2020年高考物理一轮复习课件：专题十二 第1讲 光电效应 原子结构.ppt

专题十二　近代物理初步 考点内容 要求 热点考向 1. 氢原子光谱 Ⅰ 1. 从近年高考试题来看，高考对 本章内容的考查涉及的考点较 多，具有不确定性 . 考题可能根据 某一考点命题，也可以同时涉及 多个考点，题型为选择题的概率 很高，很少出现计算题 . 2. 从整体命题趋势上看，高考对 本部分的命题基本会保持原有命 题思路，仍将以光电效应、能级 跃迁、核反应方程、核能的分析 与计算为命题重点，在高考复习 中应多加关注 . 2. 氢原子的能级结构、能级公式 Ⅰ 3. 原子核的组成、放射性、原子 核的衰变、半衰期 Ⅰ 4. 放射性同位素 Ⅰ 5. 核力、核反应方程 Ⅰ 6. 结合能、质量亏损 Ⅰ 7. 裂变反应和聚变反应、裂变反 应堆 Ⅰ 8. 射线的危害与防护 Ⅰ 9. 光电效应 Ⅰ 10. 爱因斯坦光电效应方程 Ⅰ 第 1 讲　 光电效应　原子结构 考点 1 光电效应 1. 光电效应 图 12-1-1 如图 12-1-1 所示，在光的照射下物体发 射电子的现象叫光 光电子 电效应，发射出来的电子叫 ________. (1)任何一种金属都有一个极限频率 ν 0 ，入射光的频率 ν >____，才能产生光电效应. (2)光电子的最大初动能与入射光的强度______关，随入射 光频率的增大而________. (3)入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是________ 的，一般不超过 10 －9 s. (4)当入射光的频率大于极限频 率时，入射光越强光电流 ________. ν 0 无 增大 瞬时 越大 2. 光电效应的规律 3. 爱因斯坦的光子说：光的能量 ________ 连续的，而是一 份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量 E 跟光的频率 ν 成正比： E ＝ ________( h 是普朗克常量 ). 4. 爱因斯坦光电效应方程 (1) 最大初动能和逸出功 不是 hν 逸出功 金属表面的电子吸收光子后，克服金属原子核的引力做功 . 直接从金属表面逸出的电子所具有的最大动能称为最大初动 能，克服金属原子核的引力逃逸出而成为光电子所做的功的最 小值叫 ________. (2)光电效应方程：________________， hν 极限 ＝ W 0 .( E k 是光 电子的最大初动能； W 0 是____________，即从金属表面直接飞 出的光电子 克服原子核的引力所做的功 ). 考点 2 卢瑟福核式结构模型 1. 汤姆生的“枣糕”模型 (1)1897 年 __________ 发现电子，提出原子的“枣糕”模 型，揭开了人类研究原子结构的序幕 . 汤姆生 均匀 (2)“ 枣糕”模型：原子是一个球体，正电荷 __________ 分 布在整个球内，电子像枣糕里的枣子那 样镶嵌在原子里 . E k ＝ hν － W 0 逸出功 2. 卢瑟福的“核式结构”模型 (1)α 粒子散射实验装置：如图 12-1-2 所示 . 图 12-1-2 实验规律 卢瑟福的分析 __________α 粒子仍沿原来的 方向前进 原子中绝大部分是空隙 少数 α 粒子发生了较大的偏转， 极少数的偏转角超过了 90° ，有 的甚至被弹回，偏转角几乎达 到 180° α 粒子碰到了质量比自己大得 多的带正电的物质，原子的全 部正电荷和几乎全部的质量都 集中在一个很小的范围内 (2)α 粒子散射实验规律及卢瑟福对实验现象的分析 绝大多数 (3) 原子核式结构模型 ① 在原子的中心有一个很小的核，叫 __________. ② 原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子 核里 . ③ 带负电的电子在核外空间里绕着核旋转 . (4)原子核的大小：从α粒子散射实验的数据估算出原子核 的半径约为 10 － 15 ～ 10 － 14 m ；原子的半径约为 10 － 10 m. 原子核 核子 质量 质子 同位素 3. 质子和中子统称 ______ ，原子核的电荷数等 于其质子数， 原子核的 __________ 数等于其质子数与中子数的和 . 具有相同 ________ 数的原子属于同一种元素；具有相同的质子数和不同 的中子数的原子互称 __________. 考点 3 玻尔原子模型 1. 定态：原子只能处于一系列 ________ 的能量状态中，在 这些能量 状态中原子是 ________ 的，电子虽然绕核运动，但并 不向外辐射能量 . 不连续 2.跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它_______ 或________一定频率的光子，光子的 能量由这两个定态的能量 差决定 .即 hν ＝________.( h 是普朗克常量， h ＝6.626×10 －34 J·s) 3.轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕 核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也 是__________的. 不连续 稳定 辐射 吸收 E m － E n 4. 氢原子的能级、能级公式 (1) 氢原子的能级图 ( 如图 12-1-3 所示 ) 图 12-1-3 (2) 氢原子的能级和轨道半径 － 13.6 eV n 2 r 1 0.53×10 －10 m ① 氢原子的能级公式： E n ＝ ________( n ＝ 1,2,3 ， … ) ，其中 E 1 为基态能量，其数值为 E 1 ＝ ___________. ② 氢原子的半径公式： r n ＝ ________( n ＝ 1,2,3 ， … ) ，其中 r 1 为基态半径，又称玻尔半径，其数值为 r 1 ＝ ______________. 【 基础自测 】 ) 1. 根据玻尔理论，在氢原子中，量子数 n 越大，则 ( A. 电子轨道半径越小 B. 核外电子运动速度越大 C. 原子能级的能量越小 D. 电子的电势能越大 根据 解析： 在氢原子中，量子数 n 越大，电子的轨道半径越大， 知， r 越大， v 越小，则电子的 动能减小，因为量 子数增大，原子能级的能量增大，动能减小，则电势能增大， D 正确， A 、 B 、 C 错误 . 答案： D 2. 如图 12-1-4 所示为氢原子的能级图， A 、 B 、 C 分别表示 ) 电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，其中 ( 图 12-1-4 A. 频率最高的是 A C. 频率最低的是 A B. 波长最长的是 C D. 波长最长的是 B B 正确 . 答案： B 3.( 多选 ) 光电效应实验的装置如图 12-1-5 所示，则下列说法 中正确的是 ( ) 图 12-1-5 A. 用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转 B. 用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转 C. 锌板带的是负电荷 D. 使验电器指针发生偏转 的是正电荷 解析： 紫外线的频率大于锌板的极限频率，用紫外线照射， 发生光电效应，有电子从锌板逸出，锌板失去电子带正电，所 以使验电器指针发生偏转的是正电荷，红色光的频率小于锌板 的极限频率，不能发生光电效应， A 、 D 正确 . 答案： AD 4.( 多选 ) 在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光 电效应，实验测得光电子的最大动能 E k 与入射光的频率 ν 的关 系如图 12-1-6 所示，由实验图线可求出 ( A. 该金属的极限频率和极限波长 B. 普朗克常量 C. 该金属的逸出功 D. 单位时间内逸出的光电子 数 ) 图 12-1-6 解析： 依据光电效应方程 E k ＝ hν － W 可知，当 E k ＝ 0 时， ν ＝ ν 0 ，即图线横坐标的截距在数值上等于金属的极限频率， A 常量， B 正确 . E k ＝ hν － W ， E k ＝ 0 时有 hν 0 － W ＝ 0 ，所以逸出功 W ＝ hν 0 ，C 正确；由于不知道光电流，无法求 阴极在单位时间 内放出的电子数， D 错误. 答案： ABC 热点 1 光电效应 [ 热点归纳 ] 1. 用光电管研究光电效应 (1) 常见电路图 图 12-1-7 (2) 光电流与饱和电流 ① 入射光强度：指单位时间内入射到金属表面单位面积上 的能量，可以理解为频率一定时，光强越大，单位时间内照射 金属表面的光子数越多 . ② 光电流：指光电子在电路中形成的电流 . 光电流有最大 值，未达到最大值以 前，其大小和光强、电压都有关，达到最 大值以后，光电流和光强度成正比 . ③ 饱和电流：指在一定频率与强度的光照射下的最大光电 流，饱和电流不随电路中电压的增大而增大 . (3) 两条分析线索 ① ② 考向 1 光电效应现象 【 典题 1 】 ( 多选 ) 如图 12-1-8 所示，用导线把验电器与锌板 ) 相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是 ( 图 12-1-8 A. 有光子从锌板逸出 C. 验电器指针张开一个角度 B. 有光电子从锌板逸出 D. 锌板带负电 解析： 用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的，锌板上 的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出，称之为光电子， A 错误， B 正确；锌板与验 电器相连，带有相同电性的电荷，锌 板失去电子应该带正电，且失去电子越多，带正电的电荷量越 多，验电器指针张角越大， C 正确， D 错误 . 答案： BC 考向 2 光电效应的规律 【 典题 2 】 入射光照到某金属表面发生光电效应 ，若入射 光的强度减弱，而频率保持不变，则下列说法正确的是 ( ) A. 