專題五

近代物理

光學(xué)

電磁波第十六講

近代物理近代物理命題形式:主要為選擇題,有時(shí)也會(huì)在計(jì)算題中涉及部分知識(shí)點(diǎn),難度中等?？疾閮?nèi)容1.光電效應(yīng):考查光電效應(yīng)的規(guī)律,如產(chǎn)生條件、飽和電流、最大初動(dòng)能與入射光頻率的關(guān)系等;光電效應(yīng)方程的應(yīng)用,以及對波粒二象性的理解。2.原子結(jié)構(gòu)與能級(jí)躍遷:氫原子能級(jí)結(jié)構(gòu),電子躍遷時(shí)吸收或輻射光子的能量計(jì)算,如給出躍遷能級(jí),求光子頻率或波長。3.原子核:核反應(yīng)方程的書寫,遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒;半衰期的概念及應(yīng)用,核能的計(jì)算,如利用質(zhì)能方程計(jì)算核反應(yīng)中釋放的能量。光學(xué)命題形式1.選擇題:是主要考查形式,常考查光的折射定律、全反射、干涉、衍射等基礎(chǔ)概念,難度中等。2.實(shí)驗(yàn)題:考查測量折射率、用雙縫干涉測量光的波長等實(shí)驗(yàn),要求理解實(shí)驗(yàn)原理和操作方法。3.計(jì)算題:偶爾出現(xiàn),通常與幾何知識(shí)結(jié)合,難度較大?？疾閮?nèi)容1.光的折射與全反射:常以玻璃磚、三棱鏡等為介質(zhì),考查折射定律的應(yīng)用,如計(jì)算折射角、光線傳播路徑長度等;也會(huì)考查全反射現(xiàn)象,如光纖通信原理、臨界角的計(jì)算等。2.光的干涉、衍射和偏振:以雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為背景,考查條紋間距公式的應(yīng)用;單縫衍射和圓孔衍射的特點(diǎn),如比較衍射條紋寬窄;偏振現(xiàn)象主要考查對自然光和偏振光的理解,以及偏振片的作用。電磁波命題形式:多以選擇題形式出現(xiàn),難度較低?？疾閮?nèi)容1.電磁波的產(chǎn)生與傳播:以

LC

振蕩電路為背景,考查電磁波的產(chǎn)生原理,包括電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)化;以及電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度、頻率和波長的關(guān)系。2.電磁波譜及其應(yīng)用:考查電磁波譜中各頻段的特點(diǎn)和主要應(yīng)用,如紅外線的熱效應(yīng)、紫外線的殺菌消毒作用、X射線在醫(yī)療透視中的應(yīng)用等。命題趨勢1.基礎(chǔ)概念仍是重點(diǎn):光學(xué)中的折射、全反射、干涉等概念,電磁波譜的應(yīng)用,近代物理中的光電效應(yīng)、能級(jí)躍遷等,仍會(huì)是考查的基礎(chǔ)內(nèi)容。2.情境設(shè)置更新穎:可能會(huì)結(jié)合現(xiàn)代科技成果,如激光技術(shù)、量子通信、核能應(yīng)用等,考查學(xué)生對知識(shí)的遷移和應(yīng)用能力。3.綜合性有所增強(qiáng):光學(xué)可能會(huì)與力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)知識(shí)結(jié)合;近代物理可能會(huì)與能量守恒定律等綜合考查。備考建議1.鞏固基礎(chǔ)知識(shí):熟練掌握各部分的基本概念、規(guī)律和公式,如光的折射定律、光電效應(yīng)方程、核反應(yīng)方程等。2.提升應(yīng)用能力:關(guān)注科技前沿和生活中的物理現(xiàn)象,學(xué)會(huì)用所學(xué)知識(shí)解釋和解決實(shí)際問題。3.強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí):對于光學(xué)實(shí)驗(yàn),要理解實(shí)驗(yàn)原理,掌握實(shí)驗(yàn)儀器的使用和數(shù)據(jù)處理方法。4.多做綜合練習(xí):通過練習(xí)光學(xué)與力學(xué)綜合、近代物理與能量綜合的題目,提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。1.

