專題16近代物理初步【講】

目錄

一講核心素養..................................................................................1

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

【知識點一】光電效應現象和方程的應用......................................................1

【知識點二】光的波粒二象性和物質波........................................................3

【知識點三】玻爾理論和能級躍遷............................................................4

【知識點四】原子核的衰變及半衰期..........................................................6

【知識點五】核反應及核反應類型............................................................8

三.講關鍵能力.................................................................................9

能力點一會分析光電效應的圖像問題.........................................................9

能力點二質量虧損及核能的計算............................................................10

講核心素養

核心素養及關鍵能力

課程標準內容及要求

核心素養關鍵能力

1.了解人類探索原子及其結構的歷史。知道原子的核式結構

模型構建物理建模能力

模型。通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構。

2.了解原子核的組成和核力的性質。知道四種基本相互作用。

物理規律理解能力

能根據質量數守恒和電荷守恒寫出核反應方程。

3.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統計意義。了

物理規律理解能力

解放射性同位素的應用，知道射線的危害與防護。

4.認識原子核的結合能，了解核裂變反應和核聚變反應。關

科學推理分析計算能力

注核技術應用對人類生活和社會發展的影響。

5.通過實驗，了解光電效應現象。知道愛因斯坦光電效應方

物理規律分析計算能力

程及其意義。能根據實驗結論說明光的波粒二象性。

6.知道實物粒子具有波動性，了解微觀世界的量子化特征。

體會量子論的建立對人們認識物質世界的影響。

二講必備知識

【知識點一】光電效應現象和方程的應用

1.對光電效應的四點提醒

(1)能否發生光電效應，不取決于光的強度而取決于光的頻率。

(2)光電效應中的“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。

(4)光電子不是光子，而是電子。

2.兩條對應關系

⑴光的強度大一光子數目多一發射光電子多一光電流大。

(2)光子頻率高一光子能量大一產生光電子的最大初動能大T遏止電壓大。

3.定量分析時應抓住三個關系式

⑴愛因斯坦光電效應方程：Ek=hv-W0o

(2)最大初動能與遏止電壓的關系：Ek=eUc。

(3)逸出功與極限頻率的關系：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

【素養升華】本題考察的學科素養主要是物理觀念及科學思維。

【技巧總結】區分光電效應中的三組概念

(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

受到光照射時發射出來的電子，其本質是電子。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陽極，回路中便產生光電流，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。

【變式訓練1】(2021?陽江模擬)用如圖所示的光電管研究光電效應的實驗中，用某種頻率的

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

電管陰極K時，電流計G的指針不發生偏轉，那么()

光

A.。光的波長一定大于6光的波長

B.增加b光的強度可能使電流計G的指針發生偏轉

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光的強度可使通過電流計G的電流增大

【變式訓練2］（多選）在光電效應實驗中，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

【知識點二】光的波粒二象性和物質波

1.從數量上看

個別光子的作用效果往往表現為粒子性；大量光子的作用效果往往表現為波動性。

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象；頻率越高粒子性越顯著，貫穿本

領越強，越不容易看到光的干涉和衍射現象。

3.從傳播與作用上看

光在傳播過程中往往表現出波動性；在與物質發生作用時往往表現為粒子性。

4.波動性與粒子性的統一

由光子的能量￡=人、光子的動量表達式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

【素養升華】本題考察的學科素養主要是物理觀念。

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

進行實驗，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生的

【變式訓練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生干涉和衍射

C.光的偏振現象說明光是縱波

D.由紅光和綠光組成的一細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

【知識點三】玻爾理論和能級躍遷

1.定態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

電離態與電離能

電離態：”=8,E—Q

基態—電離態：E吸=0一(―13.6eV)=13.6eV。

激發態—電離態：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.能產生3種不同頻率的光子

B.產生的光子的最大頻率為然以

C.當氫原子從能級"=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生光電效應，則當氫

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

【素養升華】本題考察的學科素養主要是科學思維與物理觀念。

【技巧總結】L原子的兩類能級躍遷

(1)自發躍遷：高能級-低能級，釋放能量，發出光子。

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

所處能級的IE.I，原子將發生電離。

⑶原子在兩個能級之間發生躍遷時，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

電離態與電離能

電離態：n—co,E—0

基態—電離態：E吸＞0一(一13.6eV)=13.6eV。

激發態—電離態：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注意

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

得。

(2)一個氫原子躍遷發出可能的光譜線條數最多為n-1.

(3)一群氫原子躍遷發出可能的光譜線條數的兩種求解方法。

①用數學中的組合知識求解："=%=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。

【變式訓練1】［2021?江蘇省統考（三）］為了做好疫情防控工作，小區物業利用紅外測溫儀對

出入人員進行體溫檢測。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，最少應給處于〃=2激發態的氫原子提供的

