高考物理三轮必做创新题-情景应用 专题 11近代物理（有解析）

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11近代物理
一、单选题
1．关于课本中四幅插图的相关描述，符合实际的是（　　）
A．图甲中验电器指针带正电
B．图乙中电磁波在真空中的传播速度比可见光小
C．图丙中镉棒的作用是使快中子变成慢中子，从而影响链式反应速度
D．图丁中肥皂泡呈现彩色的原因是光的衍射
2．在电影《流浪地球2》中，拥有超强算力和自我意识的量子计算机550W让人惊叹。事实上，量子计算机并非科幻，在安徽合肥就藏着国内首条量子芯片生产线。根据最新消息，我国的最新款量子计算机“悟空”即将在这里出世。预计到2025年，所研发的量子计算机将突破1000位量子比特，同时尝试将量子计算机运用在不同行业，解决不同行业对应问题。关于量子理论下列说法中不正确的是（　　）
A．普朗克首次提出了量子论，他认为微观粒子的能量是量子化的，分立而不连续的
B．玻尔把微观世界中物理量取分立值的观点应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说
C．爱因斯坦在解释光电效应现象时，利用了量子论的观点，提出了光子说。认为只有吸收了足够多光子数的电子才能从金属板中逸出
D．量子理论的诞生改变了人们看事物的角度和方式，是对人们原有经典物理学的补充而不是推倒重建
3．下列四幅教材中的图片场景，其中用到了理想化模型思想的是（ ）
A．甲图示意形状规则的均匀物体的重心
B．乙图示意把带小孔的空腔看成黑体
C．丙图示意模拟气体压强产生的机理
D．丁图示意用卡文迪许扭秤测量引力常量
4．关于以下四张图片，下列说法正确的是（ ）
A．甲图：五颜六色的彩虹是光的干涉现象
B．乙图：利用偏振眼镜能观看立体电影，说明光属于纵波
C．丙图：电子穿过铝箔后的衍射图样，说明了电子具有波动性
D．丁图：让高频电磁波的振幅随信号强弱而改变的技术叫调谐
5．实验是物理学研究问题的重要方法，下列对相关实验的阐述中正确的是（　　）
A．图1为观察悬浮于液体中的固体小颗粒做布朗运动时固体小颗粒的运动轨迹，它表明液体分子在杂乱无序地永不停息地运动着
B．图2所示的是著名的“泊松光斑”，该实验证明了泊松的观点“光的粒子说”
C．图3数据表明普朗克运用“能量子”的观点理论计算值与黑体辐射实验值吻合的非常好，这说明能量确实是不连续的，而是一份一份的
D．图4所示为卢瑟福发现质子的实验原理，其对应的核反应方程式为
6．某种光电烟雾报警器的结构原理图如图甲所示，S为光源，可以向外发射某一频率的平行光束，C为光电管，光电管的结构原理图如图乙所示，正常时S发出的平行光束不会进入光电管C，发生火情时如果有烟雾进入报警器内，S发射的光会被烟雾散射而改变方向进入光电管C，光电管K极为金属钾，光射到光电管的K极后会发生光电效应，就有电子从K极射向A极，就会有电流输入报警系统。下列说法正确的是（　　）
A．光电烟雾报警器中换用发出任一频率光的光源均能正常工作
B．如果光电管K极换上逸出功大于金属钾的金属钙时，可以通过增大光源S发出光的波长使光电烟雾报警器正常工作
C．如果保持其他条件不变，仅将图乙中的滑片P向右滑动，就可以提高光电烟雾报警器的灵敏度
D．如果保持其他条件不变，仅减小光源S发出光的强度可以提高光电烟雾报警器的灵敏度
7．如图1所示是一款光电烟雾探测器的原理图。当有烟雾进入时，来自光源S的光被烟雾散射后进入光电管C，光射到光电管中的钠表面时会产生光电流。如果产生的光电流大于，便会触发报警系统。金属钠的遏止电压随入射光频率的变化规律如图2所示，则（　　）
A．要使该探测器正常工作，光源S发出的光波波长不能小于
B．图2中图像斜率的物理意义为普朗克常量h
