2025-2026年陕西省北师大版高三物理上册第5章原子物理实验练习题

2025-2026年陕西省北师大版高三物理上册第5章原子物理实验练习题一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.在进行α粒子散射实验时，如果入射α粒子的动能保持不变，但散射角度增大，那么以下说法正确的是（）A.入射α粒子离金箔的距离更近B.金箔中原子核的带电量更小C.金箔材料的原子序数更大D.实验中观察到的散射现象更符合卢瑟福散射公式【解析】α粒子散射实验中，散射角度与原子核电荷量成正比，与距离成反比。散射角度增大说明原子核电荷量更大或距离更近，但题目限定动能不变，则距离更近。选项A正确，B、C错误，D与散射角度无关。2.在研究光电效应的实验中，用频率为ν的紫光照射金属板，发现电流计指针偏转。若改用频率为ν/2的橙光照射同一金属板，以下现象可能出现的是（）A.依然能产生光电子，但光电子最大初动能减小B.电流计指针不偏转，因为橙光能量不足以克服逸出功C.需要增大橙光的强度才能观察到光电流D.光电子的最大初动能与紫光照射时相同【解析】根据爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W，频率减半则光子能量减半，若hν/2<W，则不产生光电子。选项B正确，A、C、D错误。3.在验证原子能级跃迁的实验中，用汞灯照射钠蒸气，观察到特定波长的光被吸收。若改用氢灯照射，以下说法正确的是（）A.氢原子能级结构与汞原子相同，一定能观察到吸收光谱B.氢原子吸收光谱的波长一定比汞原子吸收光谱的波长更长C.钠蒸气能吸收氢原子发射的光，但不会发生跃迁D.实验中观察到吸收光谱说明原子只能跃迁到特定能级【解析】不同原子能级结构不同，氢原子吸收光谱与汞原子无关。吸收光谱说明原子只能跃迁到特定能级。选项D正确。4.在研究原子核衰变的实验中，某放射性样品的半衰期为T。若初始时刻测得样品有N0个原子核，经过3T时间后，以下说法正确的是（）A.样品中仍有N0/8个原子核未发生衰变B.放射性强度变为初始强度的1/4C.样品中α衰变和β衰变的比例保持不变D.若改用加速器轰击该样品，衰变率会立即变为原来的2倍【解析】经过3T即两个半衰期，剩余原子核数为N0(1/2)^2=N0/4，放射性强度为初始强度的1/4。衰变率由原子核数量决定，与外界条件无关。选项B正确。5.在测量电子电荷量e/m的实验中，若保持两平行板间的电压U和磁感应强度B不变，但将电子束的入射角度从垂直于电场方向改为与电场方向成θ角，以下说法正确的是（）A.电子做直线运动，因为电场力和洛伦兹力平衡B.电子做类平抛运动，轨迹为抛物线C.若θ增大，电子离开电场时的偏转量会减小D.实验中需要测量电子束的偏转距离y和入射距离L【解析】电子在电场和磁场中做匀速圆周运动，半径r=mv/(eB)，偏转量y与θ无关。选项D正确。6.在研究原子光谱的实验中，某元素在可见光区域发射三条谱线，其波长分别为λ1、λ2、λ3（λ1<λ2<λ3）。若用该元素激发的气体照射光栅，以下说法正确的是（）A.光栅衍射条纹中，λ1对应的条纹间距最大B.光栅常数越小，衍射条纹越密集C.若用单色光λ1照射光栅，衍射角θ与光栅常数成反比D.该元素原子只能跃迁到三个特定能级【解析】根据光栅公式dsinθ=kλ，λ越小，衍射角θ越小，条纹间距越小。选项C正确。7.在验证玻尔原子模型的实验中，用氢原子发射的光照射钠蒸气，观察到钠蒸气吸收了特定波长的光。若改用氦离子（He+）做实验，以下说法正确的是（）A.氦离子能级结构与氢原子相同，一定能观察到吸收光谱B.氦离子吸收光谱的波长一定比氢原子吸收光谱的波长更短C.钠蒸气能吸收氦离子发射的光，但不会发生跃迁D.实验中观察到吸收光谱说明原子核质量不影响能级跃迁【解析】氦离子与氢原子能级结构不同，但能级公式En=-13.6Z^2/n^2eV，Z=2，能级差更大，吸收光谱波长更短。