金版教程物理2025高考科学复习解决方案第十六章 近代物理初步第16章 核心素养提升含答案

高考科学复习解决方案物理《金版教程(物理）》2025高考科学复习解决方案第十六章近代物理初步第十六章核心素养提升[科学思维提炼]1．理想模型法：黑体。2．转换法(1)观察和研究光电效应的实验；(2)测量阴极射线粒子的比荷的实验；(3)发现和观察放射性的实验；(4)观察和研究三种射线性质的实验。3．极限法：光电效应实验中极限频率、遏止电压、饱和电流的测量。4．归纳法(1)光电效应实验结论的总结；(2)从阴极射线的研究到电子的发现过程；(3)衰变中半衰期的提出。5．类比、联想的思维：德布罗意关于物质波概念的提出。6．推理法(1)从光电效应实验结果的分析到爱因斯坦光电效应方程的得出；(2)强相互作用存在和作用范围的定性推出。7．实验、推理、假设法结合(1)黑体辐射研究中，普朗克关于“能量子”概念的提出；(2)爱因斯坦关于“光子”概念的提出；(3)原子“枣糕模型”的提出、卢瑟福原子核式结构模型的提出、玻尔原子理论的提出；(4)卢瑟福关于“中子”的提出过程。8．对比法：三种射线性质的比较。[素养提升集训]选择题(本题共11小题)1．(2022·湖南高考)关于原子结构和微观粒子波粒二象性，下列说法正确的是()A．卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征B．玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律C．光电效应揭示了光的粒子性D．电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性答案C解析玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的分立特征，但不足之处在于保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念，没有完全揭示微观粒子运动的规律，A、B错误；光电效应揭示了光的粒子性，C正确；电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的波动性，D错误。2．(2023·浙江1月选考)被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中，有η(η<1)倍被天眼接收，天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h，则该天体发射频率为ν光子的功率为()A.eq\f(4NL2hν,R2η) B.eq\f(2NL2hν,R2η)C.eq\f(ηL2hν,4R2N) D.eq\f(ηL2hν,2R2N)答案A解析设该天体发射频率为ν光子的功率为P，由题意可知Pt×eq\f(πR2,4πL2)×η＝Nhνt，解得P＝eq\f(4NL2hν,R2η)，故选A。3．(2023·新课标卷)铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁发射的光子具有稳定的频率，铯原子钟利用的两能级的能量差量级为10－5eV，跃迁发射的光子的频率量级为(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，元电荷e＝1.60×10－19C)()A．103Hz B．106HzC．109Hz D．1012Hz答案C解析由题意，设铯原子钟利用的两能级的能量差为ΔE＝1×10－5eV＝1×10－5×1.60×10－19J＝1.60×10－24J，由光子能量的表达式ε＝hν及ε＝ΔE可得，跃迁发射的光子的频率为ν＝eq\f(ε,h)＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(1.60×10－24,6.63×10－34)Hz≈2.41×109Hz，则跃迁发射的光子的频率量级为109Hz，故选C。4．(多选)μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子，它在原子核物理的研究中有重要作用，如图所示为μ氢原子的能级示意图。假定光子能量为ε的一束光照射容器中大量处于n＝2能级的μ氢原子，μ氢原子吸收光子后，发出频率分别为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5和ν6的光，且频率依次增大，若普朗克常量为h，则()A．ε＝h(ν1＋ν2)B．ε＝h(ν1－ν4＋ν5)C．ε＝h(ν2＋ν4)D．ε＝h(ν6－ν3)答案AB解析设大量μ氢原子吸收光子后从n＝2能级跃迁到能量较高的m能级，然后从m能级向低能级跃迁时，发出的不同频率的光子种类有Ceq\o\al(2,m)＝eq\f(m（m－1）,2)＝6，解得m＝4，即大量μ氢原子吸收光子后先从n＝2能级跃迁到n＝4能级，然后从n＝4能级向低能级跃迁。