C．触发报警系统时钠表面每秒释放出的光电子数最少是N=6.25×1010个
D．通过调节光源发光的强度来调整光电烟雾探测器的灵敏度是不可行的
8．2023年春节期间，中国科幻电影《流浪地球2》热映．《流浪地球》系列影片设定：若干年后，太阳上的氢元素将被耗尽，太阳由“氢核聚变”阶段进入“氦核聚变”阶段，并成为一颗红巨星，地球将被太阳吞没、气化．因此，人类启动了“流浪地球”计划．人类的自救之旅的第一阶段是“刹车阶段”，利用2000台安装在地球赤道上的“转向式行星发动机”，通过喷射高能高压的粒子流，推动地球停止自转；第二阶段是“逃逸阶段”，利用“推进式行星发动机”推动地球加速，增大公转速度，逐渐脱离太阳系，开启“流浪”之旅．
根据以上素材，结合所学，判断下列说法正确的是（ ）
A．不考虑其它因素，地球停止自转的过程中，赤道上的物体所受重力逐渐减小
B．不考虑其它因素，地球停止自转的过程中，南北极处的物体所受重力逐渐增大
C．“转向式行星发动机”的喷口方向应该与自转速度方向相反，“推进式行星发动机”的喷口方向应该与公转速度方向相反
D．聚变要克服原子核之间的库仑斥力，因此氦核聚变比氢核聚变需要的温度更高
9．光刻机利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片。为提高光刻机投影精细图的能力，在光刻胶和投影物镜之间填充液体，提高分辨率，如图所示。则加上液体后（　　）
A．紫外线进入液体后光子能量增加
B．传播相等的距离，在液体中所需的时间变短
C．紫外线在液体中比在空气中更容易发生衍射，能提高分辨率
D．紫外线在液体中波长比真空中小
10．2022年10月31日“梦天”实验舱成功发射，其上配置了世界领先的微重力超冷原子物理实验平台，利用太空中的微重力环境和冷却技术，可获得地面无法制备的超冷原子。超冷原子是指温度接近0K状态下的原子（质量约10-27kg），其运动速度约为室温下原子速度（约500m/s）的5×10-5倍。超冷原子的制备要先利用激光冷却技术，使用方向相反的两束激光照射原子，原子会吸收激光的光子然后再向四周随机辐射光子，经过多次吸收和辐射后，原子的速度减小。同时施加磁场将原子束缚在一定区域内，避免原子逃逸，以延长原子与激光作用的时间。再用蒸发冷却技术，将速度较大的原子从该区域中排除，进一步降低温度。取普朗克常量h=6.63×10-34J·s。下列说法错误的是（　　）
A．太空中的微重力环境可使实验舱中的原子长时间处于悬浮状态，利于获得超冷原子
B．超冷原子的物质波波长约为10-5m量级
C．原子减速是通过原子向四周随机辐射光子实现的
D．超冷原子的蒸发冷却的机制，与室温下水杯中的水蒸发冷却的机制类似
11．考虑光子在等离子体（电离的气体）内穿行，自由电子对光子有散射作用，即当光子遇到自由电子后，电子在电场作用下作受迫振动，并向四周辐射出光子，电子对光子的散射实际上起到了阻碍光子流定向输运能量的作用，已知典型的散射截面（即电子与光子发生相互作用的截面，可视为圆形截面）为σ0=6.7×10-28m2，等离子体中电子数密度为ne=1.0×1030m-3，真空中光速为c=3.0×108m·s-1，光子相对任何电子的速度都为c，则光子连续两次被电子散射之间所通过的自由路程，即平均自由程为（　　）
A．1.5mm B．1.5cm
C．1.5dm D．1.5m
12．某些夜光钟表上的夜光粉含有放射性材料，能发射出某种射线。在暗室中将胶片包在密封的薄黑纸袋中，注意不使胶片曝光。把一枚回形针放在纸袋上面，再压上夜光钟表，放置足够时间后即可得到一张类似X光片的照片。该放射性材料发射出的应是（　　）
A．X光 B．射线 C．射线 D．射线
