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2022届高三物理二轮复习课件：专题五 光电效应 原子结构和原子核
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这是一份2022届高三物理二轮复习课件：专题五 光电效应 原子结构和原子核，共49页。PPT课件主要包含了内容索引，体系构建•真题感悟，高频考点•能力突破，知识回顾构建网络，感悟高考真题再练，答案B，答案BD，答案C，方法规律归纳，对点训练等内容，欢迎下载使用。
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,光电流越大情境剖析本题以“用光电管探究光电流大小和光电子的最大初动能实验”为素材创设学习探索问题情境。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。
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W=hν- ,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。
2.(2019全国Ⅰ卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63~3.10 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( )
情境剖析本题属于基础性题目,以“氢原子能级示意图”为素材创设学习探索问题情境。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。
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。
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。
A.40 kg B.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。
5.(2021全国乙卷)医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线,而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn,经过时间t后剩余的113Sn质量为m,其 -t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为( )A.67.3 dB.101.0 dC.115.1 dD.124.9 d
情境剖析本题考查半衰期,属于基础性题目。素养能力本题考查考生对半衰期的理解,考查关键能力中的推理能力。
1.光电效应问题两条线索和两条对应关系(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.光电效应定量分析时应抓住三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。(2)遏止电压与最大初动能的关系:Ek=eUc。(3)逸出功与极限频率的关系:W0=hνc。
对于给定的金属,逸出功是定值
1.(2021山东德州高三二模)微光夜视仪是借助于光增强器把目标反射回来的微弱光激发的光电流放大并转换为可见图象,以实现夜间观察的仪器,在军事、刑侦等领域有重要的应用,光电流放大的简化电路原理图如图所示。将开关S闭合,使某种颜色的入射光照射到光电阴极上,虚线框内电路出现光电流。下列措施一定能使虚线框内的光电流变大的是( )
A.仅增大原入射光的光照强度B.仅使滑动变阻器R1的滑片向a端移动C.仅使滑动变阻器R2的滑片向d端移动D.仅使滑动变阻器R2的滑片向c端移动
答案 A 解析 增大原入射光的光照强度,单位时间产生的光电子数变多,则光电流变大,故A正确;改变滑动变阻器的滑片位置,目的是改变电路中的电压分配,光电流存在饱和值,故仅依靠改变电压是不一定使虚线框内的光电流变大的,故B、C、D错误。
2.(2021山东菏泽高三一模)如图所示用甲、乙两种电路研究光电效应,由下列实验现象得出的实验结论中正确的是( )
A.使用乙图电路做实验,当光的强度一定时,调节触头P使电压表示数增加,电流表示数并不是一直增大,说明单位时间内产生的光电子数量是一定的B.使用乙图电路做实验,为了验证光电管极限频率的存在,必须把触头P移动到A端C.使用甲图电路做实验,用不同颜色的光照射光电管,通过调节触头P,使电流表示数为零,电压表示数越大时,说明此金属的逸出功越大D.使用甲图电路做实验,无论用什么频率的光照射光电管,电流表都不可能有电流方法点拨要弄清电流表有示数的条件—— 有光电子到达阳极。
答案 A 解析 使用乙图电路做实验,当光的强度一定时,调节触头P使电压表示数增加,电流表示数并不是一直增大,说明单位时间内产生的光电子数量是一定的,电流达到饱和光电流后就不再增加,A正确;使用乙图电路做实验,为了验证光电管极限频率的存在,需要用不同频率的光照射光电管,观察电流表是否有示数,B错误;使用甲图电路做实验,是为了测量遏止电压,所加电压低于遏止电压时还会有电流,D错误。
3.(2021山东聊城高三一模)某实验小组要测量金属铝的逸出功,经讨论设计出如图所示实验装置,实验方法是:把铝板平放在桌面上,刻度尺紧挨着铝板垂直桌面放置,灵敏度足够高的荧光板与铝板平行,并使整个装置处于垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中;让波长为λ的单色光持续照射铝板表面,将荧光板向下移动,发现荧光板与铝板距离为d时,荧光板上刚好出现辉光。已知普朗克常量为h,光速为c,电子电荷量为e,质量为m。下列说法正确的是( )
C.将荧光板继续向下移动,移动过程中荧光板上的辉光强度可能保持不变D.将荧光板继续向下移动到某一位置,并增大入射光波长,板上的辉光强度一定增强方法点拨该题是光电效应规律与带电粒子在磁场中运动的综合问题,要弄清“荧光板继续向下移动,则达到荧光板的光电子会增加”。
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能级的氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为n-1。