选项B正确。8.在研究放射性同位素的衰变规律时，某样品的初始放射性强度为I0，经过时间t后，测得放射性强度为I。若继续测量，以下说法正确的是（）A.放射性强度会立即变为原来的2倍B.放射性强度随时间变化的关系一定符合指数衰减规律C.若改用探测器测量，探测到的粒子数会立即翻倍D.放射性强度与样品质量成正比，与温度无关【解析】放射性衰变符合指数衰减规律，但探测到的粒子数受统计涨落影响，不会立即翻倍。选项B正确。9.在测量α粒子散射实验中，若将金箔换成相同厚度的铝箔，但保持入射α粒子的动能和强度不变，以下说法正确的是（）A.散射角度更小，因为铝原子核带电量更小B.散射α粒子数更多，因为铝原子数量更多C.实验中观察到的散射现象更符合汤姆孙模型D.需要增大入射α粒子的动能才能观察到散射现象【解析】铝原子核带电量小于金原子核，散射角度更小。选项A正确。10.在验证康普顿效应的实验中，用X射线照射石墨，观察到散射光中出现了波长变长的谱线。若改用可见光照射，以下说法正确的是（）A.依然能观察到康普顿效应，但波长变化更明显B.康普顿效应消失，因为可见光光子能量不足以产生电子跃迁C.散射光的波长变化与入射光的波长无关D.实验中需要测量散射光的偏转角度和波长变化【解析】康普顿效应需要光子与电子碰撞，可见光光子能量不足以产生电子跃迁。选项B正确。二、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.在α粒子散射实验中，若入射α粒子的动能为Ek，散射角度为θ，则α粒子离原子核的最近距离为______。【答案】mv^2/(2k•sin^2θ/2)【解析】α粒子在原子核附近做类匀速圆周运动，库仑力提供向心力：k•2e^2/r^2=mv^2/r，r=mv^2/(2k•sin^2θ/2)。2.在光电效应实验中，某金属的截止频率为ν0，若用频率为ν(ν>ν0)的光照射，则光电子的最大初动能为______。【答案】h(ν-ν0)【解析】根据爱因斯坦光电效应方程：Ekm=hν-W=hν0，Ekm=h(ν-ν0)。3.在研究原子能级跃迁的实验中，氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级时，发射的光子波长为______。【答案】4.86×10^-7m【解析】根据玻尔公式：ΔE=hc/λ，ΔE=E4-E2=-13.6×(1/2^2-1/4^2)eV，λ=hc/ΔE=4.86×10^-7m。4.在验证原子核半衰期的实验中，某放射性样品经过5小时后剩余1/16，则该样品的半衰期为______。【答案】1小时【解析】经过n个半衰期剩余N0/N=1/2^n，5/t=4，t=1小时。5.在测量电子电荷量e/m的实验中，电子以速度v垂直进入宽度为d的平行板电场，电场强度为E，则电子离开电场时的偏转量为______。【答案】vd^2/(4Ee)【解析】电子在电场中做类平抛运动，水平方向v_xt，竖直方向a=Fe/m，y=1/2at^2=vd^2/(4Ee)。6.在研究原子光谱的实验中，某元素在可见光区域发射三条谱线，其波长分别为400nm、500nm、600nm，则这三条谱线对应的光子能量之比为______。【答案】3:2:1【解析】E=hc/λ，λ之比为3:2:1，则E之比为1:2:3。7.在验证玻尔原子模型的实验中，氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级时，发射的光子频率为______。【答案】1.59×10^14Hz【解析】ν=c/λ，λ=656.3nm，ν=1.59×10^14Hz。8.在研究放射性衰变的实验中，某样品的初始放射性强度为I0，经过时间t后，测得放射性强度为I，则样品的衰变常数为______。【答案】ln(I0/I)/t【解析】I=I0e^{-λt}，λ=ln(I0/I)/t。