光電效應(yīng)兩條對應(yīng)關(guān)系(1)光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動(dòng)能大;(2)光照強(qiáng)度大(同種頻率的光)→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。2.定量分析時(shí)應(yīng)抓住三個(gè)關(guān)系式(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程:Ek=hν-W0。(2)最大初動(dòng)能與遏止電壓的關(guān)系:Ek=eUc。(3)逸出功與截止頻率的關(guān)系:W0=hνc?？键c(diǎn)一

光電效應(yīng)3.

光電效應(yīng)的四類圖像分析圖像名稱圖線形狀由圖線直接(或間接)得到的物理量

最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率υ的關(guān)系Ek=hυ-hυc(1)截止頻率:圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)νc(2)逸出功:圖線與Ek軸交點(diǎn)的縱坐標(biāo)的絕對值W0=|-E|=E(3)普朗克常量:圖線的斜率k=h顏色相同、強(qiáng)度不同的光,光電流與電壓的關(guān)系(1)遏止電壓Uc:圖線與橫軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(2)飽和光電流Im1、Im2:光電流的最大值(3)最大初動(dòng)能:Ek=eUc圖像名稱圖線形狀由圖線直接(或間接)得到的物理量

顏色不同時(shí),光電流與電壓的關(guān)系(1)遏止電壓Uc1>Uc2,則ν1>ν2(2)最大初動(dòng)能:Ek1=eUc1,Ek2=eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系(1)截止頻率νc:圖線與橫軸的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(2)普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積,即h=ke(注:此時(shí)兩極之間接反向電壓)題型1

光電效應(yīng)和光電管【例1】(2025·廣西模擬預(yù)測)光電傳感器如圖甲所示,若光線被物體阻擋,電流發(fā)生變化,工作電路立即報(bào)警。光線發(fā)射器內(nèi)大量處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),輻射出的光中只有a、b兩種光可以使該光電管陰極逸出光電子,圖乙為a、b光單獨(dú)照射光電管時(shí)產(chǎn)生的光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系圖線。下列說法正確的是 (

)A.光線發(fā)射器最多能輻射出4種不同頻率的光B.用同一裝置做雙縫干涉實(shí)驗(yàn),a光的條紋間距較小C.光電管中光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度有關(guān)D.若部分光線被遮擋,則放大器的電流將減小,從而引發(fā)報(bào)警【答案】D【解析】光線發(fā)射器中處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),最多能輻射出6種不同頻率的光,故A錯(cuò)誤;由題乙圖可知,a光的遏止電壓小于b光的遏止電壓。根據(jù)eUc=Ekm=hν-W0可知,νa<νb,a光的波長大于b光的波長,故a光條紋間距較寬,B錯(cuò)誤;光電管中光電子飛出陰極時(shí)的最大初動(dòng)能與入射的光的強(qiáng)度無關(guān),C錯(cuò)誤;部分光線被遮擋,光子數(shù)量減少,光電子數(shù)量減小,光電流變小,因此,放大器的電流將減小,從而引發(fā)報(bào)警,D正確。故選D?！纠?】(2024·四川宜賓三模)某科技小組用如圖所示的電路研究“光電效應(yīng)”現(xiàn)象,現(xiàn)用頻率為υ的紅光照射光電管,有光電子從K極逸出。下列說法正確的是 (

)A.使用藍(lán)光照射比紅光照射需要克服的逸出功更大B.僅增大入射光的強(qiáng)度,從K極逃逸出的電子的最大初動(dòng)能可能增大C.當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片從左向右滑動(dòng)時(shí),電流表示數(shù)可能先增大后保持不變D.將電源正、負(fù)極反接后,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片從左向右滑動(dòng)時(shí),電流表示數(shù)不變【答案】C【解析】逸出功由金屬材料本身決定,金屬一定,逸出功一定,可知,使用藍(lán)光照射與紅光照射同一種金屬需要克服的逸出功相等,故A錯(cuò)誤;根據(jù)光電效應(yīng)方程有Ekmax=hν-W0,可知,光電子的最大初動(dòng)能由入射光的頻率與逸出功共同決定,僅增大入射光的強(qiáng)度,從K極逃逸出的電子的最大初動(dòng)能不變,故B錯(cuò)誤;圖中電壓為加速電壓,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片從左向右滑動(dòng)時(shí),加速電壓逐漸增大。電流逐漸增大,當(dāng)達(dá)到飽和電流后,電流保持不變,即電流表示數(shù)可能先增大后保持不變,故C正確;將電源正、負(fù)極反接后,所加電壓為減速電壓,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片從左向右滑動(dòng)時(shí),電流先減小,當(dāng)電壓達(dá)到遏止電壓后,電流為0,即電流表示數(shù)先減小后不變,故D錯(cuò)誤。故選C。題型2

