16专题十六　近代物理初步训练册

专题十六近代物理初步目录题型方法培优提升题型54光电效应五年高考三年模拟题型55能级跃迁与电离五年高考三年模拟题型56结合能、比结合能及核能计算五年高考三年模拟题型54光电效应题型方法五年高考1.

(2025山东,1,3分)在光电效应实验中,用频率和强度都相同的单色光分别照射编号为1、2、3的金属,所得遏止电压如图所示,关于光电子最大初动能Ek的大小关系正确

的是

()A.Ek1>Ek2>Ek3B.Ek2>Ek3>Ek1C.Ek3>Ek2>Ek1D.Ek3>Ek1>Ek2

B

解析光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系为Ek=eUc,若使用频率相同的单色

光照射不同种类的金属,遏止电压越大,说明逸出的光电子最大初动能Ek也越大,根据图

示可知Uc2>Uc3>Uc1,则Ek2>Ek3>Ek1,B正确,A、C、D错误。

方法技巧光电效应的三个重要关系式(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。(2)光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系:Ek=eUc。(3)逸出功W0与截止频率νc的关系:W0=hνc。2.

(2024黑吉辽,8,6分)(多选)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子,并对光电子进行分析的科研仪器。用某一频率的X光照射某种金属表面,逸出了

光电子,若增加此X光的强度,则

()A.该金属的逸出功增大B.X光的光子能量不变C.逸出的光电子最大初动能增大D.单位时间逸出的光电子数增多

BD

解析逸出功由金属材料本身决定,A错误。光子能量E=hν,由光子频率决定,B正确。

由爱因斯坦光电效应方程Ek=hν-W0可知,逸出的光电子最大初动能不变,C错误。光的强度增加,单位时间照射到金属表面的光子数增加,单位时间逸出的光电子数增多,D正确。

方法技巧

光电效应现象分析的两条线索和两条对应关系(1)两条线索:

(2)两条对应关系:3.

(2025广东,3,4分)有甲、乙两种金属,甲的逸出功小于乙的逸出功。使用某频率的光分别照射这两种金属,只有甲发射光电子,其最大初动能为Ek。下列说法正确的是

()A.使用频率更小的光,可能使乙也发射光电子B.使用频率更小的光,若仍能使甲发射光电子,则其最大初动能小于EkC.频率不变,减弱光强,可能使乙也发射光电子D.频率不变,减弱光强,若仍能使甲发射光电子,则其最大初动能小于Ek

B

解析只有甲发射光电子,说明甲发生了光电效应,乙没有发生光电效应,满足ν>ν甲且ν<

ν乙,则若使用频率更小的光,乙更不可能发生光电效应,乙更不可能发射光电子,A错误;

根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W0,若使用频率更小的光,甲射出的光电子最大初

动能会变小,即小于Ek,而若频率不变,光强无论增强还是减弱,甲射出的光电子最大初

动能均不变,B正确,D错误;金属乙要发生光电效应,需满足入射光频率ν>ν乙,而与入射光

光强无关,C错误。4.

(2024浙江1月,11,3分)如图所示,金属极板M受到紫外线照射会逸出光电子,最大速率为vm。正对M放置一金属网N,在M、N之间加恒定电压U。已知M、N间距为d(远

小于板长),电子的质量为m,电荷量为e,则

()A.M、N间距离增大时电子到达N的动能也增大B.只有沿x方向逸出的电子到达N时才有最大动能

C

C.电子从M到N过程中y方向位移大小最大为vmd

D.M、N间加反向电压

时电流表示数恰好为零

解析增大M、N之间的距离,M、N间电势差不变,电子从M到N电场力做功W=eU,电场

力做功不变,因此到达N板的动能不变,A错误;根据动能定理,W=Ekt-Ek0,电场力做功为

eU,所以只要初动能相等,无论是从哪个方向逸出的电子到达N板时的动能都一样,B错

误;当最大初动能的光电子恰好减速运动到N且末速度为零时,M、N之间的电压为遏止

电压,根据动能定理得-eU'=0-

m

,解得遏止电压U'=

,D错误;当某光电子初速度方向与y轴方向相同时,则y方向位移大小为y=vmt,从M板运动到N板,x方向位移大小d=

at2,t=

=d

,所以y=vmd

,C正确。三年模拟1.

