專題16近代物理初步【講】

目錄

一講核心素養(yǎng)..................................................................................1

二講必備知識..................................................................................1

【知識點(diǎn)一】光電效應(yīng)現(xiàn)象和方程的應(yīng)用......................................................1

【知識點(diǎn)二】光的波粒二象性和物質(zhì)波........................................................3

【知識點(diǎn)三】玻爾理論和能級躍遷............................................................4

【知識點(diǎn)四】原子核的衰變及半衰期..........................................................6

【知識點(diǎn)五】核反應(yīng)及核反應(yīng)類型............................................................8

三.講關(guān)鍵能力.................................................................................9

能力點(diǎn)一會分析光電效應(yīng)的圖像問題.........................................................9

能力點(diǎn)二質(zhì)量虧損及核能的計算............................................................10

講核心素養(yǎng)

核心素養(yǎng)及關(guān)鍵能力

課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容及要求

核心素養(yǎng)關(guān)鍵能力

1.了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子的核式結(jié)構(gòu)

模型構(gòu)建物理建模能力

模型。通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu)。

2.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。

物理規(guī)律理解能力

能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫出核反應(yīng)方程。

3.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計意義。了

物理規(guī)律理解能力

解放射性同位素的應(yīng)用，知道射線的危害與防護(hù)。

4.認(rèn)識原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)

科學(xué)推理分析計算能力

注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。

5.通過實(shí)驗(yàn)，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方

物理規(guī)律分析計算能力

程及其意義。能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論說明光的波粒二象性。

6.知道實(shí)物粒子具有波動性，了解微觀世界的量子化特征。

體會量子論的建立對人們認(rèn)識物質(zhì)世界的影響。

二講必備知識

【知識點(diǎn)一】光電效應(yīng)現(xiàn)象和方程的應(yīng)用

1.對光電效應(yīng)的四點(diǎn)提醒

(1)能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強(qiáng)度而取決于光的頻率。

(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。

(3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān)。

(4)光電子不是光子，而是電子。

2.兩條對應(yīng)關(guān)系

⑴光的強(qiáng)度大一光子數(shù)目多一發(fā)射光電子多一光電流大。

(2)光子頻率高一光子能量大一產(chǎn)生光電子的最大初動能大T遏止電壓大。

3.定量分析時應(yīng)抓住三個關(guān)系式

⑴愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek=hv-W0o

(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：Wo=7zvco

[例1](2021?山東濰坊市第二次高考模擬汝口圖所示，分別用頻率為v、2V的光照射某光

電管，對應(yīng)的遏止電壓之比為1：3,普朗克常量用//表示，貝U()

A.用頻率為的光照射該光電管時有光電子逸出

B.該光電管的逸出功為品

C.用2V的光照射時逸出光電子的初動能一定大

D.加正向電壓時，用2V的光照射時飽和光電流一定大

【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念及科學(xué)思維。

【技巧總結(jié)】區(qū)分光電效應(yīng)中的三組概念

(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面

受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子。光子是因，光電子是果。

(2)光電子的動能與光電子的最大初動能。

(3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達(dá)陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加

正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，

飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。

【變式訓(xùn)練1】(2021?陽江模擬)用如圖所示的光電管研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，用某種頻率的

單色光a照射光電管陰極K,電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而用另一頻率的單色光b照射光

電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么()

光

A.。光的波長一定大于6光的波長

B.增加b光的強(qiáng)度可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)

C.用a光照射光電管陰極K時通過電流計G的電流是由d到c

D.只增加a光的強(qiáng)度可使通過電流計G的電流增大

【變式訓(xùn)練2］（多選）在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，分別用頻率為為、出的單色光a、6照射到同種金

屬上，測得相應(yīng)的遏止電壓分別為“和“，光電子的最大初動能分別為Ek“和反》。h為普

朗克常量。下列說法正確的是（）

A.若%>出，則一定有

B.若Va>Vb，則一定有Eka>Ekb

C.若Ua〈Ub，則一定有Eka<Ekfe

D.若Va>Vb>則一定有hva—Eva>hvb—Ekb

【知識點(diǎn)二】光的波粒二象性和物質(zhì)波

1.從數(shù)量上看

個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。

2.從頻率上看

頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，貫穿本

領(lǐng)越強(qiáng)，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象。

3.從傳播與作用上看

光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。

4.波動性與粒子性的統(tǒng)一

由光子的能量￡=人、光子的動量表達(dá)式p=f也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾，

表示粒子性的能量和動量的計算式中都含有描述波動性的物理量一頻率v和波長九

【例2】（2021?朔州模擬）下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是（）

A.有的光是波，有的光是粒子

B.光子與電子是同樣的一種粒子

C.光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著

D.大量光子的行為往往顯示出粒子性

【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念。

【變式訓(xùn)練11(2021?北京市第13中學(xué)開學(xué)測試加、b兩束單色光分別用同一雙縫干涉裝置

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在距雙縫恒定距離的屏上得到如圖所示的干涉圖樣，圖7甲是。光照射時形成的