與光電效應(yīng)有關(guān)的圖像問題【例3】(2024·黑龍江三模)在研究甲、乙兩種金屬的光電效應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)中,光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示,則下列說法正確的是 (

)A.甲金屬的逸出功大于乙金屬的逸出功B.兩條圖線與橫軸的夾角α和β可能不相等C.若增大入射光的頻率,則所需遏止電壓隨之增大D.若增大入射光的強(qiáng)度,但不改變?nèi)肷涔獾念l率,則光電子的最大初動(dòng)能將增大【答案】C

【例4】(2024·遼寧丹東模擬預(yù)測)圖像可以直觀地反映物理量之間的關(guān)系。如圖甲所示的是光電管中光電流與電壓關(guān)系圖像,圖乙是c、d兩種金屬遏止電壓與入射光頻率之間的關(guān)系圖像,下列說法正確的是 (

)A.甲圖中,a光的波長大于b光的波長B.甲圖中,a光的波長可能等于b光的波長C.乙圖中,金屬c的逸出功小于金屬d的逸出功D.乙圖中,金屬c的逸出功可能等于金屬d的逸出功【答案】C

1.氫原子能級(jí)躍遷(1)從低能級(jí)(n)躍遷

高能級(jí)(m):動(dòng)能減少,勢能增加,原子能量增加,吸收能量,hν=Em-En。(2)從高能級(jí)(m)躍遷

低能級(jí)(n):動(dòng)能增加,勢能減少,原子能量減少,放出能量,hν=Em-En。2.受激躍遷有兩種方式(1)光照(吸收光子):光子的能量必須恰好等于能級(jí)差,hν=Em-En?？键c(diǎn)二

原子結(jié)構(gòu)與原子核

核能

5.

核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)ΔE=Δmc2

計(jì)算時(shí),Δm

的單位是“kg”,c

的單位是“m/s”,ΔE

的單位是“J”。(2)根據(jù)ΔE=Δm×931.5MeV計(jì)算時(shí),Δm

的單位是“u”,ΔE

的單位是“MeV”。(3)根據(jù)核子的比結(jié)合能來計(jì)算核能原子核的結(jié)合能=核子的比結(jié)合能×核子數(shù)。

核反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差,就是該核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能?！纠?】(2024·浙江紹興一模)速度接近光速的電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)沿圓弧軌道切線發(fā)出電磁輻射,這個(gè)現(xiàn)象最初是在同步加速器上觀察到的,稱為“同步輻射”。同步輻射光具有光譜范圍寬(從遠(yuǎn)紅外到X光波段,波長范圍約為10-5m~10-11m,對應(yīng)能量范圍約為10-1eV~105eV)、光源亮度高等特點(diǎn)。已知金屬鈉的逸出功W0=2.29eV,可見光的光子能量范圍為1.63eV~3.11eV,氫原子能級(jí)圖如圖所示,已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s。下列說法正確的是 (

)A.能量為1.89eV的同步輻射光遇到線度約為10-8m的蛋白質(zhì)分子時(shí),能發(fā)生明顯衍射B.能量為1.89eV的同步輻射光,其動(dòng)量約為6.3×10-9kg·m/sC.能量為1.89eV的同步輻射光照射金屬鈉,可使金屬鈉發(fā)生光電效應(yīng)D.能量為12.09eV的同步輻射光照射基態(tài)氫原子,氫原子能級(jí)躍遷后不會(huì)發(fā)出可見光【答案】A

【例6】(2023·江蘇南京模擬預(yù)測)如圖甲所示為研究光電效應(yīng)的電路,K極為金屬鈉(截止頻率為5.53×1014Hz,逸出功為2.29eV)。圖乙為氫原子能級(jí)圖,氫原子光譜中有四種可見光,分別是從n=6、5、4、3能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)產(chǎn)生的。下列說法正確的是 (