(2025烟台二模)处于激发态的汞原子可辐射出波长为423.3nm的靛光和波长为587.6nm的黄光,靛光可以使金属a发生光电效应,但不能使金属b发生光电效应。下列说

法正确的是

()A.黄光的光子能量比靛光的光子能量大B.黄光可能使两种金属都发生光电效应C.在同一介质中靛光比黄光的传播速度大D.金属a的截止频率小于金属b的截止频率

D

解析由题意可知黄光的波长大于靛光的波长,根据ν=

可知,黄光的频率小于靛光的频率,根据ε=hν可知,黄光的光子能量比靛光的光子能量小,A错误;靛光可以使金属a发

生光电效应,但不能使金属b发生光电效应,可知金属a的截止频率小于金属b的截止频

率,由于黄光的光子能量比靛光的光子能量小,则黄光一定不能使金属b发生光电效应,

B错误,D正确;由于黄光的频率小于靛光的频率,则同一介质中黄光的折射率小于靛光

的折射率,根据v=

可知,在同一介质中靛光传播速度比黄光的传播速度小,C错误。2.

(2025齐鲁名校大联考)用如图所示的电路研究光电效应,阴极K为铝板,用某种频率的光照射阴极K,将滑动变阻器的滑片自左端向右端缓慢滑动,发现电压表的示数为

0.80V时电流表的示数恰好为0。保持入射光的频率不变,将阴极K换成锌板,同样将滑

动变阻器的滑片自左端向右端缓慢滑动,发现电压表的示数为1.66V时电流表的示数

恰好为0。已知铝的逸出功约为4.20eV,则锌的逸出功约为

()

B

A.2.02eV

B.3.34eV

C.5.06eV

D.8.72eV

解析由题可知,阴极K为铝板时,遏止电压为0.80V,由爱因斯坦光电效应方程有0.80

eV=hν-4.20eV,阴极K为锌板时,遏止电压为1.66V,由爱因斯坦光电效应方程有1.66eV

=hν-W0,联立解得锌的逸出功为W0=3.34eV,B正确。

知识拓展

(1)截止频率为νc的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零,逸出功W0=hνc。(2)某种金属的逸出功是一定值,发生光电效应的情况下,随入射光频率的增大,光电子

的最大初动能增大,但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比。3.

(2025江苏南通、泰州、镇江、盐城一调)用图示装置研究光电效应的规律,ν为入射光的频率,Uc为遏止电压,I为电流表示数,U为电压表示数。下列反映光电效应规律

的图像可能正确的是

()

C

解析根据光电效应方程得Ekm=hν-W0,又因为Ekm=eUc,解得Uc=

ν-

,则遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线是不过原点的直线;对于不同的金属逸出功W0不同,即纵截距

不同,但两图线的斜率相同,A、B错误;根据题中给定的图像,在发生光电效应的前提条

件下,当电压表电压为0时,电流表示数不为0,且存在饱和电流,所以I-U图线不过原点,C

正确,D错误。

知识拓展

光电效应规律中的两条线索与两个关系(1)两条线索:

(2)两个关系:光强→单位时间照射的光子数目多→单位时间内逸出的光电子多→光电

流大;光的频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。4.

(2025名校联盟开学考)一束复色光通过玻璃三棱镜后分成如图1所示a、b、c三束单色光,现用a、b、c三束光分别去照射图2所示的阴极K发生光电效应,得到图3所示

遏止电压Uc与频率ν的关系图像。下列说法正确的是()

B

A.a、b、c光的波长大小关系为λa<λb<λcB.a、b、c光子的动量大小关系为pa<pb<pcC.a、b、c光的频率大小关系为νa>νb>νcD.若三种光均可使阴极K发生光电效应,则a光对应的遏止电压最大

解析

a、b、c光中因c光的偏折程度最大,可知c光折射率最大,频率最大,波长最短,即

三种光的频率大小关系为νa<νb<νc,波长大小关系为λa>λb>λc,A、C错误;根据p=

可知a、b、c光子的动量大小关系为pa<pb<pc,B正确;若三种光均可使阴极K发生光电效

应,根据eUc=Ek=hν-W0,则c光对应的遏止电压最大,D错误。题型55能级跃迁与电离五年高考1.

(2023山东,1,3分)“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原子钟组发射升空,对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义。如图所示为某原子钟工作的四能级体系,原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ,然后自发辐射出频率为ν1的光子,跃迁到钟跃迁的上能级2,并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1,实现受激辐射,发出钟激光,最后辐射出频率为ν3的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率ν2为()A.ν0+ν1+ν3

B.ν0+ν1-ν3C.ν0-ν1+ν3

D.ν0-ν1-ν3

D

解析利用图示能级关系及能级跃迁理论可知光子的能量关系是hν0=hν1+hν2+hν3,解得

ν2=ν0-ν1-ν3,D正确。2.