13．2022年10月19日，中国新一代“人造太阳”（HL-2M）科学研究取得突破性进展，等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新纪录。已知该装置内部发生的核反应方程为；，已知、、和X的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u，1u相当于，则下列说法中正确的是（　　）
A．一个X的质量约等于一个电子的质量
B．该反应吸收的能量约为17.6MeV
C．该反应生成物的结合能小于反应物的结合能之和
D．动能相同的一个X和一个电子，电子的德布罗意波长比X的德布罗意波长长
14．如图，放映电影时，强光照在胶片上，一方面，将胶片上的“影”投到屏幕上；另一方面，通过声道后的光照在光电管上，随即产生光电流，喇叭发出与画面同步的声音。电影实现声音与影像同步，主要应用了光电效应的下列哪一条规律（　　）
A．光电效应的发生时间极短，光停止照射，光电效应立即停止
B．入射光的频率必须大于金属的极限频率，光电效应才能发生
C．光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光的频率增大而增大
D．当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度随入射光的强度增大而增大
二、多选题
15．如图所示是一颗人造地球卫星，它的主体表面上镀有一层铂（铂逸出功为5.32eV），两翼的太阳能电池板（面积为）在绕地球轨道运行时，始终保持正面垂直于太阳光的照射方向。若太阳光为波长550nm的单色光，照射到电池表面的太阳光被全部吸收且单位面积的接收功率为1.4kW，已知普朗克常量，1摩尔粒子约为个。下列正确的是（ ）
A．每个光子的能量约为 B．到达电池表面太阳光的功率为4.2kW
C．电池表面吸收1摩尔光子的时间约为51s D．太阳光照射到卫星主体上会有光电子从表面逸出
16．伽马刀是一种特殊的治疗手段，主要是利用伽马射线对病变组织，进行大剂量聚集照射，使其产生局灶性的坏死或者是功能改变，因此达到理想的治疗目的。其原理是进入癌细胞内的硼核（）吸收慢中子，转变成锂核（）和粒子，释放出射线。已知硼核（）的比结合能为，锂核（）的比结合能为，氦核的比结合能为，真空中光速为c、下列判断正确的是（　　）
A．硼核（）变成锂核（）和粒子的核反应是衰变
B．射线带正电，有较强的电离作用
C．硼核（）的比结合能小于锂核（）的比结合能
D．该核反应释放的核能为
17．氖泡可用于指示和保护电路。在玻璃管中有两个相同的板状金属电极，并充入低压氖气，在两极间接入电压使氖气导电，如果金属电极发出的电子在电场作用下获得足够的能量，就能使氖气发光。将氖泡、保护电阻和电压可调的电源按如图所示的电路连接。氖泡用黑纸包住，黑纸上留出一条狭缝使光可以照射到氖泡。发现在没有光照的暗室中，当电源两端电压为时，氖泡恰能发光；当电源两端电压为时，氖泡不发光，但同时用频率为，的紫光照射氖泡，氖泡也恰能发光。两次实验中，氖泡恰能发光时回路中的电流可认为相等。已知普朗克常量为h，电子电荷量为e。下列说法正确的是（　　）
A．若保持电压不变，用黄光照射氖泡，氖泡也能发光
B．通过实验可知，紫光的光子能量
C．通过实验可知，电极中的电子脱离金属至少需要的能量
D．实验中使用交流电源也能观察到上述现象
三、解答题
18．宇宙飞船上的太阳帆在光压作用下，获得动力，实现星际航行。频率为的单色光垂直照射到镀铝帆板上，帆板几乎能反射所有光子。已知该帆板接受到的光辐射功率为P，普朗克常量为h，真空中光速为c，求：
（1）每秒钟帆板接受到光子数n；
（2）帆板所受的光压力大小F。
