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1、專題十三近代物理初步,高考物理（課標(biāo)專用）,考點(diǎn)一波粒二象性,考點(diǎn)清單,考向基礎(chǔ) 一、光電效應(yīng) 1.光電效應(yīng)現(xiàn)象中的幾個(gè)概念 (1)光電效應(yīng):在光的照射下金屬發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng),發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。 (2)極限頻率:能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫做該種金屬的極限頻率。 (3)逸出功:電子從金屬中逸出所需做功的最小值叫做該金屬的逸出功。,(4)遏止電壓:使光電流減小到零時(shí)的反向電壓稱為遏止電壓。 (5)光子說(shuō):在空間傳播的光不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫做 一個(gè)光量子,簡(jiǎn)稱光子,光子的能量E=h。 2.光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件:入射光的頻率大于極限頻率。 3.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律
2、 (1)任何一種金屬,都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的極限頻率,低于這個(gè)頻率的光 不能發(fā)生光電效應(yīng)。所以判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生應(yīng)該比較題目中給出的入射光頻率和對(duì)應(yīng)金屬的極限頻率的大小。 (2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān),只隨著 入射光頻率 的增大而增大。 (3)入射光照射到金屬上時(shí),光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的,一般不超過(guò)10-9 s。,二、光電效應(yīng)方程 1.表達(dá)式:光電子的最大初動(dòng)能Ekm與入射光光子的能量h和逸出功W之間的關(guān)系:Ekm=h-W。其中逸出功是指使某種金屬原子中電子脫離金屬所做功的最小值。 2.物理意義:金屬中電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是h,這些能量一部分克服金屬的逸出功,剩余的表現(xiàn)為逸
3、出電子的初動(dòng)能。,三、康普頓效應(yīng),說(shuō)明光子的動(dòng)量 由動(dòng)量的定義有p=mc,結(jié)合光子能量E=h、愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2及c=可得p=。,四、光的波粒二象性與物質(zhì)波 1.光的波粒二象性,2.物質(zhì)波:與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波叫物質(zhì)波;實(shí)物粒子的能量E和動(dòng)量p跟它所對(duì)應(yīng)的波的頻率和波長(zhǎng)之間遵循的關(guān)系為:E=h,p=。,考向突破,考向光電效應(yīng) 1.光電效應(yīng)有關(guān)概念對(duì)比 (1)光子與光電子 光子指光在空間傳播時(shí)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(shí)發(fā)射出來(lái)的電子,光子是光電效應(yīng)的因,光電子是果。 (2)光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能 光照射到金屬表面時(shí),電子吸收光子的能量,可能向各個(gè)方
4、向運(yùn)動(dòng),除了要做逸出功外,有時(shí)還要克服原子的其他束縛的作用力,剩余部分為光電子的初動(dòng)能;只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí),只需克服原子核的引力做功的情況,才具有最大初動(dòng)能。 (3)光電流和飽和電流,從金屬板飛出的光電子到達(dá)陽(yáng)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(gè)飽和值,這個(gè)飽和值是飽和電流,在一定的光照條件下,飽和電流與所加電壓大小無(wú)關(guān)。 (4)入射光強(qiáng)度與光子能量 入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量,光子能量即每個(gè)光子的能量。光的總能量等于光子能量與入射光子數(shù)的乘積。,2.光電效應(yīng)四類圖像,3.光電效應(yīng)的研究思路 (1)兩條線索 (2)兩條對(duì)應(yīng)關(guān)系
5、,例1(2014廣東理綜,18,6分)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,用頻率為的光照射光電管陰極,發(fā)生了光電效應(yīng),下列說(shuō)法正確的是() A.增大入射光的強(qiáng)度,光電流增大 B.減小入射光的強(qiáng)度,光電效應(yīng)現(xiàn)象消失 C.改用頻率小于的光照射,一定不發(fā)生光電效應(yīng) D.改用頻率大于的光照射,光電子的最大初動(dòng)能變大,解析增大入射光強(qiáng)度,使單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加,因此光電流增大,選項(xiàng)A正確;光電效應(yīng)與入射光的頻率有關(guān),與強(qiáng)度無(wú)關(guān),選項(xiàng)B錯(cuò)誤;當(dāng)入射光的頻率小于,大于極限頻率時(shí)發(fā)生光電效應(yīng),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由Ekm=h-W0知,增大入射光的頻率,光電子的最大初動(dòng)能變大,選項(xiàng)D正確。,答案AD,例2在做光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)時(shí),某