干涉圖樣，圖乙是b光照射時形成的干涉圖樣。下列關(guān)于a、b兩束單色光的說法正確的是

()

n甲nri乙i

A.“光子的能量較大

B.在水中a光傳播的速度較小

C.若用b光照射某金屬沒有光電子逸出，則a光照射該金屬時也沒有光電子逸出

D.若a光是氫原子的核外電子從第三能級向第二能級躍遷時產(chǎn)生的，則b光可能是氫原子的

核外電子從第四能級向第三能級躍遷時產(chǎn)生的

【變式訓(xùn)練2】侈選)(2021?四川涼山州第二次診斷)下列說法中正確的有()

A.光在介質(zhì)中的速度小于光在真空中的速度

B.紫外線比紫光更容易發(fā)生干涉和衍射

C.光的偏振現(xiàn)象說明光是縱波

D.由紅光和綠光組成的一細(xì)光束從水中射向空氣，在不斷增大入射角時水面上首先消失的是

綠光

【知識點(diǎn)三】玻爾理論和能級躍遷

1.定態(tài)間的躍遷一滿足能級差

躍遷

(1)從低能級⑴)-----＞高能級(M—＞吸收能量。

hv=Em~En

躍遷

(2)從高能級(加)-----＞低能級(〃)一＞放出能量。

hv—Em—En

2.電離

電離態(tài)與電離能

電離態(tài)：”=8,E—Q

基態(tài)—電離態(tài)：E吸=0一(―13.6eV)=13.6eV。

激發(fā)態(tài)—電離態(tài)：E吸＞0一瓦=|瓦|。

若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能。

【例3】(多選)(2021?永州市模擬)如圖所示是玻爾為解釋氫原子光譜畫出的氫原子能級示意

圖。大量處于〃=3能級的氫原子向低能級躍遷放出若干頻率的光子，設(shè)普朗克常量為h,

下列說法正確的是()

nE

8O

4&

3￡

2氏

1----------------瓦

A.能產(chǎn)生3種不同頻率的光子

B.產(chǎn)生的光子的最大頻率為然以

C.當(dāng)氫原子從能級"=2躍遷到”=1時，氫原子的能量變大

D.若氫原子從能級”=2躍遷到〃=1時放出的光子恰好能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則當(dāng)氫

原子從能級〃=3躍遷到n=l時放出的光子照到該金屬表面時,逸出的光電子的最大初動能

為田一及

【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念。

【技巧總結(jié)】L原子的兩類能級躍遷

(1)自發(fā)躍遷：高能級-低能級，釋放能量，發(fā)出光子。

(2)受激躍遷：通過光照、撞擊或加熱等，低能級T高能級，當(dāng)吸收的能量大于或等于原子

所處能級的IE.I，原子將發(fā)生電離。

⑶原子在兩個能級之間發(fā)生躍遷時，放出(或吸收)光子的頻率是一定的，可由hv=Em-En

求得。若求波長可由公式c=A求得。

2.電離

電離態(tài)與電離能

電離態(tài)：n—co,E—0

基態(tài)—電離態(tài)：E吸＞0一(一13.6eV)=13.6eV。

激發(fā)態(tài)—電離態(tài)：E吸＞0—&=|&|。

若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能。

3.解答氫原子能級圖與原子躍遷問題應(yīng)注意

(1)能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由hv=Em-E,,決定,波長可由公式c=、求

得。

(2)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為n-1.

(3)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法。

①用數(shù)學(xué)中的組合知識求解："=%=以守。

②利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加。

【變式訓(xùn)練1】［2021?江蘇省統(tǒng)考（三）］為了做好疫情防控工作，小區(qū)物業(yè)利用紅外測溫儀對

出入人員進(jìn)行體溫檢測。紅外測溫儀的原理是：被測物體輻射的光線只有紅外線可被捕捉,

并轉(zhuǎn)變成電信號。圖為氫原子能級示意圖，已知紅外線單個光子能量的最大值為1.62eV,

要使氫原子輻射出的光子可被紅外測溫儀捕捉，最少應(yīng)給處于〃=2激發(fā)態(tài)的氫原子提供的

能量為（）

nE/eV

2-----------------------3.40

1---------------------13.60

A.10.20eVB.2.89eV

C.2.55eVD.1.89eV

【變式訓(xùn)練2】（2021?山東青島市5月統(tǒng)一質(zhì)量檢測）已知?dú)湓幽芗壒綖镋,,有,其中

n為量子數(shù)。氫原子從n能級向n-l能級躍遷時釋放出的能量可以使處于n能級上的氫原

子電離，則”的最大值為（）

A.2B.3

C.2+V2D.4

【知識點(diǎn)四】原子核的衰變及半衰期

1.衰變規(guī)律及實(shí)質(zhì)

