高中物理高考 专题七　光电效应　原子结构和原子核—2021届高考物理二轮总复习课件

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1.(2019北京卷)光电管是一种利用光照射产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)A.两组实验采用了不同频率的入射光B.两组实验所用的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0 eV,逸出光电子的最大动能为1.9 eVD.若入射光子的能量为5.0 eV,相对光强越强,光电流越大
答案 B解析 两组实验入射光的能量不同,以此可知,采用了不同频率的入射光,A正确;根据爱因斯坦光电方程,金属的逸出功 ,代入上述实验数据得两组的逸出功相同,均等于3.1 eV,以此可知两组实验所用的金属板材质相同,B错误;若入射光子的能量5.0 eV,代入爱因斯坦光电方程,逸出光电子的最大动能为1.9 eV,C正确;若入射光子的能量为5.0 eV,发生光电效应,相对光强越强,光电子越多,光电流越大,D正确。
情境剖析 本题以教材中的用光电管探究光电流大小和光电子的最大初动能实验为素材创设学习探究类问题情境。素养能力 本题突出了实验的操作、分析、探究能力的考查,体现了核心素养中科学探究、科学态度要素,体现了劳动实践、科学探索的价值观。
2.(2019全国Ⅰ卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV~3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n=1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子,最少应给氢原子提供的能量为(　　) eV
答案 A解析 氢原子从能级2向能级1跃迁时,辐射的光子能量为10.2 eV,不是可见光。氢原子从能级3向能级2跃迁时,辐射的光子能量为1.89 eV,是可见光,所以只要把氢原子跃迁到能级3就可以辐射可见光。氢原子从能级1向能级3跃迁时,吸收的光子能量为12.09 eV,A正确,B、C、D错误。
情境剖析 本题属于基础性题目,以教材中的氢原子能级示意图为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查学生是否具有原子能级跃迁的物理观念素养,考查关键能力中的建模能力。
3.(多选)(2020全国Ⅰ卷)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的有(　　)
情境剖析 本题考查核反应方程,属于基础性题目。素养能力 本题考查考生对核反应方程中两个守恒的理解,考查关键能力中的推理能力。
水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为m的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV=1.6×10-13 J,则m约为(　　)A.40 kgB.100 kgC.400 kgD.1 000 kg
情境剖析 本题以聚变反应为素材创设学习探索类问题情境。素养能力 本题考查是否能正确认识质能方程等物理观念素养,考查关键能力中的理解能力和科学论证能力等。
归纳总结　1.光电效应的研究思路:(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。
2.爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0的研究对象是金属表面的电子,光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大(如图所示),直线的斜率为h,直线与ν轴的交点的物理意义是极限频率νc,直线与Ek轴交点的物理意义是逸出功W0的负值。
【典例1】(2020广东广州二调)某同学釆用如图所示的装置来研究光电效应现象。某单色光照射光电管的阴极K时,会发生光电效应现象,闭合开关S,在阳极A和阴极K之间加反向电压,通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压,直至电流计中电流恰为零,此时电压表显示的电压值U称为反向截止电压。现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极,测量到的反向截止电压分别为U1和U2,设电子质量为m,电荷量为e,则下列关系式中不正确的是(　　)
破题对电子从阴极到阳极的过程中,根据动能定理可求出两个电子分别逸出的最大初动能,对两个电子分别从阴极逸出过程,根据光电效应方程分别列式,联立可求出逸出功和普朗克常量,进而求出极限频率。
1.(2020广东广州一模)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(　　)
答案 A解析 根据Ekm=hν-W0得纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功,等于b,图线的斜率k= =h,故A正确,B、C、D错误。
