2021年新高考物理二轮复习：专题七　光电效应　原子结构和原子核.pptx

1、光电效应光电效应 原子结构和原子核原子结构和原子核 专题七专题七 2021 内 容 索 引 02 03 体系构建体系构建 真题感悟真题感悟 高频考点高频考点 能力突破能力突破 01 价值引领价值引领 备考定向备考定向 价值引领价值引领 备考定向备考定向 核 心 要 求 核心价值 本专题的知识是物理学的重要组成部分,光电效应、核反应、光谱 在生产生活中有重要应用。通过本专题的学习,能使我们认识到近 代物理对人类生活的深远影响 学科素养 强化物质观念、相互作用观念、能量观念,提升科学思维素养中的 模型建构、科学推理、科学论证等方面的素养 关键能力 模型建构能力、逻辑推理能力、分析综合能力、信息加工

2、能力等 必备知识 光电效应现象、光子说、光电效应方程、德布罗意波、原子的核 式结构模型、玻尔原子理论、原子核的组成、放射性、原子核的 衰变、半衰期、结合能、裂变反应、聚变反应等 试题情境 本专题高考中常考的情境有:结合“光电管”考查光电效应,结合“荧光” 考查能级跃迁,结合“放射性同位素的应用”考查核反应方程和射线的 性质,结合“核反应堆”考查质能方程等 考查方式 本专题的考查通常出现在选择题中,突出考查学生对基本概念的理解 以及运用基本物理规律解决问题的能力 考向预测 本专题将以新科技成就为素材,从考查全部知识点向考查某一知识点 的深入理解方面转变,比如,对光电效应的理解和应用,对玻尔理论的

3、理 解,对核反应和核能的计算等,同时本专题与动量和能量守恒结合的问 题也不能忽视 体系构建体系构建 真题感悟真题感悟 【网络构建网络构建】 【高考真题高考真题】 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 eV D.若入射光子的能量为5.0 eV,相对光强越强,光电流越大 组 次 入射光子 的能量/eV 相对 光强 光电流 大小/m

4、A 逸出光电子的 最大动能/eV 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。 W=h-1 2 2 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

5、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全国卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV3.10 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( ) A.12.09 eV B.10.20 eV C.1.89 eV D.1.51 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

6、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全国卷)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表粒子的 有( ) A.1 2H+12H01n+X1 B.1 2H+13H01n+X2 C.92 235 U+0 1n56144Ba+3689Kr+3X3 D.0 1n+36Li13H+X4 答案 BD 解析 本题可根据核反应方程质量数和电荷数守恒分析。

7、根据核反应前后质 量数和电荷数守恒分析可知,A 项中的 X1为 2 3 He,B 项中的 X2为 2 4 He,C 项中 的 X3为 0 1 n,D 项中的 X4为 2 4 He。选项 B、D 正确。 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1.01022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2.9107 J,1 MeV=1.610-13 J,则m约为( ) A.40 kg B.100 kg C.400 kg

8、D.1 000 kg 4.(2020全国卷)氘核 1 2 H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反 应式61 2H224He+211H+201n+43.15 MeV 表示。海水中富含氘,已知 1 kg 海 答案 C 解析 1 MeV=1.6 10-13 J,1 kg 海水中氘核全都发生聚变反应释放的核能 W=1.010 22 6 43.15 MeV=1.151010 J,又标准煤的热值 q=2.9107 J/kg,则 m= =397 kg,约为 400 kg,C 正确,A、B、D 错误。 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

9、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。 高频考点高频考点 能力突破能力突破 考点一考点一 光电效应与光的粒子性光电效应与光的粒子性(H) 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=h-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 线与轴的交点的物理意义是极限频率c,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

10、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1和2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( ) A.频率为 1的单色光照射阴极 K 时光电子的最大初速度 vm1 = 21 B.阴极 K 金属的极限频率 0=21-12 2-1 C.普朗克常量 h=(2-1) 1-2 D.阴极 K 金属的逸出功 W=(12-21) 1-