(4)一群氢原子跃迁可能发出的光谱线条数的两种求解方法:
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。
明确“一群”和“一个”的意义
4.(2021北京丰台区高三二模)如图所示的α粒子散射实验中,少数α粒子发生大角度偏转的原因是( )A.α粒子与原子中的电子发生碰撞B.正电荷在原子中均匀分布C.原子中带正电的部分和绝大部分质量集中在一个很小的核上D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中
答案 C 解析 少数α粒子发生大角度偏转,大多数没有发生偏转说明了原子的内部是很空阔的,原子中带正电的部分和绝大部分质量集中在一个很小的核上,所以C正确,A、B、D错误。
5.(2021河北张家口高三一模)氢原子能级如图所示,用光子能量为2.55 eV的光照射大量处于n=2能级的氢原子,氢原子向低能级跃迁时辐射出的光照射到逸出功为9 eV的金属板时,射出光电子的最大初动能为( )A.4.6 eV eVD.1.2 eV
答案 B 解析 用光子能量为2.55 eV的光照射大量处于n=2能级的氢原子,跃迁到2.55 eV-3.4 eV=0.85 eV,4能级,氢原子向低能级跃迁时辐射出的光最大能量Em=(-0.85)eV-(-13.6)eV=12.75 eV,照射到逸出功为9 eV的金属板时,射出光电子的最大初动能为Ek=12.75 eV-9 eV=3.75 eV,故选B。
6.(多选)(2021贵州毕节高三二模)如图为氢原子的能级图,已知可见光的能量范围为1.62~3.19 eV,金属钠的逸出功是2.25 eV,普朗克常量h=6.626×10-34 J·s,现有大量处于n=3能级的氢原子。下列说法正确的是( )A.跃迁时最多可发出3种可见光B.从n=3能级跃迁到n=1能级的过程中,辐射光子的能量为10.2 eVC.金属钠的极限频率约为5.4×1014 HzD.跃迁时发出的可见光使金属钠发生光电效应得到光电子的最大初动能约为0.36 eV
解析 一群能级处于n=3的氢原子,跃迁时最多可发出3种可见光,A项正确;从n=3能级跃迁到n=1能级的过程中,辐射光子的能量为12.09 eV,B项错误;金属钠的极限频率νc= =5.4×1014 Hz;C项正确;跃迁时发出的可见光不能使金属钠发生光电效应,D项错误。
易错点拨涉及求最多可发出几种光子时,一定要明确是“一个”氢原子还是“一群”氢原子。
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,叫比结合能,也叫平均结合能。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。
研究发现,轻核和重核的比结合能相对中等核较小
A.115,305B.190,305C.115,190D.190,115
答案 A 解析 根据核电荷守恒和质量守恒有Z=105+8×2-6=115,A=273+8×4=305,故选A。
方法点拨本题的逆向设问是—— 如何确定α衰变和β衰变次数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。
规律总结比结合能越大的原子核越稳定。比结合能较小的原子核裂变为比结合能较大的原子核,或者比结合能较小的原子核聚变为比结合能较大的原子核,都会释放能量。
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,光电流越大情境剖析本题以“用光电管探究光电流大小和光电子的最大初动能实验”为素材创设学习探索问题情境。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。
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W=hν- ,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。
2.(2019全国Ⅰ卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63~3.10 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( )
情境剖析本题属于基础性题目,以“氢原子能级示意图”为素材创设学习探索问题情境。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。
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。
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。
A.40 kg B.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。
5.(2021全国乙卷)医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线,而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn,经过时间t后剩余的113Sn质量为m,其 -t图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为( )A.67.3 dB.101.0 dC.115.1 dD.124.9 d
情境剖析本题考查半衰期,属于基础性题目。素养能力本题考查考生对半衰期的理解,考查关键能力中的推理能力。
1.光电效应问题两条线索和两条对应关系(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.光电效应定量分析时应抓住三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。(2)遏止电压与最大初动能的关系:Ek=eUc。(3)逸出功与极限频率的关系:W0=hνc。
对于给定的金属,逸出功是定值