（l）a衰變和B衰變的比較

衰變類型a衰變P衰變

衰變過程第UY+tHe水―zAY+—Ye

2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體

1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子

衰變實(shí)質(zhì)射出

2+H+2jnTHe版一出+-盟

勻強(qiáng)磁場中軌

跡形狀°o

衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒

（2R射線：丫射線經(jīng)常伴隨著a衰變或。衰變同時產(chǎn)生。其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生a衰

變或P衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量（原子核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子。

2.確定衰變次數(shù)的方法

因?yàn)镻衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，所以先由質(zhì)量數(shù)的改變確定a衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)

律確定B衰變的次數(shù)。

3.半衰期

（1）公式：N條=N除導(dǎo)?，"余=機(jī)原（；）%

⑵影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的，跟原子所處的物理

狀態(tài)（如溫度、壓強(qiáng)）或化學(xué)狀態(tài)（如單質(zhì)、化合物）無關(guān)。

4.衰變中的動量問題：滿足動量守恒定律。

【例4】（多選）關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是（）

A.若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將變大

B.（3衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶訒r產(chǎn)生的

C.在a、卜丫這三種射線中，丫射線的穿透能力最強(qiáng)，a射線的電離能力最強(qiáng)

D.鈾核（贊U）衰變?yōu)殂U核（鏘Pb）的過程中，要經(jīng)過8次a衰變和6次p衰變

【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念。

【技巧總結(jié)】對半衰期的理解

（1）半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計規(guī)律，對個別或少量原子核，無半衰期可言。

（2）根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式雙余="娘自Z

根原&）匕式中N原、機(jī)原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、根余表示衰變后尚

未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，，表示衰變時間，r表示半衰期。

【變式訓(xùn)練1]（多選）（2021?福建泉州市第一次質(zhì)檢）活體生物由于需要呼吸，其體內(nèi)的14C

含量大致不變，死后停止呼吸，體內(nèi)的14c含量開始減少。由于碳元素在自然界的各個同位

素的比例一直都很穩(wěn)定，人們可通過測定古木的14c含量，來估計它的大概年齡，這種方

法稱之為碳定年法。"c衰變?yōu)?N的半衰期約為5730年，某古木樣品中14c的比例約為

現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一。下列說法正確的是（）

A.該古木的年齡約為5730年

BP4c與MN具有相同的中子數(shù)

c.14c衰變?yōu)?4N的過程中放出p射線

D.升高古木樣品所處環(huán)境的溫度將加速14C的衰變

【變式訓(xùn)練2]（2021?北京市密云區(qū)下學(xué)期第一次測試）一個鑼U原子核靜止在磁感應(yīng)強(qiáng)度

為8的勻強(qiáng)磁場中，當(dāng)原子核發(fā)生衰變后，它放出一個a粒子?He）,其速度方向與磁場方

向垂直。關(guān)于a粒子與衰變后的新核在磁場中做的圓周運(yùn)動，下列說法正確的是（）

A.運(yùn)動半徑之比是45：1

B.運(yùn)動周期之比是1：117

C.動能總是大小相等

D.動量總是大小相等，方向相反

【知識點(diǎn)五】核反應(yīng)及核反應(yīng)類型

L核反應(yīng)的四種類型

類型可控性核反應(yīng)方程典例

衰a衰變自發(fā)贊U—>^Th+lHe

變B衰變自發(fā)筑Th—>Wa+-?e

W+lHe—+田（盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子）

夕He+?Be—>/C+|n（查德威克發(fā)現(xiàn)中子）

人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?/p>

召Al+SHe―>呼+而約里奧?居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同

否P―>?2Si++?e位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子

比較容易進(jìn)W+An―>Wa+iKr+3in

重核裂變

行人工控制WU+in—>WXe+砥Sr+lOjn

輕核聚變很難控制汨+汨一>，He+|n

2.核反應(yīng)方程式的書寫

（1）熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子（IH）、中子（血）、a粒

子?He）、B粒子（一㈣、正電子（O+ie）、氣核（汨）、于核（汨）等。

（2）掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的

依據(jù)，由于核反應(yīng)不可逆，所以書寫核反應(yīng)方程式時只能用“一”表示反應(yīng)方向。

（3）核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。

【例5】（2021?山東省等級考試第二次模擬卷）在核反應(yīng)堆中,卻U吸收一個中子后生成費(fèi)Pu,

贊Pu是重要的核燃料，其衰變方程式為贊PUT$U+SHe+y。以下說法正確的是（）

A.贊Pu衰變過程是一個p衰變過程

B.費(fèi)Pu衰變過程質(zhì)量數(shù)守恒，所以沒有核能量釋放

C.贄Pu衰變過程中的y光子是由鏘U原子核能級躍遷產(chǎn)生的

D.贊U吸收一個中子后生成贊Pu的核反應(yīng)過程是一個a衰變過程

【變式訓(xùn)練】（2021?山東泰安市一輪檢測）下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是（）