(2024安徽,1,4分)大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置,其激光辐射所应用的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。图为氢原子的能级

示意图,已知紫外光的光子能量大于3.11eV,当大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃

迁时,辐射不同频率的紫外光有

()

A.1种

B.2种

C.3种

D.4种

B

解析

由图可知,ΔE2→1和ΔE3→1不等,且都大于3.11eV,会有不同频率的紫外光射出,故有2种,B正确。3.

(2024重庆,8,5分)(多选)我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现空间太阳Hα波段光谱扫描成像。Hα和Hβ分别为氢原子由n=3和n=4能级向n

=2能级跃迁产生的谱线(如图),则

()A.Hα的波长比Hβ的小B.Hα的频率比Hβ的小C.Hβ对应的光子能量为3.4eVD.Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态

BD

解析

n=3与n=2的能级差小于n=4与n=2的能级差,则Hα与Hβ相比,Hα的能量低、波长

大、频率小,A错误,B正确;Hβ对应的光子能量为E=(-0.85)eV-(-3.40)eV=2.55eV,C错

误;氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量Emin=-3.40eV-(-13.60)eV=10.2eV,故Hβ对

应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态,D正确。4.

(2024浙江6月,10,3分)玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示,处于n=3能级的原子向低能级跃迁,会产生三种频率为ν31、ν32和ν21的光,下标数字表示相应的能级。已知

普朗克常量为h,光速为c。正确的是

()

B

A.频率为ν31的光,其动量为

B.频率为ν31和ν21的两种光分别射入同一光电效应装置,均产生光电子,其最大初动能之差为hν32C.频率为ν31和ν21的两种光分别射入双缝间距为d、双缝到屏的距离为l的干涉装置,产生的干涉条纹间距之差为

D.若原子从n=3跃迁至n=4能级,入射光的频率ν'34>

解析由能量关系可得E3-E1=hν31,光的波长λ31=

,对应光子的动量p=

,联立以上关系式可得p=

,A错误。同一光电效应装置对应的逸出功W0相同,光电子的最大初动能Ekm=hν-W0,由E31=E32+E21可得hν31=hν32+hν21,所以两种光电子最大初动能之差ΔEkm=hν31

-hν21=hν32,B正确。频率为ν31的光的波长为λ31=

,频率为ν21的光的波长为λ21=

,由Δx=

λ,可得产生的干涉条纹间距之差为

(λ21-λ31)=

,C错误。由E4-E3=hν34可知,若原子从n=3跃迁到n=4能级,入射光的频率ν'34=ν34=

(点拨:电子吸收光子只能是整份的,所以光的频率是定值),D错误。三年模拟1.

(2025山东名校4月联合检测)氢原子是宇宙中最早、最丰富的原子,约占宇宙中可见物质的75%。氢原子核由一个质子构成,1919年卢瑟福用α粒子轰击氮核时率先发现

了质子。氢原子的能级示意图如图所示,α粒子可通过核反应

Rn

Po

He获得。已知

Rn的半衰期为4天,根据以上信息,下列说法正确的是

()A.100个氡原子核(

Rn)经8天后还剩25个B.能量为13.1eV的单色光照射处于基态的氢原子时可以使氢原子发生跃迁C.能量为13.1eV的电子撞击处于基态的氢原子时可以使氢原子发生跃迁D.一个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时最多可发出6种不同颜色的光

C

解析半衰期只适用于大量原子核衰变,不适用于少数原子核衰变,所以100个氡原子

核(

Rn)经8天后不一定还剩25个,A错误;处于基态的氢原子若吸收一个能量为13.1eV的光子后,具有的能量为E=-13.6eV+13.1eV=-0.5eV,根据氢原子的能级图可知,不存在

该能级,所以能量为13.1eV的单色光照射处于基态的氢原子时不可以使氢原子发生跃

迁,B错误;能量为13.1eV的电子撞击处于基态的氢原子时,电子部分动能被吸收,只要

被吸收的能量等于某个能级与基态的能量差,就可以使氢原子发生跃迁,C正确;一个处

于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,跃迁路径可能为4→3→2→1,可知最多可发出3种

不同颜色的光,D错误。2.