11、2 答案 C 解析 光电子在电场中做减速运动,根据动能定理得-eU1=0-1 2 m1 2,则得光 电子的最大初速度 vm1= 21 ,A 正确;根据爱因斯坦光电效应方程得 h1=eU1+W,h2=eU2+W,联立可得普朗克常量为 h=(1 -2) 1-2 ,代入可得金属的 逸出功 W=h1-eU1=(1 2-21) 1-2 ,阴极 K 金属的极限频率为 0= = (12-21) 1-2 (1-2) 1-2 = 21-12 2-1 ,C 不正确,B、D 正确。 解题指导 审题 读取题干 获取信息 电流计中电流恰为零 电子到达阳极的速度恰好为零 用频率为1的单色光照射阴极,测量到的 反向截止电压

12、为U1 电场力做的功为-eU1 用频率为2的单色光照射阴极,测量到的 反向截止电压为U2 电场力做的功为-eU2 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。 【类题演练类题演练】 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 频率的关系如图所示。普朗克常量、金属材料的逸出功分别为( ) A. ,b B. , 1 C. ,b D. , 1 答案 A 解析 根据Ekm=h-W0得纵轴截距的绝对值等于金属的逸出功,等于b,图

13、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 A.该金属的截止频率为 B.该金属的遏止电压为- 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h,只有满足hW,便能发生光电效应,所以金属的逸出功为 W=h0,即金属的截止频率为0=

14、 ,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=h-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.

15、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=h-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。 考点二考点二 原子结构和能级跃迁原子结构和能级跃迁(M)

16、 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 E=h=|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: 用数学中的组合知识求解: 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=1.610-19 J N=

17、C 2 = (-1) 2 。 【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 n3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 2(+1) 1 2

18、答案 C 解析 巴尔末线系能级差最小的为n=3能级跃迁到n=2能级,其频率最小,波长最 长,对应的能量为 E32=E3-E2=1 9 1 4 =- 5 36E1=1.89 eV,A 错误;氢原子从基态跃迁 到激发态需要吸收能量,则氢原子的总能量(动能和电势能之和)变大,而电子的 轨道半径变大,库仑力做负功,则电势能增大,跃迁后的库仑力提供向心力 k 2 2=m 2 ,可得 v= 2 ,故半径变大后,电子的速度变小,电子的动能变小,B 错误; 基态氢原子中的电子吸收一频率为 的光子被电离,由能量守恒定律,有 h-(0-E1)=1 2mv 2,解得自由电子的速度为v= 2(+1) ,C正确;一个处

19、于n=4的激发 态的氢原子向低能级跃迁,逐级向下辐射出的光子种类最多为(4-1)=3 种,D 错误。 【类题演练类题演练】 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

20、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,

21、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

22、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E=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

23、,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h=E4-E1=12.75 eV,由爱因斯坦光电效应方程可得 最大初动能Ek=h-W0=10.2 eV,D正确。 考点三考点三 核反应和核能的计算核反应和核能的计算(H) 归纳总结 (1)原子核的衰变 衰变实质: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;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; 衰变伴随着衰变或衰变同时发生,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。 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

24、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m利用E=mc2计算释放的核能 根据E=mc2计算时,m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”。 根据E=m931.5 MeV计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。 (3)核力和结合能 核力是强相互作用的一种表现。 核力是短程力,作用范围在1.510-15 m之内。 每个核子只跟它的相邻核子间有核力作用。 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。 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

25、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 (92 285 U)是获得核能的主要原料之一,其中一种核反应方程为 92 235 U+0 1nX+ 38 94 Sr+20 1n 并释放核能,下列说法正确的是( ) A.该核反应是重核裂变,产物的结合

26、能之和大于铀核(92 285 U)的结合能 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。 【类题演练类题演练】 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+BC。但对 于金、铂等重金属,目前科学界有一种

27、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+EF,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

28、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 A.粒子轰击 7 14 N,生成 8 17 O,并产生了中子 B. 92 238 U经过 4次 衰变,2次 衰变,新核与原来的原子核相比,中子数少了 6个 答案 D 2次衰变,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 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。 解析 粒子轰击 7 14 N,生成 8 17 O,并产生了质子,A 错误;92 238U 经过 4 次 衰变,