从光照射到金属表面上到金属发射出光电子之间的时间 间隔将明显增加 B. 逸出的光电子的最大初动能减小 C. 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少 D. 有可能不发生光电效应 解析： 光电效应瞬时 ( 一般不超过 10 － 9 s) 发生，与光强无关， A 错误 . 光电子的 最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的 频率越大，最大初动能越大， B 错误 . 光电子数目多少与入射光 的强度有关，光强减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子 数目减少， C 正确 . 能否发生光电效应，只取决于入射光的频率 是否大于极限频率，与光强无关， D 错误 . 答案： C 考向 3 光子说 【 典题 3 】 (2017 年北京卷 )2017 年初，我国研制的“大连 光源” —— 极紫外自由电子激光装置，发出了波长在 100 nm (1 nm ＝ 10 － 9 m) 附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲 . 大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技 术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用 . 一个处于极紫外波 段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打 碎 . 据此判断，能够电离一个分子的能量约为 ( 取普朗克常量 h ＝ 6.6 × 10 － 34 J·s ，真空光速 c ＝ 3 × 10 8 m/s)( 　　 ) A.10 － 21 J 　B.10 － 18 J 　C.10 － 15 J 　 D.10 － 12 J 2 × 10 － 18 J ，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量 稍大，因此数量级应相同，故选 B. 答案： B 图象名称 图线形状 由图线直接 ( 间接 ) 得到的物理量 最大初动能 E k 与入射光频率 ν 的关系图线 ① 极限频率：图线与 ν 轴交点的横坐标 ν 0 ② 逸出功：图线与 E k 轴交点的纵坐标的绝对值 W 0 ＝ | － E | ＝ E ③ 普朗克常量：图线的斜率 k ＝ h 颜色相同、强弱不同的光，光电流与电压的关系 ① 遏止电压 U c ：图线与横轴的交点 ② 饱和光电流 I m ：电流的最大值 ③ 最大初动能： E km ＝ eU c 热点 2 光电效应方程及图象分析 图象名称 图线形状 由图线直接 ( 间接 ) 得到的物理量 颜色不同时，光电流与电压的关系 ① 遏止电压 U c1 、 U c2 ② 饱和光电流 ③ 最大初动能 E k1 ＝ eU c1 、 E k2 ＝ eU c2 遏止电压 U c 与入射光频率 ν 的关系图线 ① 截止频率 ν 0 ：图线与横轴的交点 ② 遏止电压 U c ：随入射光频率的增大而增大 ③ 普朗克常量 h ：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即 h ＝ ke ( 注：此时两极之间接反向电压 ) ( 续表 ) 考向 1 光电效应方程 【典题 4 】 (2018 年新课标 Ⅱ 卷 ) 用波长为 300 nm 的光照射 锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为 1.28×10 －19 J.已知普 朗克常量为 6.63 × 10 － 34 J·s ，真空中的光速为 3.00 × 10 8 m·s － 1 ， 能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为 ( ) A.1×10 14 Hz C.2×10 15 Hz B.8×10 14 Hz D.8×10 15 Hz 解析： 知道光电效应方程 E k ＝ hν － W 0 ；知道逸出功 W 0 ＝ hν 0 hν 0 并结合两个公式求解. 由光电效应方程式得 E k ＝ hν － W 0 刚好发生光电效应的临界频率为 ν 0 则 W 0 ＝ hν 0 ，代入数据可得： ν 0 ＝ 8 × 10 14 Hz ， B 正确 . 答案： B 【迁移拓展】 ( 多选， 2017 年新课标 Ⅲ 卷 ) 在光电效应实验 中，分别用频率为 ν a 、 ν b 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 U a 和 U b 、光电子的最大初动能分别 为 E k a 和 E k b . h 为普朗克常量 . 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 若 ν a > ν b ，则一定有 U a < U b B. 