由题意知，发出光子的频率对应的能级跃迁过程如图，由图可知ε＝E4－E2＝hν3＝h(ν1＋ν2)＝h(ν1－ν4＋ν5)＝h(ν6－ν4)，故A、B正确，C、D错误。5．(2020·山东高考)氚核eq\o\al(3,1)H发生β衰变成为氦核eq\o\al(3,2)He。假设含氚材料中eq\o\al(3,1)H发生β衰变产生的电子可以全部定向移动，在3.2×104s时间内形成的平均电流为5.0×10－8A。已知电子电荷量为1.6×10－19C，在这段时间内发生β衰变的氚核eq\o\al(3,1)H的个数为()A．5.0×1014 B．1.0×1016C．2.0×1016 D．1.0×1018答案B解析根据I＝eq\f(q,t)＝eq\f(ne,t)，可得产生的电子数为n＝eq\f(It,e)＝eq\f(5.0×10－8×3.2×104,1.6×10－19)＝1.0×1016个，因一个氚核eq\o\al(3,1)H发生β衰变产生一个电子，可知在这段时间内发生β衰变的氚核eq\o\al(3,1)H的个数为1.0×1016个，故选B。6．一群处于n＝4能级的氢原子，向低能级跃迁发出多种光，用这束光照射图甲电路的阴极K。阴极K为金属钙，其逸出功为3.20eV。氢原子能级如图乙所示，则下列说法正确的是()A．该光束中能使K发生光电效应的光有4种B．光电子的最大初动能为9.55eVC．光电子到达A时动能的最大差值为2.55eVD．向右滑动触头P，电流表示数一定变大答案B解析一群处于n＝4能级的氢原子，向低能级跃迁，只有n＝4能级跃迁到n＝1能级，n＝3能级跃迁到n＝1能级，n＝2能级跃迁到n＝1能级，这三种情况辐射出的光子能量大于金属钙的逸出功，可知能使K发生光电效应的光只有3种，故A错误；一氢原子从n＝4能级跃迁到n＝1能级时辐射出的光子能量最大，为hνm＝－0.85eV－(－13.6)eV＝12.75eV，由爱因斯坦光电效应方程可知光电子的最大初动能Ekm＝hνm－W0＝12.75eV－3.20eV＝9.55eV，故B正确；光电子从K极逸出时，动能最大值为Ekm，最小值为0，经过同一加速电压，动能变化量相同，则光电子到达A时的动能的最大差值为ΔEkm＝Ekm－0＝9.55eV，故C错误；向右滑动触头P，只有在光电流未达到饱和值前，正向电压越大，光电流越大，达到饱和电流之后，正向电压增大，则光电流不变，所以电流表示数不一定变大，故D错误。7．如图所示，是某种火灾报警装置的工作电路图，它的核心部件为紫外线光电管，其中A为阳极，K为阴极，发生火灾时c、d端有输出电压实施报警。已知地表附近太阳光中紫外线光子能量介于3.1～3.9eV之间，明火中的紫外线光子能量介于4.4～6.2eV之间。几种金属单质的逸出功如下表所示，若光电管阴极K材料选用金属铝，则下列说法正确的是()金属单质钾钠锌铝逸出功/eV2.252.293.344.21A．太阳光照射时c、d端有输出电压B．明火照射时c、d端有输出电压C．若阴极K材料选用金属锌，能实现有效报警D．明火中紫外线波长越长，光电子的最大初动能越大答案B解析因为太阳光中紫外线光子能量介于3.1～3.9eV之间，小于金属铝的逸出功4.21eV，故太阳光照射时，不发生光电效应，c、d端没有输出电压，A错误；明火中的紫外线光子能量介于4.4～6.2eV之间，大于金属铝的逸出功，故明火照射时，发生光电效应，c、d端有输出电压，B正确；若阴极K材料选用金属锌，已知金属锌的逸出功为3.34eV，则当太阳光照射时，发生光电效应，c、d端有输出电压，也能报警，但不能实现有效报警，C错误；根据E＝heq\f(c,λ)，明火中紫外线波长越长，光子能量越小，根据Ekm＝hν－W0，则光电子的最大初动能越小，D错误。8．(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中X＋eq\o\al(14,7)N→Y＋eq\o\al(17,8)OY＋eq\o\al(7,3)Li→2XX和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则()A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4答案D解析设Y的电荷数和质量数分别为m和n，根据核反应中电荷数守恒和质量数守恒，可知第一个核反应方程的电荷数和质量数满足Z＋7＝m＋8，A＋14＝n＋17，第二个核反应方程的电荷数和质量数满足m＋3＝2Z，n＋7＝2A，联立解得Z＝2，A＝4，故D正确。9．