2.(2020安徽蚌埠三检)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(　　)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解析 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,入射光的能量为hν,只有满足hν>W,便能发生光电效应,所以金属的逸出功为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称为遏制电压,为Uc= ,再根据爱因斯坦的光电效应方程,可得光电子的最大初动能为Ek=hν-W,所以该金属的遏止电压为Uc= ,B正确;增大入射光的强度,单位时间内的光子数目会增大,发生了光电效应后,单位时间内发射的光电子数将增大,C错误;由爱因斯坦的光电效应方程可知,增大入射光的频率,光电子的最大初动能将增大,D错误。
3.(2020安徽合肥二检)某实验小组用同一光电管完成了光电效应实验,得到了光电流与对应电压之间的关系图像甲、乙、丙,如图所示。则下列说法正确的是(　　)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.甲光的光强大于丙光的光强D.甲光和丙光产生的光电子的最大初动能不相等
答案 C解析 根据eUc=Ek=hν-W0,入射光的频率越高,对应的遏止电压Uc越大。甲光的遏止电压小于乙光,所以甲光频率小于乙光的频率,A错误;丙光的遏止电压小于乙光的遏止电压,所以丙光的频率小于乙光的频率,则乙光的波长小于丙光的波长,B错误;由于甲光的饱和光电流大于丙光饱和光电流,两光频率相等,所以甲光的强度高于丙光的强度,C正确;甲光的遏止电压等于丙光的遏止电压,由Ekm=e·U遏可知,甲光对应的光电子最大初动能等于丙光的光电子最大初动能,D错误。
归纳总结　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)一个处于第n能级的氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n-1。(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法:①用数学中的组合知识求解:②利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。(5)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,且单位为电子伏特,计算时需换算单位,1 eV=1.6×10-19 J
【典例2】(2020河北石家庄第二中学检测)已知氢原子的基态能量为E1,激发态能量为En= ,其中n=2,3,4……已知普朗克常量为h,电子的质量为m。巴尔末线系是氢原子从n≥3的各个能级跃迁至n=2能级时辐射光的谱线,则下列说法中正确的是(　　)A.巴尔末线系中波长最长的谱线对应光子的能量为3.40 eV
B.氢原子从基态跃迁到激发态后,核外电子动能减小,原子的电势能增大,动能和电势能之和不变C.基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后,电子速度大小为D.一个处于n=4的激发态的氢原子,向低能级跃迁时最多可辐射出6种不同频率的光
4.(2020东北三省三校第三次联考)关于原子能级跃迁,下列说法正确的是(　　)A.处于n=3能级的一个氢原子回到基态时可能会辐射3种频率的光子B.各种气体原子的能级不同,跃迁时发射光子的能量(频率)不同,因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯C.氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,会辐射一定频率的光子,同时氢原子的电势能减小,电子的动能减小D.已知氢原子从基态跃迁到某一激发态需要吸收的能量为12.09 eV,则动能等于12.09 eV的另一个氢原子与这个氢原子发生正碰,可以使这个原来静止并处于基态的氢原子跃迁到该激发态
答案 B解析 处于n=3的一个氢原子回到基态时可能会辐射1种频率的光子,或2种不同频率的光子。处于n=3的“一群”氢原子回到基态时会辐射3种频率的光子,A错误;根据玻尔理论,各种气体原子的能级不同,跃迁时发射光子的能量(频率)不同,因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯,B正确;氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,会辐射一定频率的光子,同时氢原子的电势能减小,电子的动能增大,C错误;根据能量守恒可知,要使原来静止并处于基态的氢原子从基态跃迁到某一激发态,需要吸收的能量为12.09 eV,则必须使动能比12.09 eV大得足够多的另一个氢原子与这个氢原子发生碰撞,才能跃迁到某一激发态,D错误。
5.(2020吉林长春二模)氢原子的能级图如图所示,有一群处于n=4能级的氢原子,若氢原子从n=4能级向n=2能级跃迁时所辐射出的光恰能使某种金属A发生光电效应,则下列说法中正确的是(　　)A.这群氢原子辐射出的光中共有3种频率的光能使金属A发生光电效应