)A.氫原子光譜中有三種可見光能夠讓圖甲K極金屬發(fā)生光電效應(yīng)B.僅將P向右滑動(dòng),電流計(jì)示數(shù)一定變大C.若圖甲入射光的頻率小于鈉的截止頻率,增大光照強(qiáng)度,也可以發(fā)生光電效應(yīng)D.將自感系數(shù)為30μH的電感線圈和電容為1.2pF的電容器組成LC振蕩電路,用該電路產(chǎn)生的電磁波照射K極,可以發(fā)生光電效應(yīng)【答案】A【解析】從能級(jí)n=3躍遷至n=2產(chǎn)生的光的光子能量為1.89

eV,小于逸出功,不能使K極金屬發(fā)生光電效應(yīng);從能級(jí)n=4躍遷至n=2產(chǎn)生的光的光子能量為2.55

eV,大于逸出功,可以使K極金屬發(fā)生光電效應(yīng);則從能級(jí)n=6、n=5躍遷至n=2產(chǎn)生的光的光子能量均大于2.55

eV,大于逸出功,能使K極金屬發(fā)生光電效應(yīng);所以氫原子光譜中有三種可見光能夠讓圖甲K極金屬發(fā)生光電效應(yīng),故A正確;若K極發(fā)射的光電子未全部被A極吸收時(shí),則將P向右滑動(dòng)時(shí),A、K兩極的電壓增大,有更多的光電子被A極吸收,電流計(jì)示數(shù)增大;若K極發(fā)射的光電子已全部被A極吸收時(shí),此時(shí)的電流已達(dá)到飽和電流,則將P向右

【解析】半衰期是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律,半衰期的大小由原子核內(nèi)部自身因素決定,與所處的物理環(huán)境和化學(xué)狀態(tài)無關(guān),故A錯(cuò)誤;核反應(yīng)方程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,所以X的質(zhì)量數(shù)為222-218=4,電荷數(shù)為86-84=2,可知X為氦原子核,所以該反應(yīng)屬于α衰變,故B錯(cuò)誤;α衰變同時(shí)伴隨γ射線的產(chǎn)生,α射線與γ射線相比,α射線電離能力最強(qiáng),穿透能力最弱,γ射線穿透能力最強(qiáng),電離能力最弱,故C正確;核反應(yīng)前后的電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒,但質(zhì)量有虧損,因?yàn)楹朔磻?yīng)過程伴隨有能量產(chǎn)生,虧損的質(zhì)量以能量形式釋放,故D錯(cuò)誤。故選C。

【答案】C【解析】根據(jù)衰變過程電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可知,Z粒子的電荷數(shù)為-1,質(zhì)量數(shù)為0,所以Z粒子是電子,故A錯(cuò)誤;該反應(yīng)是β衰變反應(yīng),滿足質(zhì)量數(shù)守恒,故B錯(cuò)誤;新核比反應(yīng)核更穩(wěn)定,則新核的比結(jié)合能大于反應(yīng)核的比結(jié)合能,即14N的比結(jié)合能大于14C的比結(jié)合能,故C正確;半衰期是統(tǒng)計(jì)規(guī)律,只對大量的放射性原子核才成立,故D錯(cuò)誤。故選C。1.(2025·廣東卷)有甲、乙兩種金屬,甲的逸出功小于乙的逸出功。使用某頻率的光分別照射這兩種金屬,只有甲發(fā)射光電子,其最大初動(dòng)能為Ek,下列說法正確的是(

)A.使用頻率更小的光,可能使乙也發(fā)射光電子B.使用頻率更小的光,若仍能使甲發(fā)射光電子,則其最大初動(dòng)能小于EkC.頻率不變,減弱光強(qiáng),可能使乙也發(fā)射光電子D.頻率不變,減弱光強(qiáng),若仍能使甲發(fā)射光電子,則其最大初動(dòng)能小于EkB

【詳解】某頻率的光不能使乙金屬發(fā)生光電效應(yīng),說明此光的頻率小于乙金屬的截止頻率,則換用頻率更小的光不能發(fā)生光電效應(yīng),A錯(cuò)誤;由光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0可知頻率越大,最大初動(dòng)能越大,換用頻率更小的光最大初動(dòng)能小于Ek,B正確;頻率不變則小于乙金屬的截止頻率,不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng),C錯(cuò)誤;由Ek=hν-W0可知頻率不變最大初動(dòng)能不變,D錯(cuò)誤。故選B。

D

A

專題集訓(xùn)(十六)

近代物理1.(2025·廣西高考)有四種不同逸出功的金屬材料:銣2.15eV,鉀2.25eV,鈉2.30eV和鎂3.20eV制成的金屬板。現(xiàn)有能量為2.20eV的光子,分別照到這四種金屬板上,則會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)的金屬板為 (