能量為（）

nE/eV

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

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

A.10.20eVB.2.89eV

C.2.55eVD.1.89eV

【變式訓練2】（2021?山東青島市5月統一質量檢測）已知氫原子能級公式為E,,有,其中

n為量子數。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

【知識點四】原子核的衰變及半衰期

1.衰變規律及實質

（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個質子和2個中子結合成一個整體

1個中子轉化為1個質子和1個電子

衰變實質射出

2+H+2jnTHe版一出+-盟

勻強磁場中軌

跡形狀°o

衰變規律電荷數守恒、質量數守恒、動量守恒

（2R射線：丫射線經常伴隨著a衰變或。衰變同時產生。其實質是放射性原子核在發生a衰

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

2.確定衰變次數的方法

因為P衰變對質量數無影響，所以先由質量數的改變確定a衰變的次數，然后再根據衰變規

律確定B衰變的次數。

3.半衰期

（1）公式：N條=N除導?，"余=機原（；）%

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

狀態（如溫度、壓強）或化學狀態（如單質、化合物）無關。

4.衰變中的動量問題：滿足動量守恒定律。

【例4】（多選）關于天然放射現象，以下敘述正確的是（）

A.若使放射性物質的溫度升高，其半衰期將變大

B.（3衰變所釋放的電子是原子核內的質子轉變為中子時產生的

C.在a、卜丫這三種射線中，丫射線的穿透能力最強，a射線的電離能力最強

D.鈾核（贊U）衰變為鉛核（鏘Pb）的過程中，要經過8次a衰變和6次p衰變

【素養升華】本題考察的學科素養主要是物理觀念。

【技巧總結】對半衰期的理解

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

（2）根據半衰期的概念，可總結出公式雙余="娘自Z

根原&）匕式中N原、機原表示衰變前的放射性元素的原子數和質量，N余、根余表示衰變后尚

未發生衰變的放射性元素的原子數和質量，，表示衰變時間，r表示半衰期。

【變式訓練1]（多選）（2021?福建泉州市第一次質檢）活體生物由于需要呼吸，其體內的14C

含量大致不變，死后停止呼吸，體內的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衰變為"N的半衰期約為5730年，某古木樣品中14c的比例約為

現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

c.14c衰變為14N的過程中放出p射線

D.升高古木樣品所處環境的溫度將加速14C的衰變

【變式訓練2]（2021?北京市密云區下學期第一次測試）一個鑼U原子核靜止在磁感應強度

為8的勻強磁場中，當原子核發生衰變后，它放出一個a粒子?He）,其速度方向與磁場方

向垂直。關于a粒子與衰變后的新核在磁場中做的圓周運動，下列說法正確的是（）

A.運動半徑之比是45：1

B.運動周期之比是1：117

C.動能總是大小相等

D.動量總是大小相等，方向相反

【知識點五】核反應及核反應類型

L核反應的四種類型

類型可控性核反應方程典例

衰a衰變自發贊U—>^Th+lHe

變B衰變自發筑Th—>Wa+-?e

W+lHe—+田（盧瑟福發現質子）

夕He+?Be—>/C+|n（查德威克發現中子）

人工轉變人工控制

召Al+SHe―>呼+而約里奧?居里夫婦發現放射性同

否P―>?2Si++?e位素，同時發現正電子

比較容易進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，是正確書寫核反應方程的基礎。如質子（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）掌握核反應方程遵守的規律，是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確的

依據，由于核反應不可逆，所以書寫核反應方程式時只能用“一”表示反應方向。

（3）核反應過程中質量數守恒，電荷數守恒。

【例5】（2021?山東省等級考試第二次模擬卷）在核反應堆中,卻U吸收一個中子后生成費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Pu衰變過程質量數守恒，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原子核能級躍遷產生的

D.贊U吸收一個中子后生成贊Pu的核反應過程是一個a衰變過程

【變式訓練】（2021?山東泰安市一輪檢測）下列關于核反應的說法正確的是（）

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，也是氫彈的核反應方程

C.鉗Th衰變為替Rh,經過3次a衰變，2次p衰變

D.鋁核召A1被a粒子擊中后產生的反應生成物是磷海P,同時放出一個質子

三.講關鍵能力

能力點一會分析光電效應的圖像問題

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軸交點的橫坐標打

最大初動能Ek與入射光②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對

O

頻率V的關系圖線值Wo=|一E|=E

-E③普朗克常量：圖線的斜率/=//

/強光（黃）①遏止電壓九：圖線與橫軸的交點的橫坐標

顏色相同、強度不同的/.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，光電流二一藍光

②飽和光電流

與電壓的關系上

UsUc2(）U③最大初動能Eki=eUci，Ek2=eUc2

①極限頻率右：圖線與橫軸的交點的橫坐標值

[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考）金屬在光的照射下產生光電效應，其遏止電

壓尻與入射光頻率v的關系圖象如圖所示。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

【素養升華】本題考察的學科素養主要是科學思維與物理觀念。

【方法技巧】圖象的分析方法

（1）明確點、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。

【變式訓練1】（2021?山東省等級考試第二次模擬卷）如圖甲為光電效應實驗的電路圖，利用

不同頻率的光進行光電效應實驗，測得光電管兩極間所加電壓U與光電流/的關系如圖乙

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

【變式訓練2】（多選）（2021?遼寧營口市下學期3月考）某同學在研究某金屬的光電效應現象

時，發現該金屬逸出光電子的最大初動能&與入射光頻率v的關系如圖所示。若圖線在橫、

縱坐標軸上的截距分別為。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.當入射光的頻率為2a時，逸出光電子的最大初動能為6

D.當入射光的頻率為3a時，遏止電壓為2詈b

能力點二質量虧損及核能的計算

1.利用質能方程計算核能

（1）根據核反應方程，計算出核反應前與核反應后的質量虧損Amo

（2）根據愛因斯坦質能方程AEuAmc2計算核能。

①中，若△機的單位用“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,相當于931.5MeV,這個結論可在計算中直接

應用。