B.如果辐射进来能量为0.32 eV的光子,可以使氢原子从n=4能级向n=5能级跃迁C.如果辐射进来能量为1.32 eV的光子,不可以使处于n=4能级的氢原子发生电离D.用氢原子从n=4能级向n=1能级跃迁时辐射出的光照射金属A,所产生的光电子的最大初动能为10.2 eV
答案 D解析 氢原子从n=4能级向低能级跃迁时可以辐射出6种频率的光子,其中只有从n=4能级向n=3能级跃迁时所辐射出的光子以及从n=3能级向n=2能级跃迁时所辐射出的光子的能量小于从n=4能级向n=2能级跃迁时所辐射出的光子的能量,不能使金属A发生光电效应,故共有4种频率的光能使金属A发生光电效应,A错误;因为从n=4能级向n=5能级跃迁时所需要的能量为ΔE=E5-E4=0.31 eV,不等于光子能量为0.32 eV,B错误;因为要使处于n=4能级的氢原子发生电离,所需要的能量只要大于0.85 eV就可以,C错误;由题意可知,金属A的逸出功为2.55 eV,氢原子从n=4能级向n=1能级跃迁时所辐射出光子的能量为hν=E4-E1=12.75 eV,由爱因斯坦光电效应方程可得最大初动能Ek=hν-W0=10.2 eV,D正确。
归纳总结　(1)原子核的衰变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产生的能量。②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。
(2)应用质能方程解题的流程图书写核反应方程→计算质量亏损Δm→利用ΔE=Δmc2计算释放的核能①根据ΔE=Δmc2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×931.5 MeV计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。(3)核力和结合能①核力是强相互作用的一种表现。②核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m之内。③每个核子只跟它的相邻核子间有核力作用。④核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫做原子核的结合能,亦称核能。⑤原子核的结合能与核子数之比,叫做比结合能,也叫做平均结合能。不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
【典例3】(2020三湘名校二联)中国核学会发布消息称,截至2019年6月底,中国大陆在运核电机组47台,装机容量4 873万千瓦,位居全球第三。铀核B.该核反应在中子的轰击下发生,核反应为人工转变C.X原子核中的核子数为140个,中子数为84个D.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数减少
答案 A解析 结合质量数守恒与电荷数守恒可知,铀核裂变的产物为氙核和锶核,并会释放能量,则裂变产物的结合能之和一定大于铀核的结合能,A正确;该核反应为重核裂变,不是人工转变,B错误;X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个,中子数为140-(92-38)=86个,C错误;裂变时释放能量,存在质量亏损,但是总质量数不变,D错误。
6.(2020河南六市一调)原子核的比结合能与原子序数的关系如图所示,大多数恒星内部温度非常高,可进行轻核聚变,核反应方程为A+B→C。但对于金、铂等重金属,目前科学界有一种理论认为,两颗中子星合成过程中会释放巨大的能量,在能量的作用下能够合成金、铂等重金属,其核反应为D+E→F,下列说法正确的是(　　)A.重核F裂变成D和E的过程中,会产生质量亏损B.较轻的核A和B聚合成C的过程中核子平均质量变大C.较重的核D和E聚合成F的过程中,会释放较大能量D.A和B聚合成C的过程中,C的结合能小于A和B的结合能之和
答案 A解析 重核F裂变成D和E的过程中要释放出能量,会产生质量亏损;相反,较重的核D和E聚合成F的过程中,会吸收较大能量,A正确,C错误;较轻的核A和B聚合成C的过程也要释放能量,有质量亏损,则核子平均质量变小,C的结合能大于A和B的结合能之和,B、D错误。
7.(2020河南郑州第二次预测)2020年3月15日中国散列中子源(CSNS)利用中子成像技术帮助中国科技大学进行了考古方面的研究。散射中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置。CNSN是我国重点建设的大科学装置,将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源。下列关于中子研究的说法正确的是(　　)C.放射性β射线其实质是高速中子流,可用于医学的放射治疗D.核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度
答案 D2次β衰变,新核质量数为222,电荷数为86,中子数为136,原来的原子核中子数为238-92=146,则与原来的原子核相比,中子数少了10个,B错误;放射性β射线其实质是高速电子流,C错误;核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度,D正确。