)

A.銣

B.鉀

C.鈉

D.鎂A【解析】當(dāng)光子的能量大于金屬的逸出功時(shí)就能發(fā)生光電效應(yīng),可知能量是2.20eV的光子分別照射到四種金屬板上,會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)的金屬板是銣。故選A。

A

3.(2025·山東高考)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,用頻率和強(qiáng)度都相同的單色光分別照射編號(hào)為1、2、3的金屬,所得遏止電壓如圖所示,關(guān)于光電子最大初動(dòng)能Ek的大小關(guān)系正確的是 (

)A.Ek1>Ek2>Ek3

B.Ek2>Ek3>Ek1C.Ek3>Ek2>Ek1

D.Ek3>Ek1>Ek2B【解析】根據(jù)光電子最大初動(dòng)能與遏制電壓的關(guān)系Ek=eUc,根據(jù)圖像有Uc2>Uc3>Uc1,故Ek2>Ek3>Ek1;故選B。4.(2025·四川高考)某多晶薄膜晶格結(jié)構(gòu)可以等效成縫寬約為3.5×10-10m的狹縫。下列粒子束穿過該多晶薄膜時(shí),衍射現(xiàn)象最明顯的是(

)A.德布羅意波長約為7.9×10-13m的中子B.德布羅意波長約為8.7×10-12m的質(zhì)子C.德布羅意波長約為2.6×10-11m的氮分子D.德布羅意波長約為1.5×10-10m的電子D

5.(2024·江蘇模擬)如圖甲所示,用某種單色光研究光電效應(yīng)現(xiàn)象,改變K極的材料進(jìn)行探究。則遏止電壓Uc隨K極材料的逸出功W變化的關(guān)系圖像如圖乙所示,根據(jù)圖線的斜率和截距可以求得 (

)A.光子的頻率

B.光電子的電荷量C.普朗克常量

D.材料的截止頻率B

6.(2024·山東威海二模)研究光電效應(yīng)規(guī)律的電路圖如圖甲所示,某同學(xué)分別用a、b、c三束單色光照射光電管得到的光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系如圖乙所示。已知a、c兩條圖線與橫軸的交點(diǎn)重合。下列說法正確的是(

)A.用a光照射時(shí),單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)最多B.用a光照射時(shí),逸出光電子的最大初動(dòng)能最大C.該光電管用a光、b光照射時(shí)截止頻率不同D.若b光照射某金屬發(fā)生光電效應(yīng),則a光照射該金屬也一定發(fā)生光電效應(yīng)A【解析】由題圖乙可知,a光照射時(shí)對應(yīng)的飽和電流最大,則用a光照射時(shí),單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)最多,故A正確;根據(jù)Ek=eUc,由題圖乙可知,b光照射時(shí)對應(yīng)的遏止電壓最大,所以用b光照射時(shí),逸出光電子的最大初動(dòng)能最大,故B錯(cuò)誤;截止頻率只由光電管(金屬)自身決定,所以該光電管用a光、b光照射時(shí)截止頻率相同,故C錯(cuò)誤;根據(jù)Ek=hν-W0=eUc,由于b光照射時(shí)對應(yīng)的遏止電壓大于a光照射時(shí)對應(yīng)的遏止電壓,則b光的頻率大于a光的頻率,若b光照射某金屬發(fā)生光電效應(yīng),則a光照射該金屬不一定發(fā)生光電效應(yīng),故D錯(cuò)誤。故選A。7.(2024·四川成都模擬)2023年8月24日,日本福島第一核電站啟動(dòng)核污染水排海。核污染水含有的放射性元素高達(dá)64種,其中部分放射性物質(zhì)(如碘129)的半衰期長達(dá)1570萬年,下列說法正確的是 (

)A.核污染水進(jìn)入海水后溫度降低,會(huì)延長放射性元素的半衰期B.原子核的比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定C.天然放射現(xiàn)象中產(chǎn)生的β射線中的電子來源于原子核外電子D.100個(gè)碘129原子在1570萬年后有50個(gè)未發(fā)生衰變B【解析】半衰期由原子核內(nèi)部自身的因素決定,與所處的外部環(huán)境無關(guān),降低溫度放射性元素的半衰期不變,故A錯(cuò)誤;原子核的比結(jié)合能越大,原子核越穩(wěn)定,故B