2020届高考物理艺考生大二轮总复习 上篇 专题五 原子物理教学案

专题五原子物理三年考情分析高考命题规律三年考题考查内容核心素养从近几年高考题来看，本专题部分命题难度不大，大多直接考查对基本知识点的理解和记忆，用新情境和新名词包装试题，常考点有：①光电效应现象及其规律的认识与理解；②对光的波粒二象性的认识；③卢瑟福的原子核式结构模型；④玻尔的原子结构模型和氢原子光谱；⑤能级及能级跃迁规律；⑥原子核的衰变、人工核转变、裂变和聚变等.2019Ⅰ卷14T能级跃迁物理观念Ⅱ卷15T原子核物理观念2018Ⅱ卷17T光电效应物理观念Ⅲ卷14T核反应方程物理观念2017Ⅰ卷17T核能计算能量观念Ⅱ卷15Tα哀变能量观念Ⅲ卷19T光电效应物理观念考向一波粒二象性[知识必备]——提核心通技法1．光的粒子性(1)光电效应照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应．这种电子常被称为光电子．(2)光子的能量光子本身具有的能量，光子的能量取决于对应光的频率，即E＝hν.(3)光电效应方程hν＝W＋Ekm，即入射光的每个光子的能量hν，全部被金属表面的电子吸收，一部分用来克服原子核对电子的引力做功(即逸出功)W，另一部分转化为光电子的动能，从金属表面脱离的最大初动能Ekm＝12mv2.2．粒子的波动性(1)光的波粒二象性光既具有波动特性，又具有粒子特性．光子的能量：E＝hν光子的动量：p＝hλ.h是架起粒子性与波动性之间的桥梁．(2)粒子的波动性实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系．这种与实物粒子相联系的波后来称为德布罗意波也叫做物质波．物质波波长：λ＝hp，频率ν＝Eh.[跟进题组]——练考题提能力1．(2018·全国卷Ⅱ，17T)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J.已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A．1×1014HzB．8×1014HzC．2×1015HzD．8×1015Hz解析：B[由光电效应方程式得：Ekm＝hν－W0①W0＝hν0②联立①②得：ν0＝ν－Ekmh＝cλ－Ekmh＝8×1014Hz.]2．(2017·新课标Ⅲ，19)(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量．下列说法正确的是()A．若νa＞νb，则一定有Ua＜UbB．若νa＞νb，则一定有Eka＞EkbC．若Ua＜Ub，则一定有Eka＜EkbD．若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb解析：BC[由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W，由动能定理可得：Ekm＝eU，所以当νa＞νb时，Ua＞Ub，Eka＞Ekb，故A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故C正确；由光电效应方程可得：金属的逸出功W＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故D错误．]3．如图所示为光电管的使用原理图．已知当有波长为λ0的光照射到阴极K上时，电路中有光电流，则()A．若换用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流B．若换用波长为λ2(λ2＜λ0)的光照射阴极K时，电路中光电流一定增大C．若将电源极性反接，电路中仍可能有光电流产生D．增加电路中电源两极电压，电路中光电流一定增大解析：C[题给条件λ0的光照射阴极K有电流，不是恰有光电流，故A项错；达到饱和值后，光电流与入射光的强度成正比，故B项错；增加电路中电源两极电压达饱和电流后，电流不变，可判断D项错；若将电源极性反接，只要光电子的最大初动能Ek＞eU，就有光电子到达另一极形成光电流，故C项正确．][规律方法]——知规律握方法怎样解决有关光电效应规律应用的题目解决有关光电效应规律的应用的题目，只需理解并熟记以下规律即可：(1)入射光强度――→决定着单位时间内发射出来的电子数；(2)入射光的频率――→决定着能否产生光电效应、发生光电效应时光电子的最大初动能.考向二原子结构与能级[知识必备]——提核心通技法原子能级跃迁1．公式rn＝n2r1r1＝0.53En＝E1n2E1＝－13.6eV式中，n＝1,2，…称为量子数2．公式的适用条件只适用于氢原子，此即玻尔理论的局限性．3．能级跃迁规律原子光谱是大量原子的电子跃迁形成的，一个氢原子跃迁只能对应一条特征谱线．一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝nn－12＝C2n.4．原子吸收能量的原则原子吸收能量的原则是吸收的能量恰好等于某两个能级之差，即hν＝E初－E终，或者是吸收能量大于或等于其电离能，使电子成为自由电子．当原子吸收光子时，由于光子不可分，故其必须选择能量满足上述原则的光子．当原子吸收实物粒子(如电子)能量时，原子可以根据“需要”吸收其中的一部分能量，也即对电子的能量没有条件限制．5．能级的理解主要是以氢原子为例讨论，且认为氢原子核是静止的．原子的能量指电子所具有的动能及电子与原子核共有的电势能之和，即En＝Ek＋Ep，En代表任一条可能轨道的总能量．由mv2rn＝ke2r2n知Ek＝12mv2＝ke22rn[跟进题组]——练考题提能力1．(2019·课标Ⅰ，14)氢原子能级示意图如图所示．光子能量在1.63eV～3.10eV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．12.09eVB．10.20eVC．1.89eVD．1.51eV解析：A[本题考查原子的能级跃迁问题，体现了模型建构的核心素养．由题图数据分析可知，只有氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光子能量在可见光光子能量范围内，所以处于基态(n＝1)的氢原子最少也要跃迁到n＝3能级，氢原子吸收的能量最少为ΔE＝E3－E1＝12.09eV，故选A.]2．氢原子的能级是氢原子处于各个状态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能．氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时()A．氢原子的能量减小，电子的动能增加B．氢原子的能量增加，电子的动能增加C．氢原子的能量减小，电子的动能减小D．氢原子的能量增加，电子的动能减小解析：B[由En＝E1n2，知n减小，En增大．由Ek＝ke22rn＝ke22n2r1，知n减小，Ek增大，故选B项．]3．(2020·河北石家庄检测)(多选)已知金属钙的逸出功为2.7eV，氢原子的能级图如图所示，一群氢原子处于量子数为n＝4的能级状态，则下列说法中正确的是()A．氢原子可能辐射6种频率的光子B．氢原子可能辐射5种频率的光子C．有3种频率的辐射光子能使钙发生光电效应D．有4种频率的辐射光子能使钙发生光电效应解析：AC[从n＝4能级跃迁可能产生的光子为6种；若产生光电效应，则光子的能量需要大于2.7eV，此时只有第4能级跃迁到第1能级、第3能级跃迁到第1能级、第2能级跃迁到第1能级，这3种频率的光子能使钙发生光电效应．][规律方法]——知规律握方法能使原子能级跃迁的两种方式(1)吸收光子能量：原子若是吸收光子能量而被激发，光子的能量必须等于两能级差，否则不被吸收，即hν＝Em－En.(2)吸收外来实物粒子：原子若吸收外来的实物粒子，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要实物粒子的能量大于等于两能级差值(E≥Em－En)，均可使原子发生跃迁．考向三原子核与核能[知识必备]——提核心通技法1．三种射线的性质射线本质机理符号穿透能力电离速度α高速氦核流原子核衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来42He一张纸就能挡住最强最小(0.1c)β高速电子流核中一个中子转化成一个质子同时释放一个高速电子0－1e穿透几毫米厚的铝板较强较大(接近c)γ光子原子核发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放γ穿透几厘米厚的铅板最弱光速c2.半衰期公式式中m0、N0为初态原子核的质量或个数，m余、N余为经t时间后，剩余的原子核的质量或个数，tτ为半衰期的个数，τ为半衰期时间．3．质能方程E＝mc2即一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比．核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应的减小，即ΔE＝Δmc2.[跟进题组]——练考题提能力1．(2019·课标Ⅱ，15)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为411H→42He＋201e＋2ν已知11H和42He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c为光速．在4个11H转变成1个42He的过程中，释放的能量约为()A．8MeVB．16MeVC．26MeVD．52MeV解析：C[本题考查了学生对核反应中核能的计算能力，体现了学科素养中的物理观念．由核反应方程可知，4个11H转变成1个42He的过程中的质量亏损Δm≈4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0286×931MeV≈26.6MeV，故选项C正确．]2．(2018·全国卷Ⅲ，14T)1934年，约里奥­居里夫妇用α粒子轰击铝核2713Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋2713Al→n＋X.X的原子序数和质量数分别为()A．15和28B．15和30C．16和30D．17和31解析：B[α粒子轰击铝核的核反应方程为42He＋2713Al―→10n＋3015X，所以X的原子序数为15，质量数为30，故B对，A、C、D错误．]3．(2020·山西晋城一模，1)一静止的磷原子核3215P发生β衰变转变成3216S，核反应方程为3215P→3216S＋0－1e，下列说法正确的是()A．核反应产生的3216S与0－1e动能相等B．核反应产生的3216S与0－1e速度等大反向C．核反应产生的3216S与0－1e动量等大反向D．核反应产生的3216S与0－1e的质量之和与3215P相等解析：C[核反应前后动量守恒，核反应前3215P是静止的，动量等于零，可知核反应后两生成物的动量等大反向，选项C正确；根据动能和动量的关系Ek＝p22m可知3216S与0－1e的动能不相等，选项A错误；因为3216S与0－1e质量不相等，动量大小相等，所以速度大小不相等，选项B错误；由于核反应存在质量亏损，选项D错误．][规律方法]——知规律握方法核反应方程及核能的计算(1)掌握核反应方程中的两守恒：①质量数守恒；②电荷数守恒．(2)核能的计算方法．①根据爱因斯坦质能方程，用核反应的质量亏损的千克数乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)②根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5(MeV)．③如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能．[A级－对点练][题组一]波粒二象性1．(2019·山西运城三模，1)下列选项中，说法正确的是()A．卢瑟福提出核式结构模型，很好地解释了α粒子散射实验中的现象B．电子穿过晶体时会产生衍射图样，这证明了电子具有粒子性C．借助于能量子的假说，爱因斯坦得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好D．β射线是高速电子流，它的穿透能力比α射线和γ射线都弱解析：A[卢瑟福提出核式结构模型，很好地解释了α粒子散射实验中的现象，A正确；衍射是波的特性，故电子穿过晶体时会产生衍射图样，证明了电子具有波动性，B错误；普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故C错误；β射线是高速电子流，它的穿透能力比γ射线弱，比α射线强，故D错误．]2．(2020·河北百校联盟一联，1)利用光电管可以把光信号转变为电信号，现把光电管接入如图所示的电路中，闭合开关S，用波长为λ的单色光照射光电管时发生了光电效应，下列说法正确的是()A．照射光电管的