1.(2021山东德州高三二模)微光夜视仪是借助于光增强器把目标反射回来的微弱光激发的光电流放大并转换为可见图象,以实现夜间观察的仪器,在军事、刑侦等领域有重要的应用,光电流放大的简化电路原理图如图所示。将开关S闭合,使某种颜色的入射光照射到光电阴极上,虚线框内电路出现光电流。下列措施一定能使虚线框内的光电流变大的是( )
A.仅增大原入射光的光照强度B.仅使滑动变阻器R1的滑片向a端移动C.仅使滑动变阻器R2的滑片向d端移动D.仅使滑动变阻器R2的滑片向c端移动
答案 A 解析 增大原入射光的光照强度,单位时间产生的光电子数变多,则光电流变大,故A正确;改变滑动变阻器的滑片位置,目的是改变电路中的电压分配,光电流存在饱和值,故仅依靠改变电压是不一定使虚线框内的光电流变大的,故B、C、D错误。
2.(2021山东菏泽高三一模)如图所示用甲、乙两种电路研究光电效应,由下列实验现象得出的实验结论中正确的是( )
A.使用乙图电路做实验,当光的强度一定时,调节触头P使电压表示数增加,电流表示数并不是一直增大,说明单位时间内产生的光电子数量是一定的B.使用乙图电路做实验,为了验证光电管极限频率的存在,必须把触头P移动到A端C.使用甲图电路做实验,用不同颜色的光照射光电管,通过调节触头P,使电流表示数为零,电压表示数越大时,说明此金属的逸出功越大D.使用甲图电路做实验,无论用什么频率的光照射光电管,电流表都不可能有电流方法点拨要弄清电流表有示数的条件—— 有光电子到达阳极。
答案 A 解析 使用乙图电路做实验,当光的强度一定时,调节触头P使电压表示数增加,电流表示数并不是一直增大,说明单位时间内产生的光电子数量是一定的,电流达到饱和光电流后就不再增加,A正确;使用乙图电路做实验,为了验证光电管极限频率的存在,需要用不同频率的光照射光电管,观察电流表是否有示数,B错误;使用甲图电路做实验,是为了测量遏止电压,所加电压低于遏止电压时还会有电流,D错误。
3.(2021山东聊城高三一模)某实验小组要测量金属铝的逸出功,经讨论设计出如图所示实验装置,实验方法是:把铝板平放在桌面上,刻度尺紧挨着铝板垂直桌面放置,灵敏度足够高的荧光板与铝板平行,并使整个装置处于垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中;让波长为λ的单色光持续照射铝板表面,将荧光板向下移动,发现荧光板与铝板距离为d时,荧光板上刚好出现辉光。已知普朗克常量为h,光速为c,电子电荷量为e,质量为m。下列说法正确的是( )
C.将荧光板继续向下移动,移动过程中荧光板上的辉光强度可能保持不变D.将荧光板继续向下移动到某一位置,并增大入射光波长,板上的辉光强度一定增强方法点拨该题是光电效应规律与带电粒子在磁场中运动的综合问题,要弄清“荧光板继续向下移动,则达到荧光板的光电子会增加”。
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能级的氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为n-1。
(4)一群氢原子跃迁可能发出的光谱线条数的两种求解方法:
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。
明确“一群”和“一个”的意义
4.(2021北京丰台区高三二模)如图所示的α粒子散射实验中,少数α粒子发生大角度偏转的原因是( )A.α粒子与原子中的电子发生碰撞B.正电荷在原子中均匀分布C.原子中带正电的部分和绝大部分质量集中在一个很小的核上D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中
答案 C 解析 少数α粒子发生大角度偏转,大多数没有发生偏转说明了原子的内部是很空阔的,原子中带正电的部分和绝大部分质量集中在一个很小的核上,所以C正确,A、B、D错误。
5.(2021河北张家口高三一模)氢原子能级如图所示,用光子能量为2.55 eV的光照射大量处于n=2能级的氢原子,氢原子向低能级跃迁时辐射出的光照射到逸出功为9 eV的金属板时,射出光电子的最大初动能为( )A.4.6 eV eVD.1.2 eV
答案 B 解析 用光子能量为2.55 eV的光照射大量处于n=2能级的氢原子,跃迁到2.55 eV-3.4 eV=0.85 eV,4能级,氢原子向低能级跃迁时辐射出的光最大能量Em=(-0.85)eV-(-13.6)eV=12.75 eV,照射到逸出功为9 eV的金属板时,射出光电子的最大初动能为Ek=12.75 eV-9 eV=3.75 eV,故选B。
6.(多选)(2021贵州毕节高三二模)如图为氢原子的能级图,已知可见光的能量范围为1.62~3.19 eV,金属钠的逸出功是2.25 eV,普朗克常量h=6.626×10-34 J·s,现有大量处于n=3能级的氢原子。下列说法正确的是( )A.跃迁时最多可发出3种可见光B.从n=3能级跃迁到n=1能级的过程中,辐射光子的能量为10.2 eVC.金属钠的极限频率约为5.4×1014 HzD.跃迁时发出的可见光使金属钠发生光电效应得到光电子的最大初动能约为0.36 eV
解析 一群能级处于n=3的氢原子,跃迁时最多可发出3种可见光,A项正确;从n=3能级跃迁到n=1能级的过程中,辐射光子的能量为12.09 eV,B项错误;金属钠的极限频率νc= =5.4×1014 Hz;C项正确;跃迁时发出的可见光不能使金属钠发生光电效应,D项错误。
易错点拨涉及求最多可发出几种光子时,一定要明确是“一个”氢原子还是“一群”氢原子。
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,叫比结合能,也叫平均结合能。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。
研究发现,轻核和重核的比结合能相对中等核较小
A.115,305B.190,305C.115,190D.190,115
答案 A 解析 根据核电荷守恒和质量守恒有Z=105+8×2-6=115,A=273+8×4=305,故选A。
方法点拨本题的逆向设问是—— 如何确定α衰变和β衰变次数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。
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