19．密立根油滴实验将微观量转化为宏观量进行测量，揭示了电荷的不连续性，并测定了元电荷的数值。实验设计简单巧妙，被称为物理学史上最美实验之一。该实验的简化装置如图所示。水平放置、间距为d的两平行金属极板接在电源上，在上极板中间开一小孔，用喷雾器将油滴喷入并从小孔飘落到两极板间。已知油滴带负电。油滴所受空气阻力，式中η为已知量，r为油滴的半径，v为油滴的速度大小。已知油的密度为ρ，重力加速度为g。
（1）在极板间不加电压，由于空气阻力作用，观测到某一油滴以恒定速率缓慢下降距离L所用的时间为，求该油滴的半径r；
（2）在极板间加电压U，经过一段时间后，观测到（1）问中的油滴以恒定速率缓慢上升距离L所用的时间为。求该油滴所带的电荷量Q；
（3）实验中通过在两极板间照射X射线不断改变油滴的电荷量。图是通过多次实验所测电荷量的分布图，横轴表示不同油滴的编号，纵轴表示电荷量。请说明图中油滴所带电荷量的分布特点，并说明如何处理数据进而得出元电荷的数值。
20．天文学家测得银河系中氦的含量约为，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条，一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的，二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部氢核聚变反应生成的。
（1）把氢核聚变反应简化为4个氢核聚变成氦核，同时放出2个正电子和2个中微子。请写出该氢核聚变反应的方程式，并计算一次反应释放的能量（计算结果用焦耳表示，取两位有效数字）；
（2）研究表明，银河系的年龄为，每秒钟银河系产生的能量约为，现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应。试估算银河系中由上述氢核聚变所产生的氦的质量，计算结果保留一位有效数字；
（3）根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。（可能用到的数据：银河系质量为，原子质量单位，1u相当于的能量，电子质量，氦核质量，氢核质量，中微子质量为零，阿伏伽德罗常数）
参考答案：
1．A
【详解】A．图甲中用紫外光灯照射与验电器相连的锌板，发生光电效应，锌板失去电子而带正电，故A正确；
B．图乙中电磁波在真空中的传播速度与可见光相同，故B错误；
C．图丙中镉棒的作用是吸收中子，控制链式反应速度，调节反应速度的快慢，故C错误；
D．图丁肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹是肥皂膜内外反射的光线，相互叠加产生的现象，是光的干涉现象，故D错误。
故选A。
2．C
【详解】A．普朗克首次提出了量子论，他认为微观粒子的能量是量子化的，分立而不连续的，故A正确，不符合题意；
B．根据物理学史的知识可知，玻尔把普朗克的量子理论应用到原子系统上，提出了自己的原子结构假说，成功地解释了氢原子的光谱，故B正确，不符合题意；
C．爱因斯坦在解释光电效应现象时，利用了量子论的观点，提出了光子说；一个电子只能吸收一个光子，故C错误，不符合题意；
D．量子理论的诞生改变了人们看事物的角度和方式，是对人们原有经典物理学的补充而不是推倒重建，故D正确，不符合题意。
故选C。
3．B
【详解】A．甲图是等效替代思想，A错误；
B．把带小孔的空腔看成黑体是理想化物理模型，B正确；
C．丙图为模拟气体压强产生机理实验图。实验说明了气体压强是由气体分子对器壁频繁碰撞产生的，C错误；
D．卡文迪许在利用扭秤实验装置测量万有引力常量时，将两个球体之间由于万有引力的吸引而移动的距离通过石英丝的扭转角度“放大”展现，应用了微小形变放大法，D错误。
故选B。
4．C
【详解】A．五颜六色的彩虹是光的色散现象，故A错误；
B．利用偏振眼镜能观看立体电影，说明光属于横波，故B错误；
C．电子穿过铝箔后的衍射图样，说明了电子具有波动性，故C正确；