9.在测量α粒子散射实验中，若入射α粒子的动能为Ek，散射角度为θ，则α粒子离原子核的最近距离为______。【答案】mv^2/(2k•sin^2θ/2)【解析】α粒子在原子核附近做类匀速圆周运动，库仑力提供向心力：k•2e^2/r^2=mv^2/r，r=mv^2/(2k•sin^2θ/2)。10.在验证康普顿效应的实验中，用X射线照射石墨，观察到散射光中出现了波长变长的谱线，这种现象说明______。【答案】光子与电子发生碰撞，部分能量转移给电子【解析】康普顿效应是光子与电子碰撞的结果，光子损失能量导致波长变长。三、判断题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.在α粒子散射实验中，散射角度越大，说明原子核的带电量越大。（√）【解析】根据卢瑟福散射公式：θ=1/(sin^2θ/2•Z^2•r^2)，散射角度与原子核电荷量成正比。2.在光电效应实验中，若用频率为ν的光照射金属板，电流计指针不偏转，说明该金属的截止频率大于ν。（√）【解析】截止频率ν0是金属能发生光电效应的最低频率，ν<ν0时不会产生光电子。3.在研究原子能级跃迁的实验中，氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级时，发射的光子能量等于从n=2能级跃迁到n=1能级时发射的光子能量。（×）【解析】E3-E1>E2-E1，发射光子能量不同。4.在验证原子核半衰期的实验中，放射性样品的衰变率与样品质量成正比。（×）【解析】衰变率由原子核数量决定，与样品质量无关。5.在测量电子电荷量e/m的实验中，若保持两平行板间的电压U和磁感应强度B不变，但将电子束的入射角度从垂直于电场方向改为与电场方向成θ角，电子做类平抛运动。（√）【解析】电子在电场和磁场中做匀速圆周运动，轨迹为圆的一部分。6.在研究原子光谱的实验中，光栅衍射条纹中，波长越长的光对应的条纹间距越大。（√）【解析】根据光栅公式dsinθ=kλ，λ越长，sinθ越大，条纹间距越大。7.在验证玻尔原子模型的实验中，氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级时，发射的光子能量等于从n=3能级跃迁到n=1能级时发射的光子能量。（×）【解析】E4-E2>E3-E1，发射光子能量不同。8.在研究放射性衰变的实验中，放射性样品的衰变率与样品温度成正比。（×）【解析】衰变率由原子核数量决定，与温度无关。9.在测量α粒子散射实验中，若入射α粒子的动能为Ek，散射角度为θ，则α粒子离原子核的最近距离与Ek成正比。（×）【解析】r=mv^2/(2k•sin^2θ/2)，与Ek成反比。10.在验证康普顿效应的实验中，用可见光照射石墨，一定能观察到康普顿效应。（×）【解析】康普顿效应需要光子与电子碰撞，可见光光子能量不足以产生电子跃迁。四、简答题（本大题共8小题，每小题2分，共16分）1.简述α粒子散射实验的主要现象和结论。【答案】主要现象：绝大多数α粒子穿过金箔，少数发生大角度偏转，极少数被反弹。结论：原子中存在带正电的原子核，原子核体积很小。2.解释光电效应实验中截止频率的概念。【答案】截止频率是金属能发生光电效应的最低频率，低于截止频率的光不能产生光电子。3.简述玻尔原子模型的主要假设。【答案】（1）电子在特定轨道上运动时不辐射能量；（2）电子跃迁时辐射或吸收光子，光子能量为ΔE=hc/λ。4.解释放射性半衰期的概念。【答案】半衰期是放射性样品中原子核数量减半所需的时间，反映放射性衰变的统计规律。5.简述测量电子电荷量e/m的实验原理。【答案】利用电子在电场和磁场中做匀速圆周运动，通过测量偏转量确定e/m。6.解释原子光谱中吸收光谱和发射光谱的区别。【答案】吸收光谱是光通过物质时特定波长的光被吸收，发射光谱是物质发光时出现特定波长的光。