中的传播速度为3×108 m/s.
下列说法正确的是( )A．光电流的大小与光照强度无关B．若光源发出的是可见光，则该装置将会失去报警功能C．该金属的极限频率小于3.75×1014 HzD．若射向光电管C的光子中有10%会产生光电子，当报警器报警时，每秒射向该金属表面的光子数最少为5×1011个
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