D．让高频电磁波的振幅随信号强弱而改变的技术叫调幅，故D错误。
故选C。
5．C
【详解】A．图1所示做布朗运动的固体小颗粒在不同时刻位置的连线图，并非固体颗粒的运动轨迹，故A错误；
B．“泊松光斑”是光具有波动性的有力证据，而泊松是光的粒子说的坚定支持者，这与其对实验的预期结果恰恰相反，故B错误；
C．为了合理解释黑体辐射实验规律，普朗克发现必须打破能量连续的观念把能量看成一份一份的，只有这样理论值与实验值才能很好的吻合。从而，其引入了“能量子”的概念，故C正确；
D．图4所示为“α粒子大角度散射实验装置”，卢瑟福通过该实验发现了原子的核式结构，故D错误。
故选C。
6．C
【详解】A．光电烟雾报警器要正常工作，光源S发出光子的能量必须大于金属的逸出功，光子的能量为
所以换用低于金属极限频率的光时就不会发生光电效应，故A错误；
B．换上逸出功大于金属钾的金属钙时，光源S发出光子的能量小于金属钙的逸出功，就不会发生光电效应，光子的能量为
所以应减小光源S发出光的波长才能使金属钙发生光电效应，光电烟雾报警器才能正常工作，故B错误；
CD．触发报警系统的报警光电流临界值等于光电管中形成的光电流，光电管中形成的光电流取决于从K极打到A极的光电子数n，报警光电流临界值为定值，则n为定值，要提高烟雾报警器的灵敏度，就是当更少的烟雾进入报警器时就会报警，则要增大光的强度，或增大从K极打到A极的光电子数占产生总光电子数的比例，则滑片P需要向右滑动，增大两极间的电压，从而增大从K极打到A极的光电子数，故C正确，D错误。
故选C。
7．C
【详解】A．由图2可知金属的截止频率为，则有
则可知光源S发出的光波波长不能大于，故A错误；
B．由遏制电压与光电子的最大初动能之间的关系，以及爱因斯坦的光电效应方程可得
变式可得
可知该图像的斜率为，故B错误；
C．当光电流等于时，每秒产生的光子的个数为
故C正确；
D．当光源S发出的光能使光电管发生光电效应，那么光源越强，被烟雾散射进入光电管的光就越多，越容易探测到烟雾，即光电烟雾探测器灵敏度越高，故D错误。
故选C。
8．D
【详解】AB．不考虑其它因素，地球停止自转的过程中，赤道上的物体所受重力逐渐增大，而南北极处的物体本身不受地球自转的影响，因此在地球停止自转的过程南北极处物体的重力不变，故AB错误；
C．“转向式行星发动机”的喷口方向应该与自转速度方向相同，“推进式行星发动机”的喷口方向应该与公转速度方向相反，以使地球在公转轨道实现跃迁，逃离太阳系，故C错误；
D．聚变要克服原子核之间的库仑斥力，因此氦核聚变比氢核聚变需要的温度更高，故D正确。
故选D。
9．D
【详解】A．由于紫外线进入液体后光子的频率不变，根据可知光子的能量不会改变，故A错误；
B．由于液体对紫外线的折射率比空气（或真空）中的大，根据可知，紫外线在液体中的传播速度变小，根据，则传播相等的距离，在液体中所需的时间将变长，故B错误；
CD．由于紫外线在液体中的传播速度变小，根据可知，频率不变，则紫外线在液体中的波长比在空气（或真空）中的波长短，根据发生明显衍射现象的条件：障碍物的尺寸比波长小或与波长相差不大。可知紫外线在液体中比在空气中更不容易发生衍射，故C错误，D正确。
故选D。
10．C
【详解】A．在微重力环境下，原子几乎不受外力，故而能够长时间处于悬浮状态，有利于激光照射，故利于获得超冷原子，A正确，不符合题意；
B．由德布罗意波波长公式
其中
解得超冷原子的物质波波长
故B正确，不符合题意；
C．原子减速是通过吸收迎面射来的激光光子的能量，从而动量减少，速度减小，故C错误，符合题意；
D．超冷原子的蒸发冷却的机制，与室温下水杯中的水蒸发冷却的机制类似，D正确，不符合题意。
故选C。
11．A
【详解】单位距离的平均散射次数为