(2025北京东城一模)如图甲为氢原子光谱示意图,图乙为氢原子部分能级示意图。图甲中的Hα、Hβ、Hγ、Hδ是氢原子在可见光区的四条谱线,这四条谱线是氢原子

从n≥3能级向n=2能级跃迁时产生的。已知可见光的光子能量范围为1.62~3.11eV。

下列说法正确的是

()

C

A.Hα对应的光子能量比Hγ对应的光子能量大B.Hδ可能是氢原子从n=3能级向n=2能级跃迁时产生的C.若氢原子从n=4能级向n=3能级跃迁,则辐射出的光属于红外线D.若氢原子从n=2能级向n=1能级跃迁,则需要吸收10.2eV的能量

解析

Hα谱线对应的波长大于Hγ谱线对应的波长,则Hα谱线对应光子的频率小于Hγ谱

线对应光子的频率,由ε=hν可知,Hα谱线对应的光子能量小于Hγ谱线对应的光子能量,A

错误;在4条谱线对应的光中,Hδ谱线对应的波长最短,频率最大,光子能量最大,是氢原子

从n=6能级向n=2能级跃迁产生的,并不是从n=3能级向n=2能级跃迁产生的,B错误;根据

hν=Em-En可知,氢原子从n=4能级向n=3能级跃迁辐射的光子能量为0.66eV,比可见光的

光子能量小,属于红外线,C正确;根据hν=Em-En可知,氢原子从n=2能级向n=1能级跃迁辐

射的光子能量为10.2eV,不是吸收光子,D错误。3.

(2025江西重点高中一模)如图所示为氢原子的能级图,一群处于基态的氢原子吸收某种频率的光子后,跃迁到同一激发态上,处在激发态的氢原子不稳定,向低能级跃

迁,可辐射多种频率的光子,其中能量最小的光子能量为0.31eV,则氢原子处在基态时

吸收的光子能量为

()A.13.6eV

B.13.06eVC.12.75eV

D.12.09eV

B

解析根据题意与题图,能量最小的光子是从n=5能级向n=4能级跃迁辐射的,因此氢原

子处在基态时吸收的光子的能量为E=-0.54eV-(-13.6eV)=13.06eV,B正确。

知识拓展

两类跃迁规律自发跃迁从高能级跃迁到低能级,释放能量,发出光子

光子频率ν=

=

受激跃迁光照(吸收光子):光子的能量必须恰好等于能级差即hν=

ΔE

碰撞、加热等:入射粒子能量大于或等于能级差,即E外≥

ΔE4.

(2025云南曲靖一模)氢原子光谱是由氢原子从高能级向低能级跃迁产生的。如图所示是氢原子电子轨道示意图,a、b两束光分别由处在n=5能级和n=4能级的氢原子

跃迁到n=2能级时产生,下列说法错误的是

()

D

A.氢原子的光谱是分立谱B.大量处于n=4能级的氢原子向n=2能级跃迁时,能产生3种不同频率的光子C.氢原子不可以自发地从基态向n=5能级跃迁D.已知b光是蓝光,则a光可能是红光

解析由于原子能级具有分立性,可知氢原子的光谱是分立谱,A正确,不符合题意;大量

处于n=4能级的氢原子向n=2能级跃迁时,能产生不同频率的光子有

=3种,B正确,不符合题意;氢原子由低能级跃迁至高能级需要吸收能量,可知氢原子不可以自发地从基

态向n=5能级跃迁,C正确,不符合题意;结合题意可知,a光的光子能量大于b光的光子能

量,根据E=hν可知,a光的频率大于b光的频率,由于蓝光的频率大于红光的频率,可以判

定,若b光是蓝光,则a光不可能是红光,D错误,符合题意。故选D。题型56结合能、比结合能及核能计算五年高考1.

(2022福建,2,4分)2011年3月,日本发生的大地震造成了福岛核电站核泄漏。在泄漏的污染物中含有大量放射性元素

I,其衰变方程为

I

Xe+

e,半衰期为8天,已知mI=131.03721u,mXe=131.03186u,me=0.000549u,则下列说法正确的是

()A.衰变产生的β射线来自于

I原子的核外电子B.该反应前后质量亏损0.00535uC.放射性元素

I发生的衰变为α衰变D.经过16天,75%的

I原子核发生了衰变

D

解析

该反应前后质量亏损Δm=mI-mXe-me=131.03721u-131.03186u-0.000549u=0.00

4801u,B错误。放射性元素

I发生衰变产生的是β粒子,故属于β衰变,C错误。衰变产生的β射线是原子核内的中子转变为质子的过程中产生的,不是来自核外电子,A错误。

每个半衰期中

I原子核有一半发生衰变,16天为两个半衰期,故有

发生了衰变,剩下

没有发生衰变,D正确。2.