6、金屬被光照射發(fā)生了光電效應(yīng),實(shí)驗(yàn)測(cè)得光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率的關(guān)系如圖所示,由實(shí)驗(yàn)圖線可求出() A.該金屬的極限頻率和極限波長(zhǎng) B.普朗克常量 C.該金屬的逸出功 D.單位時(shí)間逸出的光電子數(shù),解析依據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=h-W0可知,當(dāng)Ek=0時(shí),=c,即圖像中橫軸的截距在數(shù)值上等于金屬的極限頻率,再由c=可求極限波長(zhǎng)。 圖線的斜率是k=tan =,圖線的斜率在數(shù)值上等于普朗克常量。 據(jù)圖像,假設(shè)圖線的延長(zhǎng)線與Ek軸的交點(diǎn)為C,其截距為W,有tan =, 而tan =h,即圖像中縱軸截距的絕對(duì)值在數(shù)值上等于金屬的逸出功。 由題給條件無(wú)法求單位時(shí)間逸出的光電子數(shù)。,答案ABC,考點(diǎn)二
7、原子、原子核,考向基礎(chǔ) 一、原子的核式結(jié)構(gòu) 1.粒子散射實(shí)驗(yàn)與原子核式結(jié)構(gòu) 19091911年,英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福和他的助手進(jìn)行了用粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的 方向前進(jìn),但有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90,也就是說(shuō)它們幾乎被“撞”了回來(lái)。 為了解釋粒子的大角度散射現(xiàn)象,盧瑟福在1911年提出了核式結(jié)構(gòu)模型。在原子的中心有一個(gè)很小的核,叫原子核,它集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量,帶負(fù)電的電子在核外空間繞核運(yùn)動(dòng)。,2.核式結(jié)構(gòu)的局限性 核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)成功地解釋了粒子的散射實(shí)驗(yàn),但在解釋原子的發(fā)光和原子的穩(wěn)定性時(shí)卻遇到了無(wú)法解決的困難。
8、,二、氫原子光譜,說(shuō)明太陽(yáng)光譜不是連續(xù)光譜,而是吸收光譜,是陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)高層大氣射向地球時(shí),太陽(yáng)高層大氣中含有的元素會(huì)吸收它自己特征譜線的光,然后再發(fā)射出去,不過(guò)這次發(fā)射是向四面八方發(fā)射。所以到達(dá)地球的這些譜線看起來(lái)就弱了。這樣就形成了明亮背景下的暗線夫瑯和費(fèi)暗線。與已知元素的光譜相比較,知道太陽(yáng)中含有鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素。 氫原子光譜線是最早發(fā)現(xiàn)、研究的光譜線,這些光譜線可用一個(gè)統(tǒng)一的公式表示: =R 式中m=1,2,3,對(duì)每一個(gè)m,有n=m+1,m+2,m+3,構(gòu)成一個(gè)譜線系。,三、能級(jí),四、天然放射現(xiàn)象,五、原子核的組成,六、核反應(yīng) (1)衰變:放射性元素的原子核自發(fā)放出某種粒子
9、后變成新的原子核的變化。 a.衰變XYHe b.衰變XYe (2)原子核的人工轉(zhuǎn)變:用人工的方法,使原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程。 a.質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)NHeOH(盧瑟福) b.中子的發(fā)現(xiàn)BeHeCn(查德威克) (3)裂變:一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核,這樣的核反應(yīng)叫做裂變。 UnBaKr+n,(4)聚變:兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核,這樣的核反應(yīng)叫做聚變。 HHHen+17.6 MeV,考向突破,考向一原子 一、原子結(jié)構(gòu) 1.粒子散射實(shí)驗(yàn)用金箔作為靶子,是因?yàn)? (1)金的延展性好,容易做成很薄的箔,實(shí)驗(yàn)用的金箔厚度大約是10-7 m;(2)金原子帶的正電荷多,與粒子間的庫(kù)侖力大;
10、(3)金原子質(zhì)量大約是粒子質(zhì)量的50倍,因而慣性大,相比而言,粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變。 2.原子中有電子,但電子質(zhì)量很小,不及粒子質(zhì)量的七千分之一,粒子碰到它,就像飛行的子彈碰到一粒塵埃一樣,運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯改變。粒子散射現(xiàn)象表明,原子內(nèi)部非?？諘?帶正電的部分體積很小,但集中了幾乎全部質(zhì)量,當(dāng)粒子接近原子核時(shí),就會(huì)受到很大的庫(kù)侖斥力,發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn),由于原子核體積小,粒子穿過(guò)金箔時(shí)接近原子核,的機(jī)會(huì)很小,所以只有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。 3.原子 二、氫原子能級(jí)躍遷問(wèn)題 1.理解要點(diǎn):玻爾的原子模型是以假說(shuō)的形式提出來(lái)的,包括以下三方面的內(nèi)容: (1)軌道假設(shè):即軌道是量子化的,只能是