(2022·全国甲卷)两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0，在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，尚未衰变的原子核总数为eq\f(N,3)，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为()A.eq\f(N,12) B.eq\f(N,9)C.eq\f(N,8) D.eq\f(N,6)答案C解析设在t＝0时刻，半衰期为t0的元素原子核数为x，另一种元素原子核数为y，依题意有x＋y＝N，在t＝2t0时刻，两种元素分别经历了2个半衰期和1个半衰期，有eq\f(1,22)x＋eq\f(1,2)y＝eq\f(N,3)，联立可得x＝eq\f(2,3)N，y＝eq\f(1,3)N，在t＝4t0时刻，两种元素分别经历了4个半衰期和2个半衰期，尚未衰变的原子核总数为N′＝eq\f(1,24)x＋eq\f(1,22)y＝eq\f(N,8)，故选C。10．(2023·北京市昌平区高三下二模)“北京正负电子对撞机”是我国第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基础设施。一对速率相同的正、负电子(动能极小，可忽略)正碰后湮灭生成两个γ光子，反应方程为eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ。已知单个电子的静止质量为me，电荷量为e，光速为c，普朗克常量为h。下列说法正确的是()A．单个光子的能量为mecB．光子的频率为eq\f(mec2,h)C．两个光子的频率可以不同D．两个光子的运动方向可能相同答案B解析根据题意可知，碰撞前，正、负电子的总动量为零，根据碰撞过程动量守恒可知，产生的两个光子的总动量也为零，即两个光子的动量方向相反、大小相等，所以两个光子的运动方向相反，又光子的动量p＝eq\f(h,λ)，c＝λν，可得ν＝eq\f(pc,h)，则两个光子的频率相同，故C、D错误；两个光子的频率ν相同，根据ε＝hν可知，两个光子的能量相同，该反应过程的质量亏损Δm＝2me，根据ΔE＝Δmc2可得，该反应释放的能量ΔE＝2mec2，则单个光子的能量为ε＝eq\f(ΔE,2)＝mec2，根据ε＝hν可得，光子的频率为ν＝eq\f(mec2,h)，A错误，B正确。11．(多选)1899年，俄国物理学家列别捷夫首先从实验上证实了“光射到物体表面上时会产生压力”。已知频率为ν的光子的动量为eq\f(hν,c)，式中h为普朗克常量，c为光速。光对物体单位面积的压力叫辐射压强或光压。某二氧化碳气体激光器发出的激光功率为P＝1000W，该光束垂直射到某平整元件上，其光束截面积为S＝1.00mm2，该激光的波长为λ，光速c＝3×108m/s，且c＝λν，则()A．该激光器单位时间内发出的光子数可表示为eq\f(Pλ,hc)B．该激光器单位时间内发出的光子数可表示为eq\f(Pλ,h)C．该光束可能产生的最大光压约为667PaD．该光束可能产生的最大光压约为6.67Pa答案AD解析该激光器发出的单个光子的能量为ε＝hν＝heq\f(c,λ)，则单位时间内该激光器发出的光子数为N＝eq\f(P,ε)＝eq\f(Pλ,hc)，故A正确，B错误；如果光束垂直平面照射且被完全反射，则光子的动量改变量为最大，单位时间内光子的动量变化量Δp＝Np－(－Np)＝2Neq\f(hν,c)，根据动量定理，光子受到的平均作用力F＝Δp，又c＝λν，得F＝eq\f(2P,c)，又由牛顿第三定律知，光束对平面的作用力大小F′＝F，该光束产生的最大光压为p压＝eq\f(F′,S)，联立可得p压＝eq\f(2P,cS)＝6.67Pa，故C错误，D正确。机械振动与机械波、光学、热学、近代物理模块综合集训一、选择题(本题共8小题)1．(2023·湖南省娄底市高三下高考仿真模拟四模)(多选)劲度系数相同的两根弹簧分别与甲、乙两个实心小钢球组成弹簧振子，让两弹簧振子各自在水平面内做简谐运动，某时刻开始计时，两者的振动图像如图所示。已知弹簧振子的振动周期T＝2πeq\r(\f(m,k))，其中m为振子质量、k为弹簧劲度系数，下列说法正确的是()A．甲球质量等于乙球质量B．甲球的加速度始终大于乙球的加速度C．t＝0.15s时，弹簧对甲球的作用力大于弹簧对乙球的作用力D．若用两根相同的无弹性细长绳分别系住两个小球制成单摆，甲球做成的单摆周期大于乙球做成的单摆周期答案AC解析由题图知，两弹簧振子的周期T甲＝T乙＝0.4s，又两弹簧劲度系数相同，由T＝2πeq\r(\f(m,k))知，两个小球质量相同，故A正确；由题图可知，t＝0.1s时，与甲球相比，乙球位移较大，弹簧形变较大，弹簧弹力较大，乙球的加速度较大，B错误；由题图可知，对甲球有x甲＝A甲coseq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T甲)t))＝2cos(5πt)cm，对乙球有x乙＝－A乙sineq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,T乙)t))＝－sin(5πt)cm，t＝0.15s时，x甲＝－eq\r(2)cm，x乙＝－eq\f(\r(2),2)cm，由于两弹簧劲度系数相同，|x甲|>|x乙|，因此弹簧对甲球的作用力大于弹簧对乙球的作用力，故C正确；由A项分析可知，甲、乙两球完全相同，则用两根相同的无弹性细长绳分别系住两个小球制成的单摆摆长相同，由T＝2πeq\r(\f(l,g))可知，单摆周期相同，D错误。