若 ν a > ν b ，则一定有 E k a > E k b C. 若 U a < U b ，则一定有 E k a < E k b D. 若 ν a > ν b ，则一定有 hν a － E k a > hν b － E k b 解析： 由爱因斯坦光电效应方程 E km ＝ hν － W ，又由动能定 答案： BC 理有 E km ＝ eU ，当 ν a > ν b 时，则 E k a > E k b ， U a > U b ， A 错误， B 正确；若 U a < U b ，则有 E k a < E k b ， C 正确；同种金属的逸出功不变，则 W ＝ hν － E km 不变， D 错误 . 考向 2 光电效应图象 【 典题 5 】 爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释了光 电效应的规律而获得 1921 年诺贝尔物理学奖 . 某种金属逸出光 电子的最大初动能 E km 与入射光频率 ν 的关系如图 12-1-9 所示， ) 其中 ν 0 为截止频率 . 从图中可以确定的是 ( A. 逸出功与 ν 有关 B. E km 与入射光强度成正比 C. 当 ν ＜ ν 0 时，会逸出光电子 D. 图中直线的斜率与普朗克常 量有关 图 12-1-9 解析： 逸出功由金属材料本身决定， A 错误；由 E km ＝ hν － W 0 可知 B 错误， D 正确；由图象可知，当 ν ＞ ν 0 时会逸出 光电子， C 错误 . 答案： D 热点 3 氢原子能级及能级跃迁 [ 热点归纳 ] 1. 两类能级跃迁： (1) 自发跃迁：高能级 → 低能级，释放能量，发出光子 . (2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量. ①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差 hν ＝Δ E . ②碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即 可， E 外 ≥ Δ E . ③大于电离能的光子被吸收，将原子电离. 2. 谱线条数的确定方法： (1) 一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为 ( n － 1). (2) 一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解 方法： ② 利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各 种可能情况一一画出，然后相加 . 考向 1 氢原子跃迁过程中的特点 【 典题 6 】 (2018 届广西桂林、贺州、崇左三市调研 ) 氢原 子能级如图 12-1-10 所示，当氢原子从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 2 的能 ) 级时，辐射光子的波长为 656 nm. 以下判断正确的是 ( 图 12-1-10 A. 氢原子从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 1 的能级时，辐射光子的波长 大于 656 nm B. 氢原子从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 1 的能级时辐射光子照射某金 属表面有光电子逸出，若换用光子 Z 照射该金属表面时不一定 有光子逸出 C. 一个处于 n ＝ 3 能级上的氢原子向低 能级跃迁时最多产 生的 3 种谱线 D. 用波长 633 nm 的光照射，能使氢原子从 n ＝ 2 跃迁到 n ＝ 3 的能 级 解析： 氢原子从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 2 的能级时辐射的能量为 656 nm ，那么从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 1 的能级时，辐射光的波长应 该小于 656 nm ， A 错误；氢原子从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 1 的能级时 辐射光子的能量大于从 n ＝ 3 跃迁到 n ＝ 2 辐射光的能量，但不 一定发生光电效应， B 正确；一个处于 n ＝ 3 能级上的氢原子向 低能级跃迁时最多产生的 2 种谱线， C 错误；若要使氢原子从 n ＝ 2 跃迁到 n ＝ 3 的能级所吸收的能量一定是波长为 656 nm 对 应的能量才可以， D 错误 . 答案： B 考向 2 氢原子跃迁过程中光谱线的能量关系 【 典题 7 】 (2018 届辽宁朝阳模拟 ) 如图 12-1-11 所示，氢原 子在不同能级间发生 a 、 b 、 c 三种跃迁时，释放光子的波长分 别是 λ a 、 λ b 、 λ c ，下列关系式正确的是 ( 　　 ) 图 12-1-11 答案： C