11、某些分立的值。rn=n2r1(n=2,3,4), r1=0.5310-10 m。 (2)定態(tài)假設(shè):即不同的軌道對(duì)應(yīng)著不同的能量狀態(tài),這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的,不向外輻射能量。即:穩(wěn)定狀態(tài)的能量En=(n=2,3,4),E1= -13.6 eV。,(3)躍遷假設(shè):原子在不同的狀態(tài)具有不同的能量,從一個(gè)定態(tài)向另一個(gè)定態(tài)躍遷時(shí)要輻射或吸收一定頻率的光子,該光子的能量等于這兩個(gè)狀態(tài)的能級(jí)差h=Em-En。 2.氫原子各定態(tài)的能量值為電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek和電勢(shì)能Ep的代數(shù)和。由En=(n=2,3,4)和E1=-13.6 eV可知,氫原子各定態(tài)的能量值均 為負(fù)值。 3.一群氫原子躍遷發(fā)出的光譜線條數(shù)為N=
12、=。 4.躍遷與電離,5.激發(fā)的方式,例1(2017湖北七市三月聯(lián)考,18)如圖所示是氫原子的能級(jí)圖,大量處于n=5激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),一共可以輻射出10種不同頻率的光子。其中萊曼系是指氫原子由高能級(jí)向n=1能級(jí)躍遷時(shí)釋放的光子,則(),A.10種光子中波長(zhǎng)最短的是從n=5激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生的 B.10種光子中有4種屬于萊曼系 C.使n=5能級(jí)的氫原子電離至少要0.85 eV的能量 D.從n=2能級(jí)躍遷到基態(tài)釋放光子的能量等于從n=3能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)釋放光子的能量,由=En-Em知,波長(zhǎng)最小,能級(jí)差最大,可判斷A選項(xiàng)。由萊 曼系的特征可判斷B選項(xiàng)。由電離能的定義知,E=0-E
13、n,因此E=0-(-0.54 eV)= 0.54 eV,可判斷C選項(xiàng)。由E2-E1E3-E2,可判斷D選項(xiàng)。,解題導(dǎo)引,解析由n=5激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生的光子能量最大,頻率最高,波長(zhǎng)最短,A項(xiàng)正確。51、41、31和21躍遷時(shí)釋放的4種光子屬于萊曼系,B項(xiàng)正確。使n=5能級(jí)的氫原子電離至少要0.54 eV的能量,C項(xiàng)錯(cuò)誤。從n=2能級(jí)躍遷到基態(tài)釋放光子的能量為-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2eV, 從n=3能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)釋放光子的能量為-1.51 eV-(-3.4 eV)=1.89 eV, D項(xiàng)錯(cuò)誤。,答案AB,考向二原子核 一、原子核衰變過(guò)程中,粒子、粒子和新生原子核在
14、磁場(chǎng)中的軌跡 1.衰變中,粒子和新生原子核在磁場(chǎng)中的軌跡外切,如圖甲所示。 2.衰變中,粒子和新生原子核在磁場(chǎng)中的軌跡內(nèi)切,如圖乙所示。 二、三種射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)的特點(diǎn) 1.不論在電場(chǎng)還是磁場(chǎng)中,射線總是做勻速直線運(yùn)動(dòng),不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 2.在勻強(qiáng)電場(chǎng)中,粒子和粒子沿相反方向做類平拋運(yùn)動(dòng),且在同樣的,條件下,粒子的偏移大。,如圖所示,粒子在電場(chǎng)力方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),對(duì)于粒子,位移x可表示為x=at2=,所以,在同樣條件下粒子與,粒子偏移之比為==371。 3.在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,粒子和粒子沿相反方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng),且在同樣條件下,粒子的軌道半徑小,偏轉(zhuǎn)大。 如圖所示,粒子的軌道半徑
15、可表示為R=,所以,在同樣條件下 粒子與粒子軌道半徑之比為==<1。 根據(jù)上述徑跡特點(diǎn),即使電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向未知,也可以一下就看出射線的種類。,說(shuō)明粒子速度約為真空中光速的1/10,粒子速度接近真空中的光速。 三、核能的計(jì)算 1.質(zhì)能方程:愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出,物體的質(zhì)量和能量存在著密切聯(lián)系,即E=mc2,這就是愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程。,說(shuō)明質(zhì)能方程告訴我們質(zhì)量和能量之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。物體的能量增大,質(zhì)量也增大;能量減小,質(zhì)量也減小。且核反應(yīng)中釋放的能量與質(zhì)量虧損成正比:E=mc2。,2.核能:核反應(yīng)中放出的能量稱為核能。 3.核能的計(jì)算 (1)根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量