2．(2023·河北省张家口市高三下三模)超声波加湿器利用水槽底部雾化器模块将电能转化成机械能，高频电信号由图甲电路产生，通过压电陶瓷转换成同频率的高频声信号，发出超声波。两列超声波信号叠加后，会出现振动加强点，图乙为某时刻两列超声波在水中传播的波形图，M(－1.5，0)、N(0.5，0)分别为两列波的前端，已知声波在水中传播的速度为1500m/s。下列说法正确的是()A．该超声波加湿器所发出的超声波信号频率为1500HzB．两列波传播稳定后，坐标原点O的振幅是2mmC．沿x轴上的M、N两点间(包括M、N两点)，振动加强点的位置有4个D．拔出图甲线圈中的铁芯，沿x轴上的M、N两点间振动加强点的个数减少答案C解析由题图乙可知，两列波的波长均为λ＝1cm，由v＝λf可得，该超声波信号频率为f＝eq\f(v,λ)＝eq\f(1500,1×10－2)Hz＝1.5×105Hz，A错误；由题意可知，两列波叠加后，可以发生干涉，坐标原点O到M、N两点的距离差Δr＝1cm＝λ，又由M、N点是两列波的前端，且M、N两点起振方向相反，可知原点O是振动减弱点，振幅为0，故B错误；M、N两点间任意一点到两点间的距离差是半波长的奇数倍的位置都是振动加强点，由[x－(－1.5cm)]－(0.5cm－x)＝(2n＋1)eq\f(λ,2)(－1.5cm≤x≤0.5cm，n＝0，±1，±2，…)，可得x＝－1.25cm或x＝－0.75cm或x＝－0.25cm或x＝0.25cm，即在M、N两点间(包括M、N两点)有四个振动加强点，故C正确；拔出铁芯后线圈的自感系数L减小，由T＝2πeq\r(LC)可知，振荡周期T减小，由v＝eq\f(λ,T)可知，波长λ变小，结合C项分析知，沿x轴上的M、N两点间振动加强点的个数增多，故D错误。3.(2022·江苏省苏州市高三下三模)如图所示，正方体透明玻璃砖，从底部挖去一部分，挖去部分恰好是以底边为直径的半圆柱。平行单色光垂直于玻璃砖上表面射入，半圆柱面上有光线射出的部分为其表面积的eq\f(2,3)，不计光线在玻璃砖中的多次反射，则该单色光在玻璃砖中的折射率为()A.eq\f(2\r(3),3) B.eq\r(2)C.eq\r(3) D.eq\f(4\r(3),3)答案A解析设该单色光发生全反射时的临界角为C，如图所示，半圆柱面上有光线射出的部分为其表面积的eq\f(2,3)，则eq\f(2C,π)＝eq\f(2,3)，得C＝eq\f(1,3)π，则该单色光在玻璃砖中的折射率为n＝eq\f(1,sinC)＝eq\f(2\r(3),3)。故选A。4．(2022·山东高考)如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动90°过程中，缸内气体()A．内能增加，外界对气体做正功B．内能减小，所有分子热运动速率都减小C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加答案C解析气缸在缓慢转动的过程中，活塞所受到的重力沿气缸壁方向的分力减小，对活塞进行受力分析，根据平衡条件，可知缸内气体压强减小，则气体体积增大，外界对气体做负功，气缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热传递，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，但并不是所有分子热运动的速率都减小，只是速率大的分子数占总分子数的比例减少，C正确，A、B、D错误。5．(2023·浙江6月选考)(多选)有一种新型光电效应量子材料，其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时，只产生动能和动量单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝，在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹，测得条纹间距为Δx。已知电子质量为m，普朗克常量为h，光速为c，则()A．电子的动量pe＝eq\f(hL,dΔx)B．电子的动能Ek＝eq\f(hL2,2md2（Δx）2)C．光子的能量E＝W0＋eq\f(chL,dΔx)D．