A鐲Th-鉀Pa+de是p衰變方程，贊U-筑Th+，He是核裂變方程

B.鍍U+血一組Ba+然Kr+3而是核裂變方程，也是氫彈的核反應(yīng)方程

C.鉗Th衰變?yōu)樘鍾h,經(jīng)過3次a衰變，2次p衰變

D.鋁核召A1被a粒子擊中后產(chǎn)生的反應(yīng)生成物是磷海P,同時放出一個質(zhì)子

三.講關(guān)鍵能力

能力點(diǎn)一會分析光電效應(yīng)的圖像問題

圖像名稱圖線形狀由圖線直接（間接）得到的物理量

①極限頻率：圖線與V軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)打

最大初動能Ek與入射光②逸出功：圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的絕對

O

頻率V的關(guān)系圖線值Wo=|一E|=E

-E③普朗克常量：圖線的斜率/=//

/強(qiáng)光（黃）①遏止電壓九：圖線與橫軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)

顏色相同、強(qiáng)度不同的/.心光（黃）

②飽和光電流7ml、Zm2：光電流的最大值

光，光電流與電壓的關(guān)系

/③最大初動能：Ek=eUc

aoU

上一黃光①遏止電壓Uci、uc2

光的顏色不同時，光電流二一藍(lán)光

②飽和光電流

與電壓的關(guān)系上

UsUc2(）U③最大初動能Eki=eUci，Ek2=eUc2

①極限頻率右：圖線與橫軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值

[②遏止電壓伍：隨入射光頻率的增大而增大

遏止電壓a與入射光頻

③普朗克常量〃：等于圖線的斜率與電子電荷

率V的關(guān)系圖線

量的乘積，即〃=腕（注：此時光電管兩極之間

O%V

接反向電壓）

【例1】（2021?桂林、百色和崇左市第三次聯(lián)考）金屬在光的照射下產(chǎn)生光電效應(yīng)，其遏止電

壓尻與入射光頻率v的關(guān)系圖象如圖所示。則由圖象可知（）

A.入射光頻率越大，該金屬的逸出功越大

B.入射光的頻率越大，則遏止電壓越大（v>vo）

C.由圖可求出普朗克常量/z==

Vo

D.光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比

【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念。

【方法技巧】圖象的分析方法

（1）明確點(diǎn)、線的物理意義。

（2）明確圖象斜率的物理意義。

（3）明確圖象面積的物理意義。

【變式訓(xùn)練1】（2021?山東省等級考試第二次模擬卷）如圖甲為光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的電路圖，利用

不同頻率的光進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，測得光電管兩極間所加電壓U與光電流/的關(guān)系如圖乙

中4、。、c、d四條曲線所示。用V。、V"Vc、V"表示四種光的頻率，下列判斷正確的是（）

A.Vb>Vc>Vd>VaB.Vd>Vb>Vc>Va

C.Vd>Vc>Vb>VaD.Va>Vc>Vb>Vd

【變式訓(xùn)練2】（多選）（2021?遼寧營口市下學(xué)期3月考）某同學(xué)在研究某金屬的光電效應(yīng)現(xiàn)象

時，發(fā)現(xiàn)該金屬逸出光電子的最大初動能&與入射光頻率v的關(guān)系如圖所示。若圖線在橫、

縱坐標(biāo)軸上的截距分別為。和一b,已知電子所帶電荷量為e,由圖線可以得到（）

A.該金屬的逸出功為零

B.普朗克常量為h今單位為［Hz

C.當(dāng)入射光的頻率為2a時，逸出光電子的最大初動能為6

D.當(dāng)入射光的頻率為3a時，遏止電壓為2詈b

能力點(diǎn)二質(zhì)量虧損及核能的計算

1.利用質(zhì)能方程計算核能

（1）根據(jù)核反應(yīng)方程，計算出核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Amo

（2）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程AEuAmc2計算核能。

①中，若△機(jī)的單位用“kg”，c的單位用“m/s”，則△￡的單位為“J”。

②AE=A〃ZC2中，若&"的單位用“u”，則可直接利用AE=A〃zx93L5MeV/u計算，此時AE

的單位為“MeV"，即1u=1.6606xl0-27kg,相當(dāng)于931.5MeV,這個結(jié)論可在計算中直接

應(yīng)用。