16、虧損(m)的千克數(shù)乘以真空中光速的平方。即 E=mc2。 (2)原子質(zhì)量單位用u表示,根據(jù)1 u相當(dāng)于931.5 MeV,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV。即 E=m931.5 MeV。,例2(2014北京理綜,14,6分)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí),釋放的能量是(c表示真空中的光速)() A.(m1+m2-m3)cB.(m1-m2-m3)c C.(m1+m2-m3)c2D.(m1-m2-m3)c2,解析此核反應(yīng)方程為HnH,根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程得E=mc2=(m1+m2-m3)c2,C正確。,答案C,四、
17、放射性同位素的應(yīng)用 1.利用它的射線 如利用鈷60放出的很強(qiáng)的射線來(lái)檢查金屬內(nèi)部有沒(méi)有砂眼和裂紋,這叫射線探傷 。利用放射線的貫穿本領(lǐng)了解物體的厚度和密度的關(guān)系,可以用放射性同位素來(lái)檢查各種產(chǎn)品的厚度、密封容器中的液面高度,從而自動(dòng)控制生產(chǎn)過(guò)程。再如利用射線的電離作用,可以消除機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電;利用射線殺死人體內(nèi)的癌細(xì)胞等。 2.作為示蹤原子 在生物科學(xué)研究方面,示蹤原子起著十分重要的作用。在對(duì)輸油管線漏油情況的檢查和對(duì)植物生長(zhǎng)的檢測(cè)方面,示蹤原子同樣起著重要作用。,例3在軋制鋼板時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)地監(jiān)測(cè)鋼板厚度,其檢測(cè)裝置由放射源、探測(cè)器等構(gòu)成,如圖所示。該裝置中探測(cè)器接收到的是(
18、) A.X射線B.射線C.射線D.射線,解析放射源發(fā)出的只有、、三種射線,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。在、、三種射線中,只有射線能穿透鋼板,故選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤、D正確。,答案D,方法原子核的衰變規(guī)律及衰變次數(shù)的計(jì)算方法 1.衰變:放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓Q為衰變。 2.衰變規(guī)律:電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。 (1)衰變XYHe,衰變的實(shí)質(zhì)是某元素的原子核放出由兩個(gè)質(zhì) 子和兩個(gè)中子組成的粒子(即氦核)。 (2)衰變XYe,衰變的實(shí)質(zhì)是某元素的原子核內(nèi)的一個(gè)中子變 為一個(gè)質(zhì)子時(shí)放射出一個(gè)電子。 (3)輻射:輻射是伴隨衰變或衰變發(fā)生的。輻射不改變?cè)雍说碾?方法技巧,荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)。其實(shí)質(zhì)是放射
19、性原子核在發(fā)生衰變或衰變時(shí),產(chǎn)生的某些新核由于具有過(guò)多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。 3.半衰期及確定衰變次數(shù)的方法 (1)半衰期:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間,叫做這種元素的半衰期。,說(shuō)明半衰期是由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強(qiáng)、溫度等)和化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)或化合物)無(wú)關(guān)。半衰期只對(duì)大量原子核衰變才有意義,因?yàn)榉派湫栽氐乃プ円?guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對(duì)少數(shù)原子核衰變不再適用。 (2)確定衰變次數(shù)的方法:設(shè)放射性元素X經(jīng)過(guò)m次衰變、n次衰變后, 變成穩(wěn)定的新元素Y,則表示核反應(yīng)的方程為 X Y+He+e。 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程 A=
20、A+4m,Z=Z+2m-n 兩式聯(lián)立得m=,n=+Z-Z,例(2017安徽江南十校聯(lián)考,14)鈾核U)經(jīng)過(guò)m次衰變和n次衰變 變成鉛核Pb),關(guān)于該過(guò)程,下列說(shuō)法中正確的是() A.m=5,n=4 B.鈾核U)的比結(jié)合能比鉛核Pb)的比結(jié)合能小 C.衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和小于鈾核U)的結(jié)合能 D.鈾核U)衰變過(guò)程的半衰期與溫度和壓強(qiáng)有關(guān),由原子核衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒,確定m、n的 值。由結(jié)合能定義可知,核子數(shù)多的核比核子數(shù)少的核的結(jié)合能小。半衰期由原子核內(nèi)部自身因素決定,與溫度、壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。,解題導(dǎo)引,解析原子核衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒,235=4m+207,92=82+2m-n,兩式聯(lián)立解得:m=7,n=4,A項(xiàng)錯(cuò)誤。衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和大于鈾核U)的結(jié)合能,C錯(cuò)誤。半衰期由原子核內(nèi)部自身的因素決定,與溫 度和壓強(qiáng)無(wú)關(guān),D項(xiàng)錯(cuò)誤。,答案B,
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