则光子连续两次被电子散射之间所通过的自由路程，即平均自由程为
故选A。
12．C
【详解】A．X光不会由放射性物质单独产生，A错误；
BCD．根据题意该射线具有一定的穿透性，可以穿透纸张但是不能穿透金属的回形针，所以可知为射线，BD错误，C正确。
故选C。
13．D
【详解】A．核反应公式
根据质量数和电荷数守恒可知X是中子，中子的质量大于电子的质量，A错误；
B．根据质能方程知
此过程是一个放出能量的过程，B错误；
C．由于反应放出能量，该反应生成物的结合能大于反应物的结合能之和，C错误；
D．X是中子，由于
知动能相同的一个中子和一个电子，由于中子的质量大于电子的质量，所以电子的德布罗意波长比X的德布罗意波长长，D正确。
故选D。
14．A
【详解】电影实现声音与影像同步，主要应用了光电效应中的规律是：光电效应的发生时间极短，光停止照射，光电效应立即停止，依据该原理实现声音与影像同步。
故选A。
15．BC
【详解】A．每个光子的能量约为
选项A错误；
B．照射到电池表面的太阳光被全部吸收且单位面积的接收功率为1.4kW，则到达电池表面太阳光的功率为3×1.4kW=4.2kW，选项B正确；
C．电池表面吸收1摩尔光子的时间约为
选项C正确；
D．铂逸出功为
W=5.32eV=8.5×10-19J
大于光子的能量，则不能发生光电效应，即太阳光照射到卫星主体上不会有光电子从表面逸出，选项D错误。
故选BC。
16．CD
【详解】A．根据质量数和电荷数守恒，可知核反应方程为
可知该核反应不是衰变，A错误；
B．射线为频率极高的电磁波，有较强的穿透作用，但电离作用较弱，B错误；
C．比结合能越大原子核越稳定，锂核（）比硼核（）稳定，则硼核（）的比结合能小于锂核（）的比结合能，故C正确；
D．核反应过程中释放的核能为
故D正确。
故选CD。
17．BD
【详解】B．通过金属电极发出的电子在电场作用下获得足够的能量，就能使氖气发光，假设恰好能让氖气发光的电子动能为，电极中的电子脱离金属至少需要的能量为，在没有光照的暗室中，当电源电压为时，氖泡恰能发光，设发光时电路电流为，保护电阻为，则有
当电源电压为时，同时用频率为的紫光照射氖泡，氖泡也恰好能发光，则有
联立解得
B正确；
A．若保持电压不变，用黄光照射氖泡，由于黄光的频率小于紫光的频率，则黄光光子能量小于紫光光子能量，可知氖泡不能发光，A错误；
C．通过实验可知，电极中的电子脱离金属需要的能量小于，C错误；
D．实验中如果采用交流电源，当电压达到一定数值时，也可能观察到上述现象，D正确。
故选BD。
18．（1）；（2）
【详解】（1）根据
解得
（2）光子的动量大小
根据动量定理
解得
19．（1）；（2）；（3）电荷量的分布呈现出明显的不连续性，见解析
【详解】（1）板间未加电压时，油滴的速度为，根据平衡条件有
其中
得
（2）板间加电压时，油滴的速度为，根据平衡条件有
其中
得
（3）电荷量的分布呈现出明显的不连续性，这是量子化的表现；
根据图中数据分布的特点，可将电荷量数值近似相等的数据分为一组，求出每组电荷量的平均值；再对各平均值求差值。在实验误差允许范围内，若发现各平均值及差值均为某一最小数值的整数倍，则这个最小数值即为元电荷的数值。
20．（1），；（2）；（3）见解析
【详解】（1）由质量数与核电荷数守恒可知，核反应方程式为
核反应中的质量亏损
释放出的核能
（2）银河系的年龄为，每秒钟银河系产生的能量约为，则产生的总能量为，根据核反应释放的能量，计算核反应产生的氦的质量
（3）宇宙诞生之初，氦的含量
由估算结果可知，远小于的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。
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