7.简述康普顿效应的实验现象和意义。【答案】实验现象：用X射线照射石墨，观察到散射光中出现了波长变长的谱线。意义：证明光子具有动量，支持光的粒子性。8.解释放射性衰变遵循的统计规律。【答案】放射性衰变是随机事件，大量原子核的衰变符合指数衰减规律，单个原子核的衰变是概率事件。五、应用题（本大题共8小题，每小题4分，共24分）1.在α粒子散射实验中，若入射α粒子的动能为5×10^-14J，散射角度为30°，求α粒子离原子核的最近距离。【答案】r=mv^2/(2k•sin^2θ/2)=1.22×10^-14m【解析】Ek=5×10^-14J，v=√(2Ek/m)，r=mv^2/(2k•sin^2θ/2)。2.在光电效应实验中，某金属的截止频率为6×10^14Hz，若用频率为8×10^14Hz的光照射，求光电子的最大初动能。【答案】Ekm=1.6×10^-19J【解析】Ekm=h(ν-ν0)=6.63×10^-34×(8×10^14-6×10^14)J。3.在研究原子能级跃迁的实验中，氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级时，发射的光子波长为多少？【答案】λ=4.86×10^-7m【解析】ΔE=hc/λ，ΔE=E4-E2=-13.6×(1/2^2-1/4^2)eV，λ=4.86×10^-7m。4.在验证原子核半衰期的实验中，某放射性样品经过10分钟后剩余1/8，求该样品的半衰期。【答案】t1/2=5分钟【解析】经过n个半衰期剩余N0/N=1/2^n，10/t1/2=3，t1/2=5分钟。5.在测量电子电荷量e/m的实验中，电子以速度3×10^7m/s垂直进入宽度为0.1m的平行板电场，电场强度为100V/m，求电子离开电场时的偏转量。【答案】y=1.35×10^-3m【解析】y=vd^2/(4Ee)=3×10^7×0.1^2/(4×100×1.6×10^-19)=1.35×10^-3m。6.在研究原子光谱的实验中，某元素在可见光区域发射三条谱线，其波长分别为400nm、500nm、600nm，求这三条谱线对应的光子能量之比。【答案】3:2:1【解析】E=hc/λ，λ之比为3:2:1，则E之比为1:2:3。7.在验证玻尔原子模型的实验中，氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级时，发射的光子频率为多少？【答案】ν=1.59×10^14Hz【解析】ν=c/λ，λ=656.3nm，ν=1.59×10^14Hz。8.在研究放射性衰变的实验中，某样品的初始放射性强度为1000counts/min，经过2小时后，测得放射性强度为625counts/min，求该样品的衰变常数。【答案】λ=0.357min^-1【解析】I=I0e^{-λt}，625=1000e^{-λ×2}，λ=0.357min^-1。【标准答案及解析】一、单项选择题1.A2.A3.D4.B5.D6.C7.B8.B9.A10.B二、填空题1.mv^2/(2k•sin^2θ/2)2.h(ν-ν0)3.4.86×10^-7m4.1小时2.vd^2/(4Ee)6.3:2:17.1.59×10^14Hz8.ln(I0/I)/t3.mv^2/(2k•sin^2θ/2)10.光子与电子发生碰撞，部分能量转移给电子三、判断题1.√2.√3.×4.×5.√6.√7.×8.×9.×10.×四、简答题1.主要现象：绝大多数α粒子穿过金箔，少数发生大角度偏转，极少数被反弹。结论：原子中存在带正电的原子核，原子核体积很小。2.截止频率是金属能发生光电效应的最低频率，低于截止频率的光不能产生光电子。3.玻尔原子模型的主要假设：电子在特定轨道上运动时不辐射能量；电子跃迁时辐射或吸收光子，光子能量为ΔE=hc/λ。4.半衰期是放射性样品中原子核数量减半所需的时间，反映放射性衰变的统计规律。5