光子的动量p＝eq\f(W0,c)＋eq\f(h2L2,2cmd2（Δx）2)答案AD解析根据双缝干涉条纹间距公式(对光波和物质波均适用)有Δx＝eq\f(L,d)λe，根据物质波波长公式有λe＝eq\f(h,pe)，可得电子的动量pe＝eq\f(hL,dΔx)，故A正确；根据动能和动量的关系知，电子的动能Ek＝eq\f(peq\o\al(2,e),2m)＝eq\f(h2L2,2md2（Δx）2)，故B错误；根据爱因斯坦光电效应方程可知，光子的能量E＝W0＋Ek＝W0＋eq\f(h2L2,2md2（Δx）2)，故C错误；光子的动量p＝eq\f(h,λ)，波长λ＝eq\f(c,ν)，能量E＝hν，联立得p＝eq\f(E,c)＝eq\f(W0,c)＋eq\f(h2L2,2cmd2（Δx）2)，故D正确。6．(2021·重庆高考)放射性元素123I会衰变为稳定的123Te，半衰期约为13h，可用于检测人体的甲状腺对碘的吸收。若某时刻123I与123Te的原子数量之比为4∶1，则经过26h后123I与123Te的质量之比为()A．1∶2 B．1∶4C．1∶8 D．1∶16答案B解析根据题述，最初123I与123Te的原子数量之比为4∶1，经过26h(两个半衰期)后，四分之三的123I发生衰变，生成等数量的123Te，则剩余的123I与123Te的原子数量之比为1∶4，又123I与123Te的原子质量相同，所以123I与123Te的质量之比为1∶4，B正确。7．(2020·浙江7月选考)(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026W，其辐射的能量来自于聚变反应。在聚变反应中，一个质量为1876.1MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq\o\al(2,1)H)和一个质量为2809.5MeV/c2的氚核(eq\o\al(3,1)H)结合为一个质量为3728.4MeV/c2的氦核(eq\o\al(4,2)He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6MeV的能量。下列说法正确的是()A．X粒子是质子B．X粒子的质量为939.6MeV/c2C．太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109kgD．太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6MeV/c2答案BC解析由质量数和电荷数守恒可知，X粒子的质量数为1，电荷数为0，则X粒子为中子，A错误；根据能量守恒定律可知mXc2＝(1876.1＋2809.5－3728.4－17.6)MeV，则X粒子的质量为mX＝939.6MeV/c2，B正确；太阳每秒辐射的能量为E＝Pt＝4×1026J，因为辐射损失的质量为Δm＝eq\f(E,c2)＝eq\f(4×1026,9×1016)kg≈4.4×109kg，C正确；因为1MeV/c2＝eq\f(1.6×10－19×106,（3.0×108）2)kg≈1.78×10－30kg，则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm＝eq\f(4.4×109,1.78×10－30)×1MeV/c2≈2.5×1039MeV/c2，D错误。8.(2022·山东省潍坊市高三下5月模拟(一))静止在真空匀强电场中的某原子核发生衰变，其衰变粒子与反冲核的初速度方向均与电场方向垂直，且经过相等的时间后形成的轨迹如图所示(a、b表示长度)。原子核重力不计，则该衰变方程可能是()A．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(234,90)ThB．eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(222,86)RnC．eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(234,91)PaD．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N答案A解析由轨迹弯曲方向可以看出，反冲核与衰变粒子的受力方向均与电场强度方向相同，则均带正电，所以放出的粒子为α粒子，C、D错误；设两粒子运动时间均为t，上侧轨迹对应的粒子电荷量为q1，质量为m1，下侧轨迹对应的粒子电荷量为q2，质量为m2，由动量守恒定律有m1v1＝m2v2，根据类平抛运动规律有v1t＝9a，eq\f(1,2)·eq\f(q1E,m1)·t2＝a，v2t＝b，eq\f(1,2)·eq\f(q2E,m2)·t2＝5b，联立得到eq\f(q1,q2)＝eq\f(1,45)，所以只有A项中方程粒子的电荷数之比符合上述分析，A正确，B错误。二、非选择题(本题共2小题)9．(2022·江苏省泰州市高三下第三次调研测试)研究光的干涉现象原理图如图所示。光源S到双缝S1、S2的距离相等，S