(2024浙江1月,7,3分)已知氘核质量为2.0141u,氚核质量为3.0161u,氦核质量为4.0026u,中子质量为1.0087u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023mol-1,氘核摩尔质量为2g·

mol-1,1u相当于931.5MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是

()A.核反应方程式为

H

H

He

nB.氘核的比结合能比氦核的大C.氘核与氚核的间距达到10-10m就能发生核聚变D.4g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025MeV

D

解析

根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知,A错误;发生轻核聚变的条件是原

子核之间的距离小于10-15m,C错误;氦核较稳定,氦核的比结合能比氘核的大,B错误;一

个氘核参与聚变反应质量亏损为0.0189u,4g氘完全参与反应,质量亏损产生的核能为

ΔE=

×6×1023×0.0189×931.5MeV≈2.1×1025MeV,D正确。三年模拟1.

(2025山东名校联盟开学考)氘被称为“未来的天然燃料”,应用聚变反应

n+X

H+2.19MeV可获取。关于该聚变反应,下列说法正确的是

()A.X是正电子B.中子和X的距离达到10-10m就能发生核聚变C.氘核的比结合能为1.095MeVD.中子和X的总质量等于生成的氘核的质量

C

解析根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为1,X是质

子,A错误;发生核聚变要达到的距离范围为10-15m,B错误;氘核的比结合能为E=

=1.095MeV,C正确;因反应放出核能,故有质量亏损,则中子和X的总质量大于生成的氘核的质量,D错误。2.

(2025天津南开期末)中国科学院近代物理研究所科研团队与合作单位研究人员首次成功合成新原子核

Ac。该原子核存在一种衰变链,其中第1次由

Ac衰变成原子核

Fr,第2次由

Fr衰变成原子核

At。下列说法正确的是

()A.两次均为β衰变B.10个

Ac原子核经过一个半衰期后一定还剩余5个C.

Ac原子核发生衰变时需要吸收能量D.

Fr原子核的比结合能比

At原子核的比结合能小

D

解析

由电荷数守恒和质量数守恒可知,第一次衰变有

Ac→

He,第二次衰变有

Fr

At

He,可知两次均为α衰变,A错误;半衰期是大量原子的统计规律,对少量原子核衰变不适用,B错误;

Ac原子核发生衰变时要放出能量,C错误;

Fr衰变的过程中是释放能量的,比结合能增大,

Fr的比结合能比

At的比结合能小,D正确。

快解方法确定衰变次数的方法方法一设放射性元素

X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素

Y,则衰变方程为

X

Y+

He+

e根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+

2n-m方法二确定衰变次数,因为β衰变对质量数无影响,先由质量数

的改变确定α衰变的次数,再根据衰变规律确定β衰变的

次数3.

(2025齐鲁名校联考五)2024年“嫦娥六号”从月球背面带回含氦3元素的月壤,氘核与氦3核反应的方程式为

He

H

He

H,已知

He的结合能为E1

H的结合能为E2

He的结合能为E3。下列说法正确的是

()A.该反应为α衰变B.该反应前后动量不守恒C

He的比结合能大于

He的比结合能D.一次核反应中释放的能量大小为E1+E2-E3

C

解析该反应为聚变,不是α衰变,A错误;根据动量守恒的条件,该反应前后动量守恒,B

错误;此核反应释放能量,生成的

He原子核更稳定,即

He的比结合能大于

He的比结合能,C正确;由能量守恒定律可知,一次核反应中释放的核能大小为ΔE=E3-(E1+E2)=E3-E1-

E2(点拨:核反应后的结合能减去反应前的结合能等于核反应释放的核能),D错误。培优提升

提分策略

近年来山东高考关于近代物理初步的命题聚焦基础概念与现象理解,突出核心知

识点,如光电效应方程、能级跃迁、核反应方程。选择题侧重定量计算与物理史实(如

爱因斯坦的贡献、α粒子散射实验),常结合图像(如光电效应I-U图、能级图等)分析光

子能量与跃迁关系。计算题以衰变规律、质能方程为主,强调半衰期以及核能计算。

备考需强化概念辨析(如裂变与聚变)及公式的灵活应用(如Ek=hν-W0)。1.核心考法·衰变+半衰期(2025日照一模)(多选)在火星上,太阳能电池板发电能力有限,

因此科学家用放射性材料(PuO2)作为发电能源为火星车供电。PuO2中的Pu元素是

Pu,半衰期是87.7年。下列说法正确的是()A.

Pu发生α衰变生成的新核中,中子数为142B.10000个

Pu经过175.4年后,还剩下2500个C.

Pu无论存在于化合物PuO2中,还是以单质的形式存在,半衰期都不变D.衰变过程发生了质量亏损,会吸收能量

AC

解析

Pu发生α衰变,根据质量数守恒和电荷数守恒可得,生成的新原子核的质量数为234,电荷数为92,则中子数为142,A正确;半衰期是一个统计规律,只针对大量的原子

核才成立,对少数、个别原